王振宇

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津 300000）

DEM 為三維空間內(nèi)平面坐標(biāo)和高程所組成的數(shù)據(jù)集。在此數(shù)據(jù)集中的網(wǎng)點(diǎn)，直接反映測(cè)量區(qū)域內(nèi)的地貌信息和地形空間分布特征，基于此數(shù)據(jù)分析測(cè)點(diǎn)環(huán)境，能夠?qū)λこ虦y(cè)繪和水文工作起到支持作用?，F(xiàn)階段，在水利工程中主要應(yīng)用的DEM 類型為SRTM和ASTER GDEM，但以上數(shù)據(jù)的分辨率最大為90 m，不符合高精度標(biāo)準(zhǔn)。并且在構(gòu)建DEM 時(shí)要支付一定費(fèi)用，申請(qǐng)過程復(fù)雜，降低了時(shí)效性。為解決以上問題，水利行業(yè)引入GIS+BIM 技術(shù)，將2 項(xiàng)技術(shù)協(xié)同作用，應(yīng)用于水下地形測(cè)繪中，通過疊加河道和地表DEM，得到高精度數(shù)據(jù)，為水利工作奠定基礎(chǔ)。

1 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用

1.1 無人機(jī)航測(cè)

現(xiàn)階段，無人機(jī)航測(cè)是得到DEM 數(shù)據(jù)的關(guān)鍵方法，能夠在實(shí)際應(yīng)用中將多類信息顯示于同一地面高程模型上，基本涵蓋樹木、橋梁和地表建筑物[1]。嚴(yán)格意義上講，借助無人機(jī)航測(cè)方法表達(dá)了地表高程，但所生成的模型不完全符合DEM 數(shù)據(jù)特征，屬于數(shù)字表面模型。本文所給出的實(shí)踐應(yīng)用是以外業(yè)航拍圖片作為密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建基質(zhì)，借助濾波處理密集點(diǎn)云，將樹木、建筑物等高度予以剔除，整理輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其以地面DEM 形式應(yīng)用于水利工程中。使用拓普康天狼星無人機(jī)，利用所具備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，將GPS 基站架設(shè)于地面，將裝載GPS 接收機(jī)放置于無人機(jī)上，得到獲取點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)。利用解算功能，輸出橫縱坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，達(dá)到免相控效果。無人機(jī)裝載的傳感器焦距為35 mm，型號(hào)為Sony-RX1R2，所采集的數(shù)據(jù)地面分辨率處于[1.6，20]cm 區(qū)間，有效像素4 200 萬，一定程度上提高了航測(cè)精度[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，以某河為例，由技術(shù)人員劃定測(cè)繪范圍后，參考MAVinci Desktop 設(shè)計(jì)飛行計(jì)劃，并設(shè)定分辨率，一般為12 cm。在MAVinci Desktop 中設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，匹配位置數(shù)據(jù)和照片，更正基準(zhǔn)站坐標(biāo)的匹配結(jié)果，由Agisoft PhotoScan 軟件接收導(dǎo)入數(shù)據(jù)，智能化、自動(dòng)化地處理無地面控制點(diǎn)。聯(lián)合使用RTK 技術(shù)，收集實(shí)測(cè)位點(diǎn)，便于檢驗(yàn)后續(xù)數(shù)據(jù)成果精準(zhǔn)度。

1.2 點(diǎn)云生成與濾波

經(jīng)過無人機(jī)航測(cè)得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息后，在同一坐標(biāo)系中集合目標(biāo)表面特征和目標(biāo)空間分布數(shù)據(jù)點(diǎn)，基于顏色信息和三維坐標(biāo)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展自動(dòng)計(jì)算作業(yè)。無人機(jī)搭載傳感器形成測(cè)定系統(tǒng)，系統(tǒng)具備空三計(jì)算能力，自動(dòng)計(jì)算輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。采取加密操作，點(diǎn)云呈現(xiàn)密集特征，最終經(jīng)過基礎(chǔ)分類，生成地面點(diǎn)數(shù)據(jù)。密集點(diǎn)云進(jìn)一步劃分為非地面點(diǎn)，并展示低矮植被、高植被和建筑物類型，自動(dòng)區(qū)分非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)類型，后者屬于點(diǎn)云濾波。由于文章的研究重點(diǎn)為所派生的地面DEM 數(shù)據(jù)，因此重點(diǎn)采用點(diǎn)云濾波方法[4]。此種方法需預(yù)先設(shè)定非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，以此作為假定條件，包括地面坡度變化在一定范圍內(nèi)、非地面點(diǎn)高于地面點(diǎn)，然后應(yīng)用于濾波算法中。非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)的區(qū)分利用三角網(wǎng)漸進(jìn)內(nèi)插，此種方法是Agisoft PhotoScan 軟件作用于點(diǎn)云濾波環(huán)節(jié)的主要形式，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后，單元大小、最大距離和最大角度處于合理區(qū)間，輸出點(diǎn)云濾波結(jié)果。在技術(shù)支持下，解決了傳統(tǒng)測(cè)繪中的漏分和錯(cuò)分問題，機(jī)器自動(dòng)分類，人工判別點(diǎn)云濾波結(jié)果，篩選錯(cuò)誤點(diǎn)云，將其劃分至合理類型，形成非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)劃分結(jié)果。

