学文网摘要:为了测算不同大小的水域面积,基于测绘技术和计算机技术的不断发展,探讨了将全站仪、GPS-RTK和遥感技术应用于不同水域面积测算的合理性,研究了每种方法的具体实现过程,针对不同大小的水域面积,得出了相应的测算方法。并详细介绍了利用GPS-RTK测算水域面积的方法。
关键词:水域面积测量全站仪GPS-RTK遥感
中***分类号:P62文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-095-02
一般的,传统的水域面积测量方法分为两种:一是通过实地测量获得水域边界各界址点的坐标及其相对位置关系,然后利用坐标解析法计算得到该水域面积;二是在地形***上采用求积仪法、网格法等方法进行水域面积的量算。但是水域面积具有较强的现势性,即使采用高精度的地形***和求积仪来量算地形***上水域面积也可能得到错误的结果,因此,传统的面积测量方法已难以适用于水域面积测算。
得益于测绘技术和计算机技术的不断发展,水域面积的测算方法得到了长足地改进,出现了多种水域面积测算的新方法。随着测绘仪器逐步朝着自动化、智能化方向发展,全站仪与GPS-RTK的应用,使得水域面积测算更为简单便捷。利用全站仪的面积测量程序能够即时实现较小水域面积的测算。而对于较大的水域面积,可利用RTK快速准确地获取水域边界各界址点的坐标来测算面积。但是当面对大型水域面积测算时,上述两种方法显得工程量较大。基于此,提出了采用遥感分类技术来测算大型水域面积的方法。实验表明,针对不同大小的水域面积测算采用相应的方法是方便可行的。
1全站仪水域面积测量方法
对于小面积水域面积测算,宜采用全站仪。其面积测量原理是利用全站仪采集到的水域边界线上各界址点的坐标,采用公式计算所测水域面积。具体方法为:首先建立局部坐标系,在所测水域旁选择一固定点O作为坐标原点,并在此点架设仪器,其坐标系的x 轴指向水平度盘0°分划线,y轴垂直于x轴。如***1。
***1局部坐标系建立
仪器架设好后,观测各界址点i( 1、2、3…n)的坐标(xi,yi)。通过观测各界址点的水平角βi、竖直角αi以及斜距Si,先根据下式自动计算出各顶点在测站坐标系xoy中的坐标(xi,yi):
然后再利用下式自动计算并显示出被测n边形的面积P:
式中,(xi,yi)为界址点i的坐标,当i=1时,xi-1=xn、yi-1=yn;当i=n时,xi+1=x1、yi+1=y1。显然,曲线***形可以看成是n∞时的多边形,因此也可以利用上式来计算曲线***形所围成的面积,并且曲线上加密的点愈多,就愈接近曲线***形,计算出的面积愈接近实际面积。
2基于GPS-RTK水域面积测量方法
由于全站仪法只能适用于小型水域面积的测量,而对于较大面积的水域来说,用传统方法测***,先要建立控制点,然后进行碎部测量,再绘制成大比例尺地形***。这种方法工作量大,速度慢,花费时间长。介于此,本文分析了将RTK技术应用于大面积水域面积测算的实用性。用RTK测量,只需在沿线每个界址点上停留一两分钟,即可获得每点的坐标。结合输入的点特征编码及属性信息,获得所有界址点的数据,在室内即可用软件计算面积。由于只需要采集各界址点的坐标和输入其属性信息,而且采集速度快,因此大大降低了测算难度,既省时又省力,非常实用。
2.1原理
RTK(Real Time Kinematic)技术是以载波相位观测为基础的实时差分GPS定位技术。在RTK作业模式下,基准站和流动站保持同时跟踪至少4颗以上的卫星,基准站通过数据链将其观测值和已知信息一起传送给流动站,流动站将自己采集的GPS观测数据和通过数据链接收来自基准站的数据在系统内组成差分观测方程并进行实时处理,在运动中求解起始相位模糊度值,同时通过输入相应的坐标转换参数,实时得到测点的三维坐标及精度。
RTK基本配置包括3部分。
(1)基准站: 由双频GPS接收机、GPS天线、数据链发送电台、天线、电源、脚架等部分组成的基准站;
(2)由双频GPS接收机、GPS天线、数据接收电台、操作手簿、对中杆等组成的流动站;
(3)支持实时动态差分的软件系统及水深测量应用硬、软件。基准站、流动站GPS接收机系统中都包含多路径抑制技术和共同跟踪技术。
2.2RTK方法的优点
(1)测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔, 以使接收GPS卫星信号不受干扰。
(2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解算精度为5mm+10-6,而红外仪标称精度为5mm+5×10-6, GPS测量精度与红外仪相当, 但随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明, 在小于50km的基线上其相对定位精度可达12×10-6,而在100km～500km的基线上可达10-6～10-7。
(3)观测时间短。在小于20km的短基线上,快速相对定位一般只需5min观测时间即可。
