基于北斗技术的地质调查工作管理与服务组网

1. 基于北斗技术的地质调查工作管理与服务组网

一、多级组网架构
基于北斗技术的地质调查工作管理与服务组网是指利用北斗卫星的通信与指挥功能，结合地质调查工作的管理层次与工作模式，建立的一套集信息服务、监控指挥和安全保障功能为一体的，卫星与地面网络双链路冗余的网络组成架构。科学而有效的组网架构是利用北斗为野外地质调查工作服务的先行与保障。
根据地质调查工作的管理结构与层次，组网架构以中国地质调查局为中心，大致可分为4个级别：地调局中心结点，大区中心和地调院等分中心结点，野外驻地结点和移动作业结点。
（1）地调局中心结点
组网架构的顶层，部署于地调局网络中心，具备对其他大区中心和地调院等分中心结点，以及所有北斗移动终端结点的监控与指挥功能，并可提供手机短信转发、区域预警和公告信息服务和紧急事件自动通知等特色信息服务。
（2）大区中心和地调院等分中心结点
隶属于地调局中心结点，部署于大区中心、省级地调院或野外工作站等管理机构，可对其管辖范围内野外项目的驻地结点和北斗移动终端进行指挥监控。
（3）野外驻地结点
部署于野外项目组的驻地，主要用于对下辖野外作业小组的监控与指挥，并进行安全保障：同时受到上级中心结点的监控，负责与上级结点沟通，及时报告工作状态和紧急事件处理情况。
（4）移动作业结点
主要指配备了北斗终端的野外作业人员、车辆或大型设备等。可利用北斗短信功能相互通信，同时也接受野外驻地和上级中心结点的监控与指挥。在紧急情况发生时，可使用系统提供的快捷报警功能进行求救。
四级网络结点均可利用北斗卫星实现互联互通，上级结点具备对下辖结点监控与指挥功能。第一级和第二级结点属于固定指挥结点，一般具备地面网络条件，因此可利用互联网进行数据同步与互通，进而形成卫星与网络双链路冗余的组网架构（图6.10）。

图6-10 基于北斗的地质调查工作组网拓扑架构图

二、组网结点建设与部署
各级结点由于工作方式和管辖范围不同，应配备不同类型的北斗设备和软件系统。地调局结点作为总中心，要监控全部结点，因此部署了下属用户较多的中心式北斗指挥机（最大1000用户）；大区中心的管辖范围较大，也可配置中心式北斗指挥机：省级地调院等中小型管理结点，则可选用下属用户较少但较便宜的普通式北斗指挥机（最大100用户）（图6-11）。上述结点位置固定，并且有稳定的网络环境，因此软件系统可配置GSIGrid野外地质调查管理服务与安全保障系统。野外驻地兼具指挥结点和移动结点的双重身份，既可配置普通式北斗指挥机，也可配置北斗移动终端。由于野外驻地大多无地面网络环境，因此软件系统配置可单机使用的数字地质调查信息综合平台 DG SInfo。移动结点则根据工作方式，配备手持式或车载北斗终端，软件采用数字填图野外数据采集系统RGM ap（图6-12）。
三、动态组网模式的实现
早期的北斗指挥设备与下属终端之间的从属关系一般是静态绑定的，即在出厂时已经固化，不能由用户任意动态调整。这对于地质工作中人员流动性大，从属关系复杂的现状是非常不利的。例如，福建省的地勘队伍承担了青藏高原的项目，其隶属关系应该动态增加到青藏地区的野外工作站或大区中心等管理部门，以便为其提供更直接有效的安全保障与信息服务。
为了实现北斗指挥从属关系的动态绑定，本项目与北斗设备厂商联合攻关，对现有北斗指挥机进行技术改造，实现了从原来基于北斗卡的静态从属关系到目前基于北斗指挥机硬件的动态绑定的技术突破，并开发了简单易用的从属关系设置软件，为建立统一灵活的地质调查北斗组网架构奠定了基础（图6-13）。

