李 強(qiáng)

(沈陽(yáng)智信佰達(dá)科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110014)

1 河道養(yǎng)護(hù)工作現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

河道管理線長(zhǎng)面廣，管理任務(wù)重、難度大，填、塞、堵現(xiàn)象以及廢棄物沿河排放已經(jīng)成為一個(gè)社會(huì)綜合治理問(wèn)題[1]。

1.1 河道維護(hù)常規(guī)手段

(1)河道設(shè)施維護(hù)。河流管理設(shè)施能穩(wěn)定河流流量和水位，以防止洪水破壞。圖1展示了河流管理設(shè)施的基本坡面。設(shè)施主要由堤壩、水閘、堤基、水道等部分組成。護(hù)岸是防止堤壩和河岸被侵蝕的建筑物，水閘是用于排水和防止倒流的建筑物，堤基結(jié)構(gòu)可防止河床侵蝕。

圖1 河流管理設(shè)施

(2)河道巡查維護(hù)。河道巡查手冊(cè)是用來(lái)準(zhǔn)確、高效地維護(hù)河流的，河道巡查手冊(cè)總結(jié)了巡視的項(xiàng)目、內(nèi)容和方法。以地級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行河道管理設(shè)施的檢查和維修。一般情況下，每年通過(guò)目測(cè)檢查一次。檢查對(duì)象包括堤防、閘門(mén)、地基、河道等。如果發(fā)現(xiàn)異?；蜃冃危瑱z查員會(huì)拍照，測(cè)量形狀變化和做記錄[2]。

1.2 河道維護(hù)工作中存在的問(wèn)題

為了解當(dāng)前河流檢查方法存在的問(wèn)題，我們采訪了信江河流管理處的兩名管理人員。采訪主要包括以下三方面內(nèi)容：(1)河流維護(hù)工作最重要的方面包括不斷監(jiān)測(cè)河勢(shì)變形，尤其重要的是檢查堤防和護(hù)岸的泥沙淤積和變形。(2)檢查結(jié)果記錄在紙質(zhì)文件上。辦公室里有記錄結(jié)果的信息系統(tǒng)，但由于一些問(wèn)題，這些系統(tǒng)仍未投入使用。(3)檢查是根據(jù)地圖上大致確定的位置進(jìn)行的。由于檢查是使用二維地圖進(jìn)行的，所以識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)檢查點(diǎn)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

河道維護(hù)工作的檢查結(jié)果以照片形式記錄在二維地圖上。通過(guò)分析檢查手冊(cè)和采訪結(jié)果，識(shí)別設(shè)施變形在維護(hù)工作中至關(guān)重要。由于目前的河道管理是以二維地圖為基礎(chǔ)的，很難識(shí)別設(shè)施的現(xiàn)狀形態(tài)和變形情況。此外，檢查結(jié)果沒(méi)有完全數(shù)據(jù)化，僅供檢查時(shí)參考，這也容易產(chǎn)生工作上的失誤。

2 利用無(wú)人機(jī)構(gòu)建三維數(shù)據(jù)

實(shí)際利用一架無(wú)人機(jī)來(lái)勘察河流管理設(shè)施。利用運(yùn)動(dòng)構(gòu)造(SFM)距離成像技術(shù)建立了信江的三維數(shù)據(jù)。測(cè)量范圍寬約50 m，長(zhǎng)約150 m。

2.1 河道管理設(shè)施的無(wú)人機(jī)測(cè)量

實(shí)際采用的專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)是一種體積小、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)。表1給出了該無(wú)人機(jī)的參數(shù)[3]。表2給出了其攝像頭的規(guī)格。

表1 無(wú)人機(jī)參數(shù)

表2 無(wú)人機(jī)攝像機(jī)規(guī)格

由分別位于左右堤壩上的兩名觀察員警示行人和汽車(chē)。操作員將相機(jī)向下對(duì)準(zhǔn)，并從上方拍攝了河流的視頻。本次飛行獲得了9個(gè)視頻，總計(jì)約40 min。無(wú)人機(jī)以恒定速度飛行，橫向移動(dòng)約5 m，以保持80%以上的全景覆蓋。圖2顯示了飛行路線。

圖2 飛行路線

2.2 利用SFM構(gòu)建三維數(shù)據(jù)

SFM是一種距離成像技術(shù)，它使用從不同角度拍攝的圖像構(gòu)建物體的三維數(shù)據(jù)。該軟件可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中構(gòu)建三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。照片為psz文件格式。

創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)主要分為以下三個(gè)步驟：(1)操作員使用無(wú)人機(jī)拍攝河流管理設(shè)施的視頻。(2)使用視頻編輯軟件從視頻中提取圖像。(3)使用Photoscan軟件從步驟(2)中獲得的圖像執(zhí)行距離成像操作。

在步驟(2)中，從約40 min、文件大小為1.6 GB的視頻中提取了344幅圖像。圖3顯示了信江河岸和河道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。生成1.01 GB大小具有25 248 632個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大約需要10 h。從點(diǎn)的數(shù)量來(lái)看，使用344幅圖像即可生成高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖4以黑色標(biāo)注了點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 信江三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)位置

3 河流維護(hù)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)目標(biāo)

當(dāng)前河道養(yǎng)護(hù)工作存在兩個(gè)問(wèn)題：巡查成果管理不到位和二維圖像的缺點(diǎn)。由此提出了一種基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的河流養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。檢測(cè)位置點(diǎn)可以累積形成數(shù)據(jù)庫(kù)，并將檢測(cè)結(jié)果與三維數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)[4]。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