(4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时。可以精确测定观测站的大地高程。
(5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高, 在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高程和监视仪器的工作状态, 而其他观测工作如卫星的捕获, 跟踪观测等均由仪器自动完成。
(6)全天候作业。GPS观测可在任何地点、任何时间连续地进行, 一般不受天气状况的影响。
2.3RTK在水域面积测量中的作业流程
2.3.1基准站的选定原则
数据传输系统由基准站发射台和流动站接收台组成,稳健可靠的数据链是动态初始化的前提。保持高质量的数据传输,可以减少整周模糊度的计算时间,大大提高工作效率,所以基准站的安置是顺利实施RTK作业的关键之一。基准站安置应满足下列条件:
(1)基准站设在有精确坐标的已知点上。
(2)基准站安置应选择地势较高、无遮挡、电台有良好覆盖域的地方。
2.3.2RTK施测步骤
野外作业时,基准站安置在选定的点,打开接收机,输入点号、天线高、WGS 84已知坐标。设置电台的通道和灵敏度,检查电台发射指示灯是否正常。流动站接收机开机后,首先进行系统设置,输入转换参数,选择与基准站电台相匹配的电台频率,检查电台接收指示灯是否正常,检查接收卫星颗数( ≥4颗)。先检测1～2个已知控制点,评定测量精度。如果精度很好,则开始采集水域边界的各界址点坐标。将流动站沿水域边界线走动,在第一个特征点上停留大概1-2min进行初始化。其余特征点上只需停留2-3s即可。沿水域边界一圈即可采集所有界址点的坐标,将所有界址点坐标导入AutoCAD,即可得出该水域边界线及相应面积。
2.3.3实例应用
因工程需要,现要测算某大型水域面积,采用RTK测量出各界址点坐标,如表1。
表1 界址点坐标
将各界址点坐标导入AutoCAD即可画出该水域轮廓,如***2。并得出水域面积为3.66km2
***2水域轮廓
从该实例中可以看出该方法的可行性与便捷性。
3遥感技术在水域面积测量中的应用
随着遥感技术的广泛应用,利用遥感影像提取水体信息为水域面积测算研究提供了基础数据。受到遥感影像分辩率的限制,此方法对中、小水域面积的计算中的精度产生较大影响。但是对于大范围的水域,采用传统方法往往要耗费巨大的人力、物力,而遥感有全面、快速、数据量大及更新快的特点,因而遥感技术应用在大范围水域面积的测量中有更大的优势。
遥感作为一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性应用技术,具有强大的数据获取能力,在水域面积计算中具有显而易见的优势。遥感观测的大范围、准同步、多时相、高精度特点可快速地获取水域类型及其相关的地面信息,能够有效地克服实地调查中可能遇到的各种限制;其独有的时效性可以使之在短时间内对同一地区进行重复探测,实现水域面积的动态监测。
3.1水体遥感监测原理及方法
卫星遥感***像记录了地物对电磁波的反射及自身的热辐射信息。由于不同地物其结构、组成及物理、化学性质的差异导致了其波谱特征各不相同,在卫星***像上,各种地面物体都有一个能使其得到最佳显示的波段。遥感***像以数字方式记录下来,可直接用计算机来处理,提高了后期处理的效率。
EOS/MODIS遥感数据是进行水域面积动态监测很好的数据源,波谱信息丰富、时间分辨率高、同时具有较高的空间分辨率。已有的研究结果表明,MODIS数据的波段1是红光区(O.62～0.67且m),波段2是近红外区 (O.841～O.876 m)。在波段2波长范围内,植被的反射率明显高于水体的反射率;而在波段1波长范围内,水体的反射率高于植被的反射率。因此,在可见光和近红外波段范围内,水体与植被等其它地物的光谱反射率存在差异,这是利用遥感数据进行水体提取和制***的基本原理。反映在影像上,水体呈现出暗色调,而土壤植被则相对较亮。
对于遥感影像水域面积提取和计算可使用ENVI等遥感影像处理软件,利用这些软件可直接完成***像的增强、提取、更新、计算等,从而求得所需水域的面积。
3.2遥感影像的应用前景
由于卫星遥感***像具有周期性、宏观性和现势性的特点,因此运用遥感技术对湖泊、水库等水体进行洪涝灾害、矿物质含量、水体温度的反演及其变化、水面面积、水体污染、水生植物等调查,有着快速、实时性的优势。此外,SAR还可以在恶劣天气情况下记录各种变化的信息,这更扩大了遥感的应用范围。与传统方法相比,遥感监测可以大大地节省投入的费用,具有很高的经济效益和社会效益,有着广阔的应用前景。
4结束语
随着测绘技术和计算机技术的不断发展,越来越多的新技术被应用于水域面积测算中,本文通过对不同大小水域面积测算采用的不同方法进行探讨,证明了针对不同大小的水域采用不同的测算方法,可大大减小工程量,并提高测算精度。
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