图6-11 北斗卫星通信导航系统地质调查设备配置与组网关系图


图6-12 基于北斗的数字地质调查软件系统结点部署关系图


图6-13 动态设置指挥机下属卡操作界面

四、中心结点北斗数据库建设
在地调局中心结点和其他分中心结点建立了北斗监控数据库，用于北斗数据的监控、存储和管理。北斗信息数据库模型如图6-14所示。其中，大区信息表和省份信息表为字典表，定位信息表和通讯信息表是北斗原始信息表，实时定位表和路线信息表则是在定位信息的基础上的提取和组合，主要为了提高W EB 端定位信息实时显示和路线追踪显示的效率。公告信息表和区域信息是服务信息表，主要为用于监控下属的公告查询和区域预警、区域地质和人文信息查询提供服务。
截至2012年12月，地调局中心结点共建立北斗监控人员信息186个，北斗设备信息232个，交流短信16025条，北斗定位记录87923条，北斗监控路线2446条（图6.15）。
五、结点自治信息的自动同步机制
各级结点信息按照数据来源大致可以分为两类：①北斗监控获取的信息：包括定位信息和交互通讯信息。②结点自治的信息：包括设备卡信息、单位信息、人员信息等。根据数据来源的不同，数据在结点之间的传递方式也不同。结点的北斗监控信息是通过设备卡号动态绑定和指挥机的监控功能来实现，低级结点监控到的北斗信息同时会被它的所有上级结点指挥机监控到，北斗卫星作为了数据传输的空中链路；而结点自治的信息则由各结点自行维护。
为了实现上级结点对下级结点的有效管理，下级结点必须实时上报其结点自治信息。如西安中心的北斗人员表有所变动，则地调局中心结点相应的人员信息也需变动。基于这点考虑，项目组依托地质调查信息网格平台，以W eb服务的方式建立了各级结点自治信息自动上报的同步更新机制，保证了高级结点基础信息的时效性。结点的同步机制通过逐级主动获取的方式实现。在系统下级结点的W eb 服务器上部署对外提供数据服务的W eb接口，每个低级结点只对其上一层结点提供服务，而不对更高级别的结点提供服务，因此在服务接口中添加IP地址限制，确保只有指定的上级结点能够获取提供的数据服务，增加数据的安全性。在上级结点的W eb服务器上部署数据自动获取更新程序，通过调用下一级结点的数据服务接口获取下级结点的自治信息，并根据信息的关键字段更新、维护数据库中的相关记录，保证结点不同级别之间的自治信息的同步，如图6-16所示。

图6-14 北斗信息数据库模型图


图6-15 中心结点全部短信内容查询


图6-16 结点自治信息同步示意图

六、组网体系建设情况
基于北斗卫星技术的地质调查组网模式与系统软件自2011年3月起推广应用，首批示范结点重点部署在中国无人区或艰险地区分布较广的西北、东北和西南地区。
截至2012年底，已完成地调局中心结点、西安地质调查中心、成都地质调查中心、沈阳地调中心、青海省地调院、西藏地调院、云南省地调院、四川省地调院、新疆地调院、中国地质大学（武汉）地调院等示范结点建设。建成中心级结点4个，省级分结点7个和项目级结点2个。共计部署中心式北斗指挥机4台，普通式北斗指挥机12台，北斗定位通讯终端200余台，并开展了相关技术培训，培训人员约900人次，取得了良好的应用效果。

2. 基于北斗卫星的地质灾害监测信息实时传输技术

一、内容概述
国家高新技术产业化项目“基于北斗一号卫星系统的地质灾害监测示范工程”的目标是在传统的地质灾害监测系统基础上，利用“北斗一号”卫星系统作为信息传输系统，选择有代表性的典型滑坡、崩塌、地面沉降区和地震带作为示范区，建立我国滑坡、崩塌、地面沉降、地应力实时监测系统，提高对重点地区地质灾害的监测效率和预警能力。

