高分辨率衛(wèi)星影像在水源地勘界中的應用

石光 孫振勇 張馨文 李艷

摘要：水源地保護區(qū)勘界可為水源地規(guī)范化建設方案編制、最嚴格水資源管理實施、環(huán)保督查等提供重要的地理信息數(shù)據(jù)支撐。以重慶市豐都區(qū)彈子臺水源地保護區(qū)勘界測量為實例，采用CQCORS進行特征點數(shù)據(jù)采集，結(jié)合高分辨率衛(wèi)圖影像，以EPS地理信息工作站為數(shù)據(jù)處理平臺，對水源地保護區(qū)勘界數(shù)據(jù)進行校核、投影換算、影像糾正與匹配、數(shù)字化地形圖成圖。成圖精度檢驗結(jié)果表明，該方法高效快速，滿足測量精度，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：水源地;勘界;高分辨衛(wèi)星影像;CQCORS;水源地保護區(qū);彈子臺水庫;豐都;重慶

中圖法分類號：TV211.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.001

國家“十三五”規(guī)劃明確提出，實行最嚴格的水資源管理制度。目前，生態(tài)環(huán)境部、水利部對飲用水水源地實行更加嚴格的水保護制度。其中，對于飲用水水源地規(guī)范化建設方案編制，必須開展保護區(qū)邊界勘測和圖形繪制，建立地理信息數(shù)據(jù)庫。水源地保護區(qū)邊界地理信息同時可為水污染防治、水源安全管理、環(huán)保部門督查等提供重要的基礎數(shù)據(jù)支撐。鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式水源地多處于偏遠山區(qū)，遠離人口密集居住地，交通較為困難，自然地理條件復雜，測量極其不便。鑒于此，本文結(jié)合重慶市豐都區(qū)彈子臺水源地保護區(qū)勘界測量項目，采用cQ—CORS進行特征點數(shù)據(jù)采集，結(jié)合高分辨率衛(wèi)圖影像，以EPS地理信息工作站為數(shù)據(jù)處理平臺，對水源地保護區(qū)勘界數(shù)據(jù)進行校核、投影換算、影像糾正與匹配、數(shù)字化地形圖成圖。

1CQCORS簡介

CQCORS是由重慶市地理信息中心管理的全市統(tǒng)一的現(xiàn)代測繪地理信息空間定位基準。該定位基準覆蓋整個重慶市區(qū)域，范圍達8000余km²，全面兼容BDS、GPS和GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可全頻段接收北斗的B1、B2、B3，GPS的L1、L2、L5和GLONASS的G1、G2信號，能全天24h不間斷提供導航定位差分服務。平面定位精度和高程定位精度均達到厘米級。圖1為采用CQCORS采集的GNSS基站分布及項目所在位置信息。

2測區(qū)概況

彈子臺水庫位于重慶市豐都縣包鸞鎮(zhèn)新花村境內(nèi)，為包鸞河（龍河支流，長江二級支流）上游河尾段。水庫集雨面積35.8km²，總庫容1149.82萬m³，正常庫容1014萬m³，正常蓄水位692.0m，設計洪水位692.0m，校核洪水位693.8m，年可供水量2192萬m³。該水庫2003年建成投入使用，以城鎮(zhèn)飲用水供水為主要功能，兼顧農(nóng)田灌溉、防洪和發(fā)電功能。水源地為典型的高山地帶，只有一條鄉(xiāng)村崎嶇山路通過縣城，距離約30km，交通較為不便。

該水庫水源地一級保護區(qū)（正常蓄水位縱深30m范圍內(nèi)）海拔約680～720m，與水面線高差最大達40m，地勢陡峭，爬行困難。高密度植被主要為灌木林、針葉林及少數(shù)經(jīng)濟作物林，覆蓋區(qū)域約占總測量區(qū)域面積的60%，為測量極為困難區(qū)域。

