張金山 鄺良寒

（1.安徽省水利水電勘測設計研究部總院有限公司 合肥 230022 2.湖南省水利水電勘測設計規(guī)劃研究總院有限公司 長沙 410007）

1 引言

LIDAR，一般稱為激光雷達，是利用發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來實現(xiàn)對被測目標的距離測量。LIDAR 每秒鐘能產(chǎn)生十萬、百萬甚至千萬數(shù)量級別的點，稱之為點云。LIDAR 應用于很多領域，在水利工程和勘測上的應用越來越多。

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復雜組合系統(tǒng)，是現(xiàn)代信號處理技術、高性能計算機技術、高分辨顯示技術、高精度導航定位技術、數(shù)字化傳感器技術及其他相關高新技術等多種技術的高度集成。多波束測深系統(tǒng)能夠有效探測水下地形，得到高精度的三維地形圖。隨著科技的不斷發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)正在向集成化、小型化快、一體化迅速發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)處理

在水利水電工程建設管理中，行（蓄）洪區(qū)、水庫的庫容計算是水利工程規(guī)劃設計的一項經(jīng)常涉及的計算內容。近年來隨著計算機技術在工程設計中的廣泛運用，在GIS 軟件平臺上，通過構建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)字高程模型，并利用其強大的統(tǒng)計分析和二次開發(fā)功能，可實現(xiàn)庫容計算的自動化，極大地提高計算精度和計算速度。

2.1 點云數(shù)據(jù)獲取

陸地點云數(shù)據(jù)主要采用機載激光雷達和航測相機獲取，可同時獲取點云數(shù)據(jù)和航片。根據(jù)測圖比例尺按規(guī)范選擇影像地面分辨率（GSD），然后結合航攝相機的分辨率（像元大小）和焦距計算確定航攝比例尺和平均相對航高，根據(jù)測圖比例尺及航高選擇激光掃描點密度。

水下地形點云數(shù)據(jù)一般采用多波束測深儀獲取。多波束后處理主要采用Hypack 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，主要流程包括數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)加載、安裝偏差校準、測線數(shù)據(jù)編輯、成果輸出等。

2.2 數(shù)據(jù)處理與建模

采集的LIDAR 原始數(shù)據(jù)經(jīng)過軌跡解算、航帶拼接、坐標轉換和點云分類等后續(xù)處理，導出國家2000 坐標系的LAS 點云。因為LIDAR 點云中存在有水上的無效點，會影響建模精度，因此在與水下點云數(shù)據(jù)拼接之前，需要根據(jù)水邊矢量數(shù)據(jù)去除水上的無效LIDAR 點?？捎肎lobalMapper 等GIS 軟件，通過位置選擇水邊矢量范圍內的LIDAR 點刪除，并導出LAS 格式，見圖1。

圖1 水上水下點云圖

然后將水上水下的點云數(shù)據(jù)結合以構建TIN 模型。在ArcGIS 軟件中，首先用系統(tǒng)工具箱→數(shù)據(jù)管理工具→LAS 數(shù)據(jù)集→創(chuàng)建LAS 數(shù)據(jù)集的工具，創(chuàng)建LIDAR 點云數(shù)據(jù)的LAS 數(shù)據(jù)集。接下來用系統(tǒng)工具箱→3D 分析工具→轉換→LAS 數(shù)據(jù)集轉TIN工具，創(chuàng)建LIDAR 點云的TIN 模型。因為LIDAR點云數(shù)據(jù)量很大，所以在轉TIN 時需要減少TIN 模型的節(jié)點輸出總數(shù)，方法是自定義細化類型、細化方法和最大輸出節(jié)點數(shù)等參數(shù)，建議細化類型選擇RANDOM，細化方法選擇PERCENT。最后用系統(tǒng)工具箱→3D 分析工具→數(shù)據(jù)管理→TIN →編輯TIN工具，將水下多波束點云數(shù)據(jù)和無人船測深數(shù)據(jù)轉為Shape 格式后作為散點加入，并以最大高程值作為剪切線，生成最終的TIN 模型，見圖2。

圖2 TIN 模型圖

2.3 庫容計算

通過ArcGIS 軟件工具箱→系統(tǒng)工具箱→3D 分析工具→功能性表面→表面體積工具，可以計算某一水面高程值的2D 面積、3D 面積和庫容（體積），但是每次只能計算一個高程值，對于大量的庫容計算需要繁瑣的手工工作。因此通過Python 腳本編程調用ArcGIS，只需要輸入TIN 文件、起始高程值、結束高程值、高程計算步距和輸出文件名，就可以根據(jù)TIN 模型批量計算每一高程值對應的面積和庫容，并導出為Excel 的CSV 文件，進一步生成面積和庫容曲線，平均幾秒鐘就可以計算一個水面高程的庫容。