图1 系统总体结构框架示意图

针对我国地质灾害监测的实际情况，开展了北斗通信系统的研究、数据采集仪的研制、信息系统的开发等关键技术的研究（图1）。
1）设计并研发了基于北斗一号卫星的通信系统，包括通信接口的定义与规范以及通信协议的制定，最终实现了自报式传输实时数据、查询式传输历史数据、交互式查询工作参数以及交互式设置工作参数的功能。
2）根据地质灾害监测的实际情况，对北斗用户机的通信控制器、运行环境要求、供电系统以及防雷性能等方面进行了野外适应性改造，使其更加适应野外运行环境，保证数据传输的稳定、安全、准确。
3）自行研制开发了6类数据采集仪，分别为JCHT数据采集仪、BDDZ3000-X数据采集仪、CR1000数据采集仪、GH数据采集仪、SMARTDATA数据采集仪、JL-1数据采集仪，用于各监测示范区地质灾害监测数据的采集以及与北斗传输系统的联通。采集仪研发中同时兼顾了北斗通信与ZIGBEE、GPRS和GSM等无线通信的联合运用，以适应灾害监测数据在正常状态和应急状态的数据传输需要。
4）开发了基于北斗一号卫星系统的信息系统，包括总中心软件和各示范区分中心软件，总中心软件可监控各野外监测站运行状态，还实现了地质灾害监测站管理查询、监测设备管理查询、地质灾害监测数据存储和分析处理等功能；分中心软件除实现了监测数据的查询、存储和分析功能外，还可以根据数据传输情况自动补发数据、设置监测站参数和前端监测状态的控制等，实现对野外监测站点的远程监控。
在以上关键技术研发的基础上，建成了东部地面沉降监测、典型区域滑坡监测、三峡库区滑坡崩塌监测和地震活动带地应力监测四大类，包括上海、三峡库区、四川雅安、汶川地震区等13个地质灾害监测示范区，安装了82套基于北斗一号卫星系统的野外监测设备。整个地质灾害监测系统按照监测站、地区级和国家级的三级管理模式运行，该自动化地质灾害监测示范系统是目前国内覆盖范围最广、涉及地质灾害类型最全、监测传感器种类最多的自动化监测系统。四大类13个监测示范区的建设对地质灾害监测起到了很好的示范作用，为进一步的国家级地质灾害监测网络建设奠定了坚实的基础。
二、应用范围及应用实例
本项目的研发成果在上海、三峡库区、四川雅安、汶川地震区等13个地质灾害监测示范区进行了应用（图2），安装了82台套地质灾害监测、传输设备，实现了各示范区地质灾害监测数据的实时采集、传输和分析、处理，起到了很好的示范作用。

图2 建成的树坪滑坡监测站

本项目成果在地质灾害防治和应急救灾领域有较广的应用前景：以北斗一号卫星系统作为地质灾害监测数据的传输方式，开辟了一条新的数据传输途径，是对传统传输方式很好的补充。它证明北斗卫星通信是地质灾害监测数据传输手段中一种行之有效的方法，特别是在山区、边远地区，北斗卫星通信是有效的自动化传输手段；在某些应急情况下，北斗卫星通信可能是唯一的传输手段。本项目的成功建设为在全国地质灾害监测中推广运用北斗一号卫星系统奠定了工程和技术基础，并对建设基于实时监测技术的我国地质灾害自动化监测网络和应急救灾起到了示范和引导作用，可以更好地为政府提供地质灾害防治决策的技术支撑。
三、推广转化方式
本项目是北斗一号卫星系统在地质灾害领域的首次应用，得到了专家和同行的普通认可，获得了2009年度中国十大地质科技新进展称号和2012年度国土资源科学技术二等奖。近年来，四川雅安地质灾害监测预警示范区多次接待国内外专家、学者和同行进行学习、交流，起到了较好的推广、示范效果。
技术依托单位：中国地质环境监测院
联系人：周平根
通讯地址：北京市海淀区大慧寺20号
邮政编码：100081
联系电话：010-62179926
电子邮件：zhoupg@mail.cigem.gov.cn

3. 2013年，将建成基于北斗卫星导航系统的地质灾害检测预...

