一种高精度数字高程模型生成的新方法

2014-01-10李瑞宗李柏延

导航定位学报 2014年3期

李瑞宗，杨诚，李柏延

（1.海南地质综合勘察设计院，海口 570206；2.陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062）

1 引言

随着实时动态差分法（real－time kinematic，RTK）技术的发展和成熟，测量的精度越来越高，跟踪能力也越来越强，可靠性也越来越好，已经作为当前最主流的卫星导航技术在测量中的应用产品，也逐渐朝向智能化迈进［1］。我国于2003－06－01正式开通启用北斗系统运营服务平台，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，并在卫星导航、工程勘察、国土规划基础测绘、交通运输、公共安全、基础设施建设等诸多领域得到广泛应用［2］，所以卫星导航技术的应用也呈现出广阔的发展前景。数字高程模型（digital elevation model，DEM）是国家基础地理信息数据库的核心内容，是地理信息系统（geographic information system，GIS）数字地形分析的数据基础，包含着丰富的地形、地貌及相关的地学信息与知识，在地形测量和遥感影像的判读的研究过程中，要求提供高精度的、具有大比例尺的数字高程模型，只有这样，才能更好地模拟地形地貌的基本形态。本文将RTK的优点运用到地形测量的研究当中，依据现代地理信息技术，尤其是GIS软件强大的空间分析功能，找到了较好的数据处理手段，能高精度地模拟地表形态，为研究地貌形态动态变化提供有力保证，而目前传统制作高精度DEM，一般是采用数字摄影测量方法，借助于立体相对模型对DEM进行可视化编辑、修改。

2 研究区概况

小海位于海南省万宁市境内，东临南海，多年来平均降雨量为2 125mm，特别是2010年10月小海流域发生大洪水，水下地形发生较大变化，为此对小海流域地形测量任务，研究范围扩大至汇入小海的上游地区，主要包括溪狗河、龙首河、白石河、东山河、北坡溪（原太阳河旧河道）等河道，面积为602km2。对小海口门外南北各2km，向东2km范围内的海域进行水下地形测量，范围（ABCDA范围内海域）及坐标见下图1所示（图中坐标为海南坐标系）。

图1 小海测量范围

3 相关理论及研究方法

3.1 GPS－RTK测量原理

RTK测量系统一般由3部分组成：全球定位系统（global positioning system，GPS）信号接收部分设备（GPS接收机及天线）、实时数据传输部分（数据链，俗称电台）和实时数据处理部分（GPS控制器及其随机实时数据处理软件）［3］。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站；流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到1s。应用RTK技术进行实时定位时，要求基站接收机实时地把观测数据及已知数据（如基站坐标）实时传输给移动站接收机［4］。测距有两种方法，一种是双程测距用于电磁波测距仪，一种是单程测距用于GPS，测距码测距的观测方程为［5］

设

由式（1）及式（2）得出

因此有

式（4）中，ρ为站星真实距离，为站星伪距，tR为信号到达接收机的时刻，tS为信号离开卫星的时刻，为卫星钟的改正数，为接收机钟改正数，Vion为电离层折射延迟改正，Vtrop为对流层折射延迟改正，c为光速。

3.2 不规则三角网的构建原理

在已知三角形两个顶点的条件下，利用余弦定理计算各备选第三顶点构成的三角形内角大小，选择能使内角最大的备选点为该三角形的第三顶点，将原始数据分块，以减少检索点数确定第一个三角形，从离散点中任取一点A（一般取数据文件中的第一个点），在其周围找出离A点最近的点B作为三角形的第二个点，然后对边AB附近的点Ci，按式（5）计算。

若∠C＝max｛∠Ci｝，则C为该三角形的第三个顶点。

3.3 空间插值

假设有n个点，平面坐标为（xi，yi），垂直高度为zi，i＝1，2，…，n，反距离权插值函公式为

4 数据处理

此次测量利用中海达V8（GPS－RTK）仪器1台，GPS－RTK测量是在 WGS84坐标系中进行的，能得到较高精度的坐标。此次测量过程中，GPS－RTK设置为每米计点的方式，横纵方向测量的方法，尤其对地形起伏变化较明显的地方，采取重复测量。此次测量当中，通过已知点的坐标对RTK的测量数据尤其是高程进行了校正。对控制点和其他可选择位置的待测点，流动站应与基准站一样，选择合适的位置，避免卫星信号和数据链通讯的影响及多路径效应的产生。同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离增大而加大［4］。因此，在进行RTK测量时，除采取有效措施削弱测量误差外，还要对作业半径加以限制。

GPS－RTK野外数据采集并传输到计算机，在南方CASS软件中做相应的变换处理即可，数据格式为＊.dat格式记事本文件，由于GPS－RTK野外采集时已经解算出点的坐标，用南方CASS软件处理时只需导入此＊.dat格式文件，再选择需要导出的格式就可以了，不需要进行基线解算和网平差，本文主要在ESRI公司开发的ArcGIS10.1中进行处理，所以将相应的点、线、面导出为shape格式［6－13］。

5 生成DEM高精度成果

把GPS－RTK野外采集的数据利用南方CASS 7.1进行展高程点操作，经过相关操作，生成等高线，再通过转换格式，进一步生成DEM。由于DEM在比较精度时，单纯比较分辨率很难比较，所以需要通过逆变换，将ArcGIS10.1生成的DEM进行处理，生成等高线，然后与南方CASS7.1生成的等高线比较，得出误差项，如图2及图3所示。

通过充分利用GPS－RTK的精度高且均匀分布、操作简单，所需人力物力少，尤其精度达到厘米级别，所以在ArcGIS10.1软件中利用GPSRTK所测的数据为数据源，由于在操作过程中，避免使用了相关格式转化，所以不存在格式差异带来的误差，极大提高的DEM生成的整体精度。

图2 等深线精度比较

图3 DEM与遥感影像的叠加三维显示

6 结论

在此次万宁市小海测量过程中，在DEM生成过程中并未进行格式、坐标之间的转换，因此，基本不存在由于格式转换所引起的误差，通过本次测量，并用相关实例数据进行了试验与分析，得出结论：充分利用GPS－RTK技术优势与地理信息系统软件（如ArcGIS10.1软件）相结合，其精度大大得到了提高，同时简单、有效，为DEM的生成提供了新的方法。

［1］鲍志雄，李前斌，黄俊铭.实时动态载波测量系统智能技术研究与发展现状［J］.导航定位学报，2014，2（1）：51－54.

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［12］丁军，刘艳芳.基于遥感影像处理系统的数字影像地图［J］.影像材料，2001（1）：31－33.