1.3 生成地面DEM

非地面點(diǎn)不屬于地面DEM 數(shù)據(jù)范疇，經(jīng)過點(diǎn)云濾波，所得到的點(diǎn)均為地面點(diǎn)，由此設(shè)計(jì)構(gòu)建地面DEM。以某河道為例，在此河道中間存在非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，此部分區(qū)域在圖像上顯示為空白特征，經(jīng)軟件系統(tǒng)裁剪后，生成不含非地面點(diǎn)的DEM 數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)ASTER GDEM 軟件所測(cè)得數(shù)據(jù)相比，無人機(jī)航測(cè)所獲取的數(shù)據(jù)信息具備較高分辨率，并且能夠真實(shí)反映測(cè)量區(qū)域的地貌地形特點(diǎn)[5]。

2 水下地形測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用

無人機(jī)航測(cè)得到正射影像，顯示河道范圍，但無法顯示水底高程信息，不利于水利工程作業(yè)開展，難以滿足水利工程設(shè)計(jì)、洪澇淹沒分析、河流整治的自動(dòng)化處理需要，因此要聯(lián)合使用水下地形測(cè)繪技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)港灣水底點(diǎn)、江河湖泊水底點(diǎn)平面位置及高程測(cè)繪目標(biāo)，輸出水底高程數(shù)據(jù)信息，彌補(bǔ)無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)信息缺失，將水下數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整。在無人機(jī)航測(cè)完畢后，結(jié)合所得數(shù)據(jù)，制作DOM，將河道范圍進(jìn)行矢量化處理，在此范圍內(nèi)，使用測(cè)深儀測(cè)量水底高程，自動(dòng)形成等深線，基于等深線差值構(gòu)建河道DEM 數(shù)據(jù)。

2.1 水底高程測(cè)量

單波束測(cè)深儀和多波束測(cè)深儀是水底高程測(cè)量中常用的儀器類型。前者具備價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單以及外接設(shè)備少的優(yōu)勢(shì)，該類儀器借助線性模式測(cè)量原理，對(duì)于范圍較小的河道和水域能夠發(fā)揮實(shí)效，但不適用于需要完全獲取水底地形變化信息的作業(yè)中；后者具備精度高、高作業(yè)效率和全覆蓋測(cè)量地形地貌的優(yōu)勢(shì)，雖需外接多個(gè)設(shè)備，但能實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量作業(yè)目標(biāo)，真實(shí)準(zhǔn)確反映河道、湖泊和海洋水底高程數(shù)據(jù)信息。在實(shí)際測(cè)量中，可根據(jù)水域范圍、成本和精度要求選定測(cè)深儀種類。例如：某河道寬120 m，屬于小范圍水體，使用單波束測(cè)深儀即可完成測(cè)量任務(wù)。在測(cè)量階段，確定采樣點(diǎn)間隔，此河道設(shè)定的水底高程測(cè)樣點(diǎn)間距為1.5 m，即可準(zhǔn)確測(cè)出不同區(qū)域的水底高程數(shù)據(jù)[6]。

2.2 等深線繪制

充分考量高程粗差和高程點(diǎn)密度不足的現(xiàn)實(shí)情況，在獲取基礎(chǔ)水底高程數(shù)據(jù)后，隨機(jī)抽樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)[7]。結(jié)合檢驗(yàn)結(jié)果，技術(shù)人員將剩余點(diǎn)以等深線形式排列，并將等深距設(shè)定為1.5 m 繪制地形圖，保證所繪制的圖像具備點(diǎn)位均勻密集特征。除采取以上方式外，還可運(yùn)用插值辦法，依據(jù)高程點(diǎn)繪制等深線圖像[8]。

2.3 生成河道DEM

河道DEM 數(shù)據(jù)中要真實(shí)反映河道地貌地形特征，為此，在精度要求下，由無人機(jī)航測(cè)產(chǎn)出正射影像產(chǎn)品，運(yùn)用矢量化法處理邊線，圈定河道范圍。測(cè)定水邊高程數(shù)據(jù)，采取野外實(shí)地測(cè)量辦法，將高程值賦于水邊線，得出河道范圍數(shù)據(jù)，充實(shí)高程信息。經(jīng)過水底高程測(cè)量后，輸出等深線圖像和信息，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TNT，創(chuàng)建研究區(qū)的河道DEM 數(shù)據(jù)。例如，在某河道研究區(qū)，所節(jié)選的最高為14.8 m，最低為-10 m。經(jīng)調(diào)研，河床和河道沿岸起伏小，整體符合平坦地形特征，并且河床與河岸的過渡區(qū)存在變坡，河道右側(cè)至中部抬升明顯，左側(cè)至中部出現(xiàn)深坑地質(zhì)，最終形成的河道DEM 如圖1 所示。