3 工程實例

某水庫是一座以防洪為主，結合發(fā)電、灌溉等綜合利用的大（Ⅱ）型水利水電樞紐工程，壩址控制流域面積1000 余平方公里。為了解該水庫水位同庫容、庫水面積的變化關系，對該水庫庫區(qū)范圍采集了多種數(shù)據(jù)。

地面點云采用固定翼無人機搭載RigelTS600激光掃描儀和1 億像素的飛思iXM100MP 中畫幅CMOS 相機，同時獲取航片和點云數(shù)據(jù)。航片地面分辨率5cm，旁向重疊80%，航向重疊60%。水下點云采用我國海卓鳳鳴路創(chuàng)的MS400 型號多波束測深儀。測深系統(tǒng)安裝完畢之后，現(xiàn)場采用顯控軟件和導航采集軟件進行顯控聲納控制和數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過程用兩種模式進行，深水區(qū)域采用垂直模式測量，淺水區(qū)采用20°角的傾斜模式測量。數(shù)據(jù)采集過程中，測量員需緊盯屏幕，根據(jù)水深變化情況告訴舵手調整行船方向，避免或減少漏洞的產(chǎn)生。對于船只不好進入的支流和淺水區(qū)域，采用無人測量船進行補充測量。

在ArcGIS 平臺上利用GIS 技術所具有強大的統(tǒng)計分析、空間分析、三維分析、網(wǎng)絡分析和二次開發(fā)等功能，利用LIDAR 點云和測深點云相結合，基于TIN 法計算了該水庫水位自77.5～146.0m 區(qū)間庫容和庫水面積，高程計算間隔1cm，取得了良好的計算效果。為和等高線矢量數(shù)據(jù)計算的庫容相比較，同時也根據(jù)1m 等高線數(shù)據(jù)生成TIN 并計算庫容。

本項目中點云模型共有節(jié)點4071639 個，邊23900157 條，三角形7966719 個。在ArcGIS10.2.2平臺通過Python 程序批量計算水庫庫容，間隔1cm高程計算一個庫容和面積，計算了6843 個面積和庫容，比用GIS 軟件計算單個水面高程值相比顯著提高了計算效率。庫容比較曲線見圖3。

圖3 庫容比較曲線圖

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)點云庫容比等高線庫容稍大，隨著高程的增加其差值百分比迅速縮小，庫容越大，差值比例越小，95m 高程值以上差值百分比只有0.2%～0.9%，在水庫死水位117m 以上時，庫容差值小于百分之0.8。分析其原因，雖然等高線也是根據(jù)點云生成整理的，但利用等高線矢量數(shù)據(jù)建模損失了小于等高距的微地形，而點云數(shù)據(jù)保留了微地形，而且從比較曲線圖上可以看出，在81m 高程和82m 高程之間，兩種方法所計算的庫容差值突然有一個較大的突變，從地形上和點云建立的三維模型上可以看出，81m 高程和82m 高程之間是相對最平緩的，在相當大的區(qū)域內有小于等高距的微地形是等高線表示不出來的，所以采用等高線數(shù)據(jù)計算的庫容還是比點云計算的庫容有較大的誤差，而高程大于死水位時，地形相對比較陡峭，高程與庫容的線性關系明顯，兩種方法計算的庫容相差不大?？偟膩碚f，利用等高線矢量數(shù)據(jù)計算的庫容，在平原地區(qū)的水庫庫容計算中誤差相對較大，采用點云數(shù)據(jù)計算的庫容更加精確，更適用于所有水庫的庫容計算，結果更符合實際地形情況。

4 結語

隨著現(xiàn)代科技和裝備的發(fā)展，地形數(shù)據(jù)的獲取更加精細和高效，如何能夠更好地充分利用這些數(shù)據(jù)成為擺在我們面前的一個問題。

本文通過將LIDAR 點云和水下測深點云相結合的方式，在GIS 軟件中建模，并編程批量計算水庫庫容，提高了計算精度和效率，是一種有益的嘗試。

地理信息技術和現(xiàn)代裝備在水利行業(yè)的應用，必將為流域管理和防汛調度、水資源管理利用、水環(huán)境保護及流域信息管理系統(tǒng)建設帶來深刻的影響■