三維地面模型在大藤峽靜態庫容計算中的應用

武長松，常軍

(1.吉林松遼工程監理監測咨詢有限公司，吉林長春 130021； 2.長春市測繪院，吉林長春 130021)

三維地面模型在大藤峽靜態庫容計算中的應用

武長松1?，常軍2

(1.吉林松遼工程監理監測咨詢有限公司，吉林長春 130021； 2.長春市測繪院，吉林長春 130021)

常規庫容計算工作量大，耗費大量人工，且成果質量和計算精度都難以保證。本文簡述了在廣西大藤峽庫容計算工作中，以AutoCAD Civil 3D為平臺，根據測繪地形數據，構造三維地面模型，采用三維地面模型計算技術，短時間高質量完成計算任務的技術路線和實施方案，并且描述了利用河道橫斷面、深泓線、水邊線加密計算水下模擬地形，從而提高了成果質量，使成果更完整。

庫容計算；三維模型建立；水下地形模擬

1 引 言

大藤峽水利樞紐工程壩址位于珠江流域西江水系的黔江河段大藤峽峽谷出口的弩灘處。除了防洪、發電、水資源配置、灌溉外，大藤峽水利樞紐的興建，還可為其下游和庫區水產養殖業的發展提供條件，同時為當地旅游業的發展提供工程景觀。

2007年5月，中水東北公司大藤峽項目經理部研究對大藤峽進行靜態庫容計算工作，要求在一個月左右完成。經研究分析，我們認為采用建立三維地面模型計算體積的方法可大大減少工作量，大藤峽靜態庫容計算工作包括水下庫容計算，計算范圍為70 m高程以下，高程間距2 m。

2 基本資料

已有測量成果:

(1)地形圖 629幅，2002年航測成圖，比例尺1∶5 000，等高距2 m。

(2)實測河道橫斷面圖157幅，2002年測圖。

(3)實測河道縱斷面圖25幅，2002年測圖。

(4)地形圖圖幅接合表l幅。

所有測量成果均提供電子文件，且地形圖上等高線和高程點均有三維坐標。

3 庫容計算要求

(1)計算范圍:高程70 m以下靜態庫容，含水下庫容。

(2)計算精度:高程按2 m間距，計算相應高程下庫容和水域面積。

(3)時間:1個月。

4 計算方案

通常把庫容計算分為水下和水上兩部分，水下部分計算方法為假設河道為直線，相鄰兩個橫斷面均與河道正交，距離為兩橫斷面河道里程，按線性插值計算兩橫斷面各高程下面積，然后根據臺體體積計算公式計算體積為所求庫容。這種計算方法是一種比較粗的近似計算，沒有考慮河道內島、坑和兩橫斷面間實測深泓點的影響，實際上兩橫斷面也不平行，河道更不是直線。水上部分需先求出各高程等高線面積，然后根據臺體體積計算公式計算體積，因此必須先對各高程等高線進行封閉編輯。

由于庫區范圍大、地形復雜、涉及圖幅多、等高線不連續，河岸兩側陡崖多，等高線斷線、缺線嚴重，因此等高線封閉編輯工作量是巨大的，僅此一項工作就約需2人年。在面積計算時還要考慮許多島嶼和水下部分銜接。成果驗算、質量檢查工作量也很大。估計整個靜態庫容計算工作約需3人年，工作強度也很大。采用這種方案要在指定時間內完成該項工作是不可能的。

為此，我們探索采用新技術完成大藤峽庫容計算任務的可能性。首先分析了基本資料，特別對地形圖進行了詳細分析。首先，地形圖上等高線和高程點是帶有高程的，存在個別未賦高程值的等高線和高程點。其次，層次分類比較清楚合理，存在少量地物線(陡坎、斜坡等)在等高線層上。因此我們考慮利用地形圖上的三維信息構造三維地面模型，然后計算各高程下的庫容和面積。經用局部圖形試驗和驗算，證明該方案是可行的。

為了用同樣方法計算水下庫容，需要水下地形數據。因未實測水下地形，僅有實測橫斷面和縱斷面數據，平均3.4 km一個橫斷面，0.7 km一個深泓點。

根據這么少量的數據能否推算出水下近似地形呢?經過分析認為，根據以上實測斷面數據，結合地形圖等高線、高程點、水邊線數據是能夠推算出近似水下地形的。

5 水下地形推算方案

(1)展繪實測橫斷面

首先將實測橫斷面數據展繪到地形圖上，并標記最深點。

圖1 斷面數據展繪

(2)確定深泓線

因縱斷面數據僅有深泓點高程和相應的河道里程，無法確定深泓點平面位置，從而不能確定深泓線平面位置。需人工根據河道走向和橫斷面最深點人工繪制二維深泓線，再結合實測縱斷面，就可確定三維深泓線。

(3)根據實測橫斷面、深泓線、水邊線就可合理構造水下地形:

①讀取兩橫斷面數據，計算橫斷面與兩岸水邊線交點，兩交點平面距離為水面寬度，兩交點高程均值為斷面水位。取水下部分橫斷數據。(因橫斷面和地形圖施測時間不一致，應以地形圖上的水邊線為標準區分橫斷面的水下部分)。

