河道工程测量中“3S”技术的应用研究

3 S技术是遥感 (R S) 、地理信息系统 (GIS) 及全球定位系统 (GPS) 的统称。是空间技术、传感器技术、卫星定位、导航技术和计算机技术、通讯技术相结合, 多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。是目前对地观测系统中空间信息获取、管理、分析和应用的三大支撑技术。能够对空间实体快速地进行精确定位, 同时宏观地获取信息, 对所得到的特定位置空间信息进行综合分析。RS和GPS向G I S提供或更新区域信息及空间定位, 然后G I S进行相应的空间分析, 以从R S和G P S提供的浩如烟海的数据中提取有用信息。

1 3S技术内容特点

遥感 (R S) 技术是一种卫星遥感技术, 不直接接触目标或现象就能收集信息, 并据此进行识别与分类。地理信息系统 (G I S) 技术是以空间数据为研究对象, 在各种地理图形的基础上, 以计算机为工具对空间数据进行录入、编辑、判读存储、查询、显示和综合分析应用的技术系统。通过人的参与进行一系列的空间操作与分析, 为多种学科及工程应用提供有用的信息及决策服务。与RS的结合是GIS的发展趋势, GIS是遥感图像处理技术的体现, 而遥感图像则是G I S的数据源。全球定位系统 (GPS) 技术是一种全新的现代定位方法, 具有多功能、高效率、高精度的特点, 可在全球任意地点, 为任意多个用户同时提供几乎是瞬时的三维测速、三维定位服务, 极大地改变了传统的定位技术和导航技术, 并已逐渐在越来越多的领域中取代了常规光学和电子仪器。

2 3S技术在河道测量中的应用

利用3 S技术可以很方便地获取河道水文信息。河道水文信息主要包括河道地形 (平面位置和水深) 及其重要地物。常用的河道信息获取方式有:通过航测的立体图像提取;通过对已有图形 (地形图) 进行数字化来获取;通过现场实地测量获取;R S与G P S相结合获取河道水文信息。

2.1 RS技术的应用

遥感是水资源监测的重要手段之一, 是进行水土流失和河口、河道、湖泊和水库泥沙淤积调查的重要方法。遥感技术的优势之一是能够监测动态变化。几十年前的遥感影像可以真实、具体、形象地反映当时的情况。因此在河道、河口等的动态监测中遥感是首选工具。河道与河口的泥沙淤积及引起的相应河势变化对防洪、航运等都至关重要。遥感在悬移质泥沙分布和河势监测中的应用也有技术优势。我国利用卫星遥感信息监测河道变化、预测河道发展趋势并应用到水利规划、航道开发及防灾减灾等方面, 尤其是近年来开展了大量的河口、河道泥沙淤积遥感调查工作。

(1) 利用遥感图像获取所需河道水文信息。

以遥感手段获得的河道信息通过信息提取产生需要的专题图像, 通过计算机的图像校正、图像增强、图像分类、图像变换及图像数据结构的转换, 将遥感信息作为信息源提供给G I S。

(2) 遥感动态监测。

遥感动态监测就是对同一区域运用不同时相的遥感图像, 以获得区域变化的遥感影像。动态变化监测已成为遥感应用的一个主要方面, 多时相、多种类型的传感器对同一地区进行定期或不定期的资源与环境调查, 能及时、准确、宏观地反映客观情况。

(3) 水深遥感冲淤变化分析。

水深遥感是利用可见光在水体内的穿透能力, 通过飞机、卫星等遥感平台, 利用辐射计、摄影机等遥感设备, 将水下一定深度范围内的立体单元信息按照一定的规则采集下来, 再通过信息处理软件分离出可见光空透的水体厚度信息, 即可获得水深。利用入水辐射强度与水深、水体浑浊度之间的关系, 通过测定、处理辐射强度来量测水深。