【答案】B
【答案解析】试题分析：
北斗卫星导航系统具有导航、定位功能，能及时发现地面变动，并传输位置信息，B对。没有分析处理信息功能，不能实时发布灾情信息，A错。导航卫星不能分析灾害的成因，提出相应解决措施，C错。导航卫星不能模拟灾害发生的过程，D错。
考点：地理信息技术的应用。

4. 高分辨率卫星影像GPS像控点数据库建设研究

潘振祥
（河南省国土资源厅信息中心 郑州 450016）
摘 要：通过对 SPOT 5_2.5 m 高分辨率卫星影像数据校正采用的各类控制资料的分析，阐述了 GPS 像控点数据库建设的必要性，通过对像控点的选取、外业施测、精度评价及 GPS 像控点数据库建设等论述，提出了选用 GPS 控制点作为 SPOT5_2.5 m 高分辨率卫星影像数据校正控制资料，可保证影像校正精度、节省时间和减少投资。
关键词：卫星遥感 控制点 影像校正 数据库
0 引 言
随着信息技术的快速发展，卫星遥感技术得到了突破性进展，特别是 2002 年 5 月 4 日法国SPOT 5 号地球遥感卫星进入预定轨道，极大地促进了各应用行业的科技进步和管理水平。高分辨率卫星遥感在国土资源调查评价、土地利用动态监测、土地更新调查以及大中比例尺地形图测绘等方面已取得显著成绩。
针对 SPOT 5_2.5 m 高分辨率卫星影像数据，其几何校正主要采用二维多项式和三维数字微分纠正两种模型，采用的校正控制资料主要有 1∶1 万或更大比例尺数字栅格地形图（DRG）、土地利用数字栅格图（LUDRG）等。笔者通过相关研究，认为高分辨率卫星影像数据的校正控制资料选用像控点更合适。针对这一思路，项目组进行了一系列探讨和研究，并基于 MapGIS 平台建立了河南省部分地区 GPS 像控点数据库，为今后相关工作的开展奠定了基础。
1 现 状
目前，各种分辨率卫星影像校正基本上都是参照“满足”相关精度要求的地形图、数字栅格地形图或土地利用数字栅格图等，针对 SPOT 5_2.5 m 数字正射影像图的制作，国土资源部地籍司专门制定了《SPOT 5_2.5 m 数字正射影像图制作技术规定》，明确规定 SPOT 5_2.5 m 数字正射影像图要“以 1∶1 万（或更大比例尺）数字栅格地形图、土地利用数字栅格图或高精度外业控制点为控制资料”，笔者通过近年相关工作，认为目前采用的校正控制资料，尤其在河南省存在以下问题。
1.1 河南全省现有 1∶1 万地形图尚未全覆盖，地形图精度存在差异，现势性差
覆盖河南省的 1∶1 万地形图共计 6565 幅，而目前成图仅 5600 余幅，尚有约 15% 未成图。已有地形图大部分是 20 世纪 60～80 年代分别由测绘部门、地矿测绘单位和煤田地质测绘单位施测，成图精度存在差异，且由于纸图变形，经部分抽查，个别地形图公里格网连线与图上公里网十字点的实际偏差达 1～3 mm，极个别超过 3 mm，如果拿这些地形图作为控制资料对 SPOT5_2.5 m 高分辨率卫星影像进行校正，其校正精度难以满足规范要求；其次，已有地形图距今已三四十年，局部地表要素早已面目全非，寻找同名地物点较困难，即使是更新过的地形图，也仅仅对主要地物如主要道路、建制镇以上居民地等进行更新，其他大部分地物、等高线等均沿用原图。
1.2 土地利用现状图（数据库）难以满足精度要求
河南省土地利用现状调查于 20 世纪 80 年代末起步，90 年代中期结束，调查方法基本上采用 1∶1 万航空影像平面图或 1∶3.5 万彩红外航片放大片及 1∶1 万地形图进行外业调绘，然后进行室内转绘及面积量算、平差等，所有过程均人工操作，受各种因素干扰，成图质量差别较大，如果用土地利用现状图（数据库）作为控制资料校正 SPOT 5_2.5 m 高分辨率卫星影像数据，其校正精度难以满足规范要求。
2 像控点选取
本次试验研究涉及河南省平顶山、许昌、漯河三市的八景 SPOT 5 卫星影像和覆盖试验区的1∶5 万比例尺的 DEM，共选取影像校正控制点 152 个。
像控点选取原则是点位分布相对均匀，特征明显，交通便利，数量足够，尽可能在全色光谱上选取，尽量避开高压线、大面积水域等。
为提高外业测量效率及精度，选取像控点后，将选取的像控点制作成便于携带和保存的“像控点外业测量成果表”，分别记录像控点编号、点位及放大的示意图、WGS84、1954 北京、1980年西安三套坐标和点位说明等，作为建立 GPS 像控点图形图像数据库的基础数据。
3 像控点外业施测
像控点外业测量采用附合路线法，各像控点平均间距约 13 km，顺序号前加“P”的点位表示本次测量的像控点，前面加“C”的为 C 级 GPS 控制网点，像控点与 C 级点共同组成 GPS 控制网（图 1）。