圖1 某河道DEM

3 以無人機(jī)航測(cè)及水下地形測(cè)繪技術(shù)為主的水利工程DEM 構(gòu)建

3.1 DEM 整體構(gòu)建

應(yīng)用水下地形測(cè)量技術(shù)和無人機(jī)航測(cè)方法所得到的DEM 數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立，構(gòu)建整體DEM 數(shù)據(jù)需采取疊加運(yùn)算辦法，生成研究區(qū)域DEM 整體數(shù)據(jù)[9]。水下地形測(cè)量技術(shù)和無人機(jī)航測(cè)所得數(shù)據(jù)所使用的計(jì)算模型不同，由此得到的高程會(huì)出現(xiàn)不吻合情況，尤其是范圍接邊處，不吻合情況較嚴(yán)重，因此需要進(jìn)行深加工。使用QT Modeler 三維軟件，導(dǎo)入疊加運(yùn)算數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)正射影像進(jìn)行疊加，生成三維模型，代表研究區(qū)河道地貌地形信息。精修研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)，采取平滑處理辦法，作用于接邊處不吻合位置，形成精修后的水利工程DEM 數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 某水利工程DEM

3.2 質(zhì)量檢驗(yàn)

完成水利工程DEM 數(shù)據(jù)構(gòu)建后，需對(duì)其質(zhì)量予以檢驗(yàn)。具體檢驗(yàn)方式為：使用RTK 技術(shù)確定水下高程點(diǎn)66 個(gè)、林下點(diǎn)37 個(gè)、地面點(diǎn)48 個(gè)，開展DEM 質(zhì)量檢驗(yàn)。其中，1 mm 內(nèi)不同范圍高程測(cè)點(diǎn)校差情況如表1 所示，DEM 質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表1 高程誤差對(duì)比

通過表2 可以發(fā)現(xiàn)，水下高程點(diǎn)個(gè)數(shù)為66 個(gè)，最大高差1.13 m，最小高差0.02 m，平均高差0.40 m，高差標(biāo)準(zhǔn)差0.31 m；林下點(diǎn)個(gè)數(shù)為37個(gè)，最大高差1.18 m，最小高差0.04 m，平均高差0.56 m，高差標(biāo)準(zhǔn)差0.35 m；地面點(diǎn)個(gè)數(shù)為48 個(gè)，最大高差0.35 m，最小高差0.01 m，平均高差0.16 m，高差標(biāo)準(zhǔn)差0.11 m。整體來看，精度高低順序?yàn)榈孛纥c(diǎn)>水下高程點(diǎn)>林下點(diǎn)。出現(xiàn)DEM 數(shù)據(jù)精度差異的原因是：所測(cè)區(qū)域含有大片密林區(qū)，此類區(qū)域在采集數(shù)據(jù)時(shí)容易出現(xiàn)點(diǎn)位缺失的情況，使得經(jīng)過擬合的林下點(diǎn)不具備真實(shí)反映此區(qū)域地形地貌特征能力，精度最低。而水下高程點(diǎn)介于林下點(diǎn)和地面點(diǎn)精度之間，基于對(duì)測(cè)量要求的考量，誤差為地面點(diǎn)誤差2 倍左右范疇，因此所得到的河道DEM 精度可靠。在河床與河岸變坡區(qū)域是高差數(shù)值較大位置，此區(qū)域?qū)φw水利工程DEM 影響可忽略不計(jì)。

利用所構(gòu)建的水利工程DEM 數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出水庫庫容，計(jì)算公式為：

式中：S為水面面積的數(shù)值；V為設(shè)計(jì)水位庫容量的數(shù)值；h0為某一設(shè)計(jì)水位的數(shù)值；hi為設(shè)計(jì)高程以下淹沒的某單元高程的數(shù)值；a為DEM 方格網(wǎng)邊長(zhǎng)的數(shù)值。

利用DEM 方法，將水庫水體劃分成多個(gè)立方體結(jié)構(gòu)，每個(gè)立方體體積計(jì)算參照公式（1）。計(jì)算完畢后繪制某水利工程水庫庫容曲線，提供生態(tài)流量分析和防洪依據(jù)。

4 結(jié)論

綜上所述，本文所給出的水利工程DEM 數(shù)據(jù)構(gòu)建辦法基于無人機(jī)航測(cè)技術(shù)和水下地形測(cè)繪技術(shù)，在分別得到地面DEM 和河道DEM 后，運(yùn)用矢量化法，處理邊線，圈定河道范圍，輸出等深線圖像和信息，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TNT，創(chuàng)建研究區(qū)的河道DEM 數(shù)據(jù)。經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)，確定水下高程點(diǎn)和地面點(diǎn)的精度較高，林下點(diǎn)高程精度較低，證明所得到的DEM 產(chǎn)品具備可靠性。同時(shí)，基于此產(chǎn)品使用公式（1）能夠得到與實(shí)際情況相符的水庫庫容，說明在實(shí)踐應(yīng)用中能夠提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理洪澇淹沒以及河流整治問題。相較于傳統(tǒng)測(cè)繪方法，聯(lián)用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)和水下地形測(cè)繪技術(shù)的精度更高，并且能夠保證在樹木稀疏和房屋稀疏區(qū)域測(cè)得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，值得在實(shí)踐中予以推廣。