2.2 GIS技术

就G I S本身来说, 一般均具备3种基本功能。

(1) 制图功能。G I S的核心是一个地理数据库。建立G I S首先是将地面上的实体图形数据和描述它的属性数据输入到数据库中并编制用户所需要的各种图件。从测绘角度看, G I S是一个功能极强的数字化制图系统。

(2) 空间数据库管理功能。地理对象通过数据采集与编辑后, 形成庞大的地理数据集, 对此需要利用数据库管理系统来进行管理。

(3) 空间分析功能。通过空间查询与空间分析得出决策结论。分析功能是G I S的出发点和归宿, 在G I S中属于专业性、高层次的功能。与制图和数据库组织不同, 空间分析很少能够规范化, 是一个复杂的处理过程。

G I S发展的最新动向是把遥感图像处理作为G I S系统的一个组成部分, 从而增强空间信息的更新能力。面向对象编程技术, 使多种类型的数据聚集于一个系统, 实施数据的混合管理和操作。G I S是水文资料管理的重要工具。在G I S中还有计算距离、曲率、表面积、周长等工具, 即用即得, 利用D E M模型可以很方便得到某点的高程。河道演变分析主要是冲淤分析。GIS利用D E M模型数据能立即计算出两冲淤监测断面间的冲淤量, 不仅便捷且精度大为提高。另外G I S具有的一些统计分析、绘图功能也十分有益。如河道某断面图的绘制、某地冲淤过程的累积图等, 可直接从图上提取数据并自动绘制成图。所有这些G I S功能对于分析河道演变的成因、了解河道演变规律都有着十分积极的意义。G I S技术用于水下地形的冲淤变化分析比传统分析方法更加科学合理、精确度高。G I S的一些功能也可用于河道演变分析。例如基本资料分析、河流走向及平均坡降等。并可以将不同时期的水下地形图数字化, 并分别建立各自的数字高程模型。模型包括与水域地形图有关的比例尺、投影、图例等。也可以详细计算水域内任何小区域、任何高度的各要素量值, 如等深线、地形剖面、平均高程、坡度等。将先后两个时段的数字高程模型叠合计算成果, 计算出冲淤深度与面积、冲淤量。

2.3 RTK技术

R T K实时三维精度可以达到厘米级, 大大减轻了测量作业的劳动强度并提高了作业效率。为水下地形测量和G I S前端数据采集提供了有利保障。

(1) 水下地形测量。

常规的水下地形测量主要采用横断面方式进行, 按具体的要求在河道上布设若干断面, 然后进行平面定位和水深测量, 在此基础上编绘水下地形图。在现场实测时可充分利用R T K技术及测深仪组成的测量系统提取河道信息。

(2) 布设GPS控制网。

布设G P S网的目的在于提供实时差分参考站和进行高程拟合的必要数据。在河道两岸布设首级网时采用G P S静态定位方式。对首级网进行加密时可采用R T K技术, 因为采取一定的测量措施可以使它完全能达到控制网布设的规范要求。用R T K进行G P S网的控制测量与静态定位测量, 减少了工作环节, 大大提高了作业效率, 省去了繁琐的数据后处理工作。R T K技术可以涵盖河道测量 (包括平、纵、横) 、工程放样、G I S前端数据采集等诸多方面。若辅助相应的软件, R T K可与全站仪联合作业, 充分发挥R T K与全站仪各自的优势。

摘要：本文基于笔者多年从事航道工程测量的工作经验, 熟悉GPS技术用于航道工程测量, 文章第三部分论述了相关内容, 除此以外, 笔者通过阅读大量相关文献, 对另外“2S”在河道水文测量中的应用进行了探讨, 全文是笔者长期工作经验和工作后不断钻研的成果, 既包含了笔者对GPSRTK等技术在航道工程测量中的技术总结, 也包含了笔者对相关领域的探索, 相信对从事相关研究工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：GPS,RTK,工程测量,河道水文测量