图1 像控点及所参照的 C 级 GPS 控制点分布示意图

本次 GPS 控制测量利用河南省大地控制数据 C 级 GPS 控制网点成果的三套数据（分别为WGS 84、1954 北京和 1980 年西安坐标）作为起算数据，依据《全球定位系统（GPS）测量规范》，采用静态方式同步进行观测，三台套 GPS 接收机为一组，观测时段长度为 45 分钟，卫星高度角≥ 15°，有效观测卫星总数≥ 4 个，作业员现场填写外业测量记录表，并采用数码摄影和点之记的方式详细描述像控点点位情况。测量数据采用南方测绘软件进行基线解算及平差处理并进行高程拟合，分别解算出校正控制点基于三套坐标系统的三套数据和拟合高程，本次 152 个像控点的平面位置最弱点点位中误差为 6.8 cm，高程拟合内符合精度 0.321 m，成果精度符合规范要求。
4 影像数据处理和 DOM 制作
影像数据处理主要包括影像的配准、融合、正射纠正、镶嵌和 1∶1 万正射影像图（DOM）的制作等。由于本次采用 SPOT 5_2.5 m 卫星影像是单景多光谱数据与全色数据同步接收的，其图形的几何相关性较好，多光谱数据与全色配准难度小、精度高，因此采用相对配准的方法。在影像数据融合时，考虑到获取完整项目区的数据接收时段不同，空中云雾干扰以及地面光线不均匀等因素，造成景与景之间存在差别，在数据融合前对数据进行了线性拉伸、纹理增强等预处理，使整景图像亮度适中、纹理清晰、细节突出，以提高目视解译精度。图像融合处理主要采用了最基本的乘积组合算法直接对两种空间分辨率的遥感数据进行融合，融合后图像则采用直方图调整、USM 锐化、彩色平衡、色度饱和度调整和反差增强手段，以使整景图像色彩真实均匀、明暗程度适中、清晰，增强专题信息，特别是加强纹理信息。
遥感影像正射纠正是采用专业遥感影像处理软件 ERDAS 中的 LPS 正射模块进行的。本次纠正采用 SPOT 5 物理模型，控制点均匀分布于整景影像，每景 25 个控制点，对相邻景影像重叠区有 2 个以上公共控制点。正射纠正以实测 GPS 控制点和 1∶5 万 DEM 为纠正基础 , 以景为单位，对 SPOT 5_2.5 m 融合数据进行纠正，采样间隔为 2.5 m。
影像镶嵌采用的是 ERDAS 中的 LPS 正射模块批量处理模块，相邻两幅影像，均采集了两个以上的公共控制点，保证了影像镶嵌精度。
DOM 制作采用 Image Info 工具，按照国家 1∶1 万分幅标准进行裁切，覆盖完整的县级行政辖区，图幅整饰依据《高分辨率影像数据处理及数据库建设技术要求》，采用 MapGIS 软件，投影参数按照高斯－克吕格投影、1954 北京坐标系、1985 年国家高程基准的方式生成 1∶1 万标准分幅图幅整饰。
5 DOM 精度评定
DOM 精度评定采用外业实测检查点作为评定参考，评定方法为检查点选取法：通过选取DOM 影像与外业实地测量检查点的同名特征地物点，计算其校差和中误差。
5.1 检查点的选取和外业测量
检查点选取：随机抽取一景影像作为评定单元，选取不同于校正控制点的 30 个相对均匀分布的检查点，点位的选取原则与像控点一致，选点时尽量避开高压线、大面积水域等影响因素区域。
检查点测量：检查点的外业实地测量与像控点的测量方法一致，即采用附合路线法形成一个整体的 GPS 控制网，采用静态方式同步、同精度进行测量。
5.2 校正精度计算
精度评定公式如下：