②把兩橫斷面進行規范化處理，水面寬度均變為單位寬度1.0。

③根據插值間距，綜合兩橫斷面數據，確定兩橫斷面上的加密位置，并計算加密點的高程(位置用0～l之間的數表示)，使兩橫斷面點位和點數完全相同。

④計算兩橫斷面間深泓線長度，把實測縱斷數據沿深泓線展繪，并根據加密間距，布設加密深泓點，計算加密深泓點的高程和水位。這些加密深泓點(含原深泓點)就確定了加密橫斷面的位置和最低點高程。

⑤在加密深泓點位置，沿深泓線法向交水邊線兩點，即為該斷面水面寬度，水位與深泓點水位相同。也變換為單位寬度1.0，根據該斷面距兩實測橫斷面的距離大小，加權計算出該斷面各點高程，再根據深泓點位置和高程，調整相應點位和高程。這樣就推算出兩橫斷面間的水下高程點。

圖2 深泓點及橫斷面加密

(4)水下高程點調整

以上推算出的水下高程點未考慮河道內的島和復雜的水邊線(如河岔)的影響，因此還需根據實際地形和經驗調整水下高程點，刪除錯誤點，補充新的高程點。調整修改后水下高程點(圖3中紅色點為人工補充的高程點)。

圖3 水下加密高程點調整

6 三維地面模型建立

當圖形處理完畢、水下高程點推算出后，在Autodesk Civil 3d下，構造三維地面模型是方便的。分別把水下高程點、水上高程點、實測橫斷面、等高線添加到曲面定義上即可。

7 庫容計算

在Autodesk Civil 3d下新建曲面后，將水下高程點、實測橫斷面、等高線添加到這個曲面上，定義這個曲面的三維特性，稱這個曲面為三維地面曲面，簡稱地面曲面。新建曲面后，將水上高程點及對應的等高線添加到這個曲面上，稱這個曲面為平面曲面。

在各高程建立平面曲面，以地面曲面為基本曲面，以平面曲面為對照曲面，計算出兩曲面間的填方即為所需庫容。

8 面積計算

利用微量高程間的體積計算中間高程面積。

式中:V為高程間體積；△H為高程差；S為中間高程面積。

當高程分別加減0.001 m，則△H＝0.002 m時，若地面模型不變，經測算，計算精度非常高，達到0.000 03%。

9 工作流程制定

由于大藤峽庫區范圍大，數據量多。為了有序有效進行庫容計算，減少不必要的返工和重復工作，并制定了標準工作流程供項目人員執行。

10 經驗與總結

提交庫容計算初步成果及與原庫容對照成果。經大藤峽項目組分析，認為部分高程間的庫容與原庫容相差較大，建議對地面模型進行檢查，同時利用微高程間距求出各高程面積進行復核對照。

我們采用高程分別加減0.001 m計算庫容求面積的方法計算出面積成果。再次提交了模型修改后的庫容和面積成果，繪制出庫容曲線和面積曲線時，初步判斷計算成果是可靠的。

(1)圖形分割要合理，單個圖形文件在生成地面模型前控制在5 MB以下。

(2)圖形分割要保證不能重復和遺漏，并保持銜接一致。特別是干流與支流若不在同一圖形文件，接合處水下地形要事先檢查處理。生成曲面后還要檢查銜接處的曲面模型，刪除區域外的三角形。

(3)對地形圖要嚴格檢查層次和高程屬性，是否存在未賦高程值或高程值錯誤的等高線和高程點。

(4)良好的工作程序是最終計算成果質量的保證。因三維地面曲面數據量大，占用計算機資源多，在基礎數據處理不完善的情況下急于構造三維模型并計算庫容會出現較多返工，降低工作效率。

[1] 張發明.多尺度三維地質結構幾何模擬與工程應用[M].北京:科學出版社，2007

[2] 梁開龍.水下地形測量[M].北京:測繪出版社，1995

[3] 趙建虎，張紅梅.水下地形測量技術探討[J].測繪信息工程，1999(4)

[4] 趙偉凱，王志杰.GIS在水下地形測量數據管理分析中的應用[J].東北水利水電，2009(2)

[5] 徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社，1998

[6] 汪志明，徐亞明，張洪波.差分GPS2RTK技術在富春江水庫庫容測量中的應用[J].測繪信息與工程，2003(6)

[7] 李俊山，王蕊，李建軍.三維視景仿真可視化建模技術[M].北京:科學出版社，2001

Application of the Three－dimensional Terrestrial Model on Calculating the Still Storage of Dateng Gorge

Wu Changsong1，Chang Jun2
(1.Jiling Songliao Project Supervising and Monitoring Consultation Co.，Ltd.Jiling 130021，China；2.Changchun Institute of Surveying and Mapping，Changchun 130021，China)

The workload of Conventional reservoir storage calculating is heavy，manpower－consuming，make it difficult to ensure quality and calculation accuracy of the results.During calculating reservoir storage of the Dateng gorge in Guangxi province，This paper summarized how to accomplish the calculating task high－quality in a short time.It built a platform of AutoCad＆Civil3D，and construct the three－dimensional ground model according to the mapping data of，using the 3－d model computing technology to calculate the reservoir storage.This paper also described the method to calculate the underwater simulated terrain using encrypting the watercourse cross section，talweg and water edge.It thereby improved the quality of results and made the outcomes more completed.

reservoir storage calculating；construction of A three－dimensional model；the underwater simulated terrain

2011—08—06

武長松(1971—)，男，工程師，主要從事工程測量及監理監測評估工作。

1672－8262(2011)05－110－03

TU697，P209

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