構(gòu)建的河流維護(hù)管理系統(tǒng)，如圖5所示，河流維護(hù)管理系統(tǒng)由空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、河流信息數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)模型、模型庫(kù)、通用系統(tǒng)接口,系統(tǒng)共享功能和應(yīng)用系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)通用系統(tǒng)接口和數(shù)據(jù)模型添加新的信息項(xiàng)和系統(tǒng)功能?？臻g數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施包括基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，空間屬性包括地理信息、位置信息和包括高程在內(nèi)的三維空間信息。它由三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成。河流信息數(shù)據(jù)庫(kù)以數(shù)據(jù)模型的形式表示河流的運(yùn)行歷程。數(shù)據(jù)模型使參與河流維護(hù)的人員能夠交換和共享河流信息。通用系統(tǒng)接口提供發(fā)送和接收管理系統(tǒng)和模型庫(kù)、河流數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的請(qǐng)求，同時(shí)還具有發(fā)送、接收和顯示數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)共享功能能在社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)間共享信息，并可以執(zhí)行檢索、注冊(cè)、下載和管理等操作。應(yīng)用系統(tǒng)具有信息顯示等功能。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

河流維護(hù)管理系統(tǒng)的主要用戶是河流管理員和檢查員。圖6顯示了系統(tǒng)部署。檢查員在現(xiàn)場(chǎng)使用智能設(shè)備將結(jié)果記錄在系統(tǒng)中，并可以在現(xiàn)場(chǎng)使用計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)參考檢查結(jié)果。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)用于記錄檢查結(jié)果和損壞或變形的位置。該系統(tǒng)以地面控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用GNSS對(duì)不同測(cè)量時(shí)刻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行控制并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)以往的研究，GNSS有足夠的精度。但是在缺乏GNSS衛(wèi)星的情況下，該系統(tǒng)不適用。

圖6 系統(tǒng)部署

3.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

河流維護(hù)管理系統(tǒng)是利用TerraDeveloper三維GIS軟件包開(kāi)發(fā)的，可以讀取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖7顯示了TerraDeveloper中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖7 TerraDeveloper中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在河流維護(hù)管理系統(tǒng)用戶界面可以通過(guò)三維的角度查看河流屬性狀態(tài)變化。設(shè)置了用于操作點(diǎn)云數(shù)據(jù)的工具(使用鼠標(biāo)調(diào)整三維空間中的查看位置)，以及鳥(niǎo)瞰、移動(dòng)、全部顯示、放大、縮小和屬性信息等等工具。

3.4 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)主要有以下四個(gè)功能：

(1)信息顯示功能。從河流數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施中檢索信息，并顯示結(jié)果。用戶可以請(qǐng)求獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息和河流維護(hù)時(shí)間信息，并下載檢索到的結(jié)果，將它們存儲(chǔ)在他們的計(jì)算機(jī)上。

(2)檢查結(jié)果錄入功能。該系統(tǒng)可以在三維數(shù)據(jù)中的任何點(diǎn)輸入河流維護(hù)信息。當(dāng)用戶點(diǎn)擊三維數(shù)據(jù)的任意點(diǎn)時(shí)，顯示輸入功能。用戶可以輸入檢查位置點(diǎn)、建筑物異常情況、遠(yuǎn)景和近景照片以及變形尺度，并以三維數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行登記。TerraDeveloper可以獲得該位置的坐標(biāo)。因此，用戶可以隨時(shí)查看數(shù)據(jù)。并將登記的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行累積。

(3)參考檢查結(jié)果功能。當(dāng)輸入檢查結(jié)果時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)累積到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且標(biāo)記指示輸入數(shù)據(jù)的位置(圖8)。當(dāng)點(diǎn)擊該標(biāo)記時(shí)，會(huì)顯示在該位置輸入的檢查位置、建筑物異常情況、遠(yuǎn)景和近景照片以及變形規(guī)模。

圖8 顯示標(biāo)記

(4)變形差異的可視化功能。此功能比較不同測(cè)量時(shí)間的兩個(gè)三維數(shù)據(jù)集，將變形可視化。在圖9給出的示例中，白色區(qū)域陰影部分表示淤積量的變化(增加或減少)，具體結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定。

圖9 三維數(shù)據(jù)的可視化

通過(guò)功能(1)和(2)，可以將檢驗(yàn)位置點(diǎn)快速累計(jì)為數(shù)據(jù)庫(kù)，將檢驗(yàn)結(jié)果與三維數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)功能(3)和(4)，可以快速掌握河流的變形情況。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可操作性，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的處理能力，達(dá)到了河道養(yǎng)護(hù)的預(yù)期效果。經(jīng)確認(rèn)，該系統(tǒng)能夠處理實(shí)際數(shù)據(jù)，并能按照系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的要求工作，具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。該系統(tǒng)可以用來(lái)向市民和項(xiàng)目參與者直觀地講解建設(shè)項(xiàng)目。河流管理員可以與執(zhí)行維護(hù)操作的工人共享存儲(chǔ)在河流數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用三維數(shù)據(jù)對(duì)河流進(jìn)行高效、準(zhǔn)確維護(hù)的河流維護(hù)管理系統(tǒng)。首先，通過(guò)采訪實(shí)地工作人員，分析并找出了現(xiàn)有維護(hù)工作和河流信息系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。進(jìn)一步利用無(wú)人機(jī)拍攝研究區(qū)實(shí)地照片并通過(guò)SFM軟件構(gòu)建了信江的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)。提出了一個(gè)由空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、河流信息數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)模型、模型庫(kù)、公共系統(tǒng)接口、系統(tǒng)共享和各項(xiàng)應(yīng)用組成的三維GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有河流維護(hù)信息顯示、檢查結(jié)果錄入、參考檢查結(jié)果和變形差異的可視化四項(xiàng)功能，經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有可行性和可操作性，能簡(jiǎn)化河流維護(hù)管理工作并提高工作效率，具有投入實(shí)際應(yīng)用的潛力。