河南省遥感影像规模化高效率处理技术及数据建库综合研究

式中：rms——点位中误差；
n——检查点个数；
ui——DOM影像上检查点的x、y坐标；
vi——GPS外业检查点的x、y坐标。
按照《SPOT5_2.5m数字正射影像图制作技术规定》1∶1万DOM的制作精度指标：平原、丘陵区点位中误差不大于±5m；山区不大于±7.5m；高山区不大于±10m。本次精度评定所选地区主要为平原区，局部为丘陵区，经测算，所取点位中误差为±2.62m，完全满足1∶1万DOM制作精度要求。校正精度评定计算表见表1。
表1 校正精度评定计算表


续表


6 GPS 像控点数据库的建立
为实现精确地理编码中的几何控制及成果检查的高效率与高精度，建立GPS像控点数据库，以满足影像纠正与配准的要求。
GPS像控点数据库建立，以河南省1∶50万地理底图作为工作底图，输入控制点空间坐标文件，并采集属性与图形文件，建立数学基准的统一像控点文件。
采集的像控点图像信息，除包括一般像控点所具有的地理坐标信息之外，还包含与待纠正影像相关的特征地物的纹理信息、分辨率信息、比例尺信息等。
采集控制点属性信息。采集控制点属性记录每个控制点的分辨率、比例尺、范围、椭球体信息、投影信息、坐标系信息（北京1954年坐标、西安1980年坐标、WGS84坐标）、数据库的生产单位、生产日期等。

图2 像控点图形图像数据库示意图

7 结束语
土地更新调查、土地利用遥感动态监测及土地违法案件执法检查等不仅要考虑遥感影像的校正精度，同时要考虑其现势性、影像处理时间和投入成本等。GPS 像控点数据库的建立，不仅满足 SPOT 5_2.5 m 卫星影像的校正精度要求，同时为今后同地区、同类工作的开展奠定了基础，极大地降低了投入成本，节省了影像处理时间，起到了“一劳永逸”的作用。
参 考 文 献
党安荣，等.2003.ERDAS IMAGING 遥感图像处理方法［M］.北京：清华大学出版社
王之卓.1990.摄影测量原理［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社
尤淑撑，刘顺喜.2002.GPS 在土地变更调查中的应用研究［J］.测绘通报（5）：1～3
张继贤，等.2000.图形图像控制点库及应用［J］.测绘通报（1）
（原载《国土资源信息化》2007 年第 3 期）

5. ●基于国产卫星数据的土地利用宏观监测应用示范工程

该项目是国家高技术产业化应用专项项目,旨在进一步深化国产资源卫星业务化应用研究,使自主卫星在土地管理领域中得到更为广泛和深度的应用;进一步健全我国土地利用动态遥感监测体系,使宏观监测与微观监测形成互补关系,为宏观决策和土地管理提供更现势、准确、全面的基础数据。
项目完成了土地利用宏观监测并行处理和协同作业原型系统、宏观监测数据管理系统的开发,形成了《基于国产卫星数据宏观监测技术标准》(初稿),完成了基于国产卫星数据宏观监测应用示范工作。
项目通过实施,建立了国家、省两级土地利用宏观监测应用示范系统,并在浙江省、甘肃省、黑龙江省、湖南省、重庆市等5个省(市)实现示范应用,为宏观监测产业化应用奠定了基础。