依據(jù)已有的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和野外踏勘的勘界范圍和特性，在整個保護區(qū)范圍內(nèi)外均勻選取布設了6個特征點，現(xiàn)場無遮擋、衛(wèi)星信號良好，觀測精度符合要求;在衛(wèi)星影像圖上特征明顯，易于判別。特征點主要為大壩壩頂拐點、公路轉(zhuǎn)折處、民房角點、水位遙測站房角點等?，F(xiàn)場采用CQCORS按圖根點測量技術(shù)要求進行施測，并將數(shù)據(jù)及時上傳至解算中心解算為CGCS2000坐標系統(tǒng)數(shù)據(jù)。表1為6個特征點距最近CQCORS GNSS基站的距離。

3制圖流程

根據(jù)業(yè)主需求，對本次水源地進行一級保護區(qū)勘界，平面精度0.5m?；谧匀坏乩項l件限制，常規(guī)測量儀器進行實地勘界較為困難，測量工期難以保證。受項目勘測成本限制，采用無人機等技術(shù)進行低空（傾斜）攝影測量無法保證項目收益。因此，依據(jù)項目精度要求，利用CQCORS進行特征點提取，參數(shù)校正，采用EPS調(diào)用衛(wèi)圖底圖進行矢量化繪圖，再進行參數(shù)求取，圖件轉(zhuǎn)換輸出。實施流程見圖2。

3.1衛(wèi)圖下載與轉(zhuǎn)換

衛(wèi)星影像底圖通過91衛(wèi)圖軟件下載獲取，選擇GoogleEarth無偏移影像（默認為最新影像資料），可通過行政區(qū)劃界線、多邊形、圓形以及拉框等方式進行范圍框定下載。在下載對話框中輸入測區(qū)名稱、存儲目錄，選擇數(shù)據(jù)類型和影像級別。由于對高程數(shù)據(jù)不作要求，本次選擇數(shù)據(jù)類型為“影像”。影像級別選擇最高等級19級（0.26m），裁剪范圍選擇按邊界范圍裁剪。此外可根據(jù)制圖需要疊加當前顯示的矢量圖層、道路地名參考層、經(jīng)緯網(wǎng)及比例尺等其他信息。

轉(zhuǎn)換類型選擇EPS可導入的類型“Geotiff”格式，坐標投影選擇“國家2000坐標系高斯投影”，并根據(jù)當?shù)剞D(zhuǎn)換參數(shù)進行分帶（中央子午線、加常數(shù)）、轉(zhuǎn)換七參數(shù)設定，也可直接導人編輯好的參數(shù)（文本格式）。EPS制圖一般選擇背景顏色為黑色（默認）。

衛(wèi)星影像底圖下載及轉(zhuǎn)換的歷時因框選范圍區(qū)域、影像級別大小、網(wǎng)絡環(huán)境不同而不同，通常10G的數(shù)據(jù)耗時約5min。衛(wèi)星影像圖還可借助第三方處理軟件，如Arcgis進行影像裁剪、大氣與輻射校正等，以獲取更高質(zhì)量的制圖底圖。

3.2EPS矢量化制圖

轉(zhuǎn)換好的衛(wèi)圖文件存放在以測區(qū)名稱命名的文件里，該文件應包含“Geotiff”格式衛(wèi)圖影像、“測區(qū)名稱.pri”文件以及其他文本文件。“測區(qū)名稱.pri”含投影參數(shù)、坐標系統(tǒng)等各類信息，文本文件包含影像像素、四角坐標值、空間分辨率、比例尺以及影像拍攝日期等信息。上述文件缺一不可，否則會引起EPS調(diào)入衛(wèi)圖錯誤甚至宕機。

EPS工作平臺是一款基于數(shù)據(jù)庫的專業(yè)測繪繪圖成圖軟件，可兼容DWG、MDB、SHP等多種格式的圖形數(shù)據(jù)，支持其他數(shù)據(jù)處理平臺的來源數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換。可實現(xiàn)BMP、TIF、TIFF、JPG、PNG、ICO等不同類型圖像的調(diào)入與處理。

調(diào)入前應事先做好EPS工作環(huán)境的設置工作，包括比例尺、坐標系統(tǒng)、投影參數(shù)等，并檢查是否與Geotiff格式衛(wèi)圖影像各類參數(shù)一致，否則可能會引起嚴重的坐標信息錯誤。檢查無誤后可直接調(diào)入衛(wèi)圖影像到EPS。

矢量化制圖內(nèi)容主要包括水邊線制作、道路及管線制作、水源地（水庫）水工附屬設施繪制、特征點標定與繪制、水源地保護區(qū)界線繪制與編輯。本文重點介紹水源地保護區(qū)界線繪制與編輯。EPS良好直觀的繪圖界面和功能強大的點、線、面編輯處理功能使水源地保護區(qū)界線繪制輕而易舉。一級界線規(guī)定為常年水面線縱深30m，水面線矢量化勾繪完成后，點擊編輯菜單下子功能鍵“距離（過點）平行線”，選擇“水面線”，勾選“復制”，范圍為“全線”，輸入距離30m，確定后即可繪制一級界線。還可以對線上尖頭（大于45°）處進行圓滑處理和裁剪，將線上節(jié)點進行抽稀，對線型進行平滑處理，更改線地物代碼后，一級水源地保護區(qū)界線繪制完畢。

3.3參數(shù)求取與圖件轉(zhuǎn)換

將特征點的CQCORS測量坐標數(shù)據(jù)與EPS下標定坐標數(shù)據(jù)輸入到EpsNas測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)進行坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算。分別設定好兩套坐標系統(tǒng)的橢球基準和平面系統(tǒng)等參數(shù)，計算時選擇七參數(shù)類型進行轉(zhuǎn)換（見圖3）。中誤差符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求后記錄轉(zhuǎn)換七參數(shù)數(shù)值。

在EPS下輸人命令“TransCoordEx”進行全圖坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，選取所有數(shù)據(jù)后，輸入計算好的參數(shù)值，點擊確定完成轉(zhuǎn)換，即所有矢量化數(shù)據(jù)成為基于CQCORS數(shù)據(jù)的CGCS2000坐標系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

運行腳本程序即可輸出符合業(yè)主要求的DWG格式地形圖件。由于成果圖件要求疊加衛(wèi)星影像地圖，因此還需要進行衛(wèi)星地圖與轉(zhuǎn)換后的地形圖校正重合。在91衛(wèi)圖軟件下重新下載勘界范圍的衛(wèi)星影像圖，導出時輸人計算好的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)即可。在CAD軟件下加載影像導人CAD插件“VLX”插件，命令行輸入INSG命令，運行程序?qū)⑦M行坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換后的衛(wèi)星影像圖調(diào)入CAD中，調(diào)整地形圖與衛(wèi)星影像圖的放置順序，成果圖件即實現(xiàn)疊加套合。圖4為基于CQCORS與衛(wèi)圖的水源地保護區(qū)勘界局部圖件。

3.4精度分析

為了檢驗成圖精度是否滿足需求，圖上標定一定規(guī)模數(shù)量的水面線、一級水源地保護界線以及其他特征拐點，并保留三維坐標值。現(xiàn)場采用全站儀實地檢驗測量，按圖根控制點精度施測，獲取同一坐標系統(tǒng)下的三維坐標值，并進行坐標比對（高程數(shù)據(jù)不參與精度比對）。本次共標定現(xiàn)場GNSS測量特征值27個。數(shù)據(jù)對比分析表明：縱向坐標x最大差值△Xmax為0.167m，橫方向y最大差值△Ymax為0.204m;平均誤差為0.113m，較差中誤差0.197m。

4結(jié)語

重慶市豐都縣彈子臺水源地保護區(qū)勘界實例運用及精度結(jié)果分析表明：基于衛(wèi)星影像圖的水源地保護區(qū)勘界與制圖方法高效快速，可節(jié)約野外觀測時間;利用EPS進行矢量化成圖各數(shù)據(jù)詳實，相關(guān)地物、地貌等與測區(qū)實際情況吻合度較高;利用cQ.CORS進行特征點測量與參數(shù)校正，偏移量滿足業(yè)主需求指標，成果精度可靠，滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)程精度，可為類似工程提供參考。