基于機(jī)載LiDAR的山區(qū)水庫管理范圍線自動(dòng)提取及精度評(píng)定

趙現(xiàn)昌，裴書玉

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008）

1 引言

精確劃定水庫的管理和保護(hù)范圍，對(duì)建立范圍明確、權(quán)屬清晰的水利工程管理保護(hù)責(zé)任體系具有重要意義。機(jī)載LiDAR 用于植被覆蓋茂密的山區(qū)水庫測繪有著很大的技術(shù)優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：①受天氣影響較小，激光脈沖不受陰影和太陽角度的影響，可進(jìn)行全天候作業(yè)。②數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高，所需外業(yè)控制點(diǎn)較少，數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高。③有一定的穿透性，激光雷達(dá)在能夠穿透一定覆被密度的植被，獲取茂密植被覆蓋下的地面高程數(shù)據(jù)。

針對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時(shí)難以在植被覆蓋度高的山區(qū)水庫地形中獲取地表信息的難題，提出一種基于高精度DEM的等值線自動(dòng)提取方法，并輔以人機(jī)交互干預(yù)，用于植被茂密的山區(qū)水庫管理與保護(hù)范圍線特征點(diǎn)提取，實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明方法有效。

2 技術(shù)方法

2.1 PTD濾波算法

PTD濾波算法基本原理為：對(duì)原始LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)格網(wǎng)劃分，根據(jù)測區(qū)最大建筑物尺寸確定格網(wǎng)間距，選取每個(gè)格網(wǎng)區(qū)域內(nèi)高程最低點(diǎn)作為種子點(diǎn)構(gòu)成初始稀疏TIN模型；對(duì)TIN網(wǎng)中的每個(gè)點(diǎn)，通過判斷其反復(fù)角和反復(fù)距離是否小于給定的閾值對(duì)其進(jìn)行分類；對(duì)每個(gè)小于閾值的地面點(diǎn)即時(shí)加入到TIN網(wǎng)中，迭代濾波，直到?jīng)]有新的地面點(diǎn)產(chǎn)生為止。圖1 為漸進(jìn)不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波算法原理圖。

圖1 漸進(jìn)不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波算法原理圖

P是一個(gè)未分類點(diǎn)，V1，V2，V3是已知地面點(diǎn)并且構(gòu)成一個(gè)平面。平面方程為：

2.2 Kriging插值生成高精度DEM

水域DEM快速生成方法：首先，通過正射影像勾繪出水域的范圍；然后，利用水域邊界和岸邊的地面點(diǎn)云通過分段Kriging 插值擬合生成水體區(qū)域點(diǎn)云；再將插值擬合生成的水域點(diǎn)云與分類得到的地面點(diǎn)云拼接得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后使用合并后的完整點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）生成高精度DEM。

2.3 等值線提取及改進(jìn)的Bezier函數(shù)法擬合

等值線提取及擬合的方法：①快速提取構(gòu)TIN 點(diǎn)集，通過內(nèi)存映射和高程區(qū)間緩沖區(qū)分析，從海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速提取構(gòu)TIN 點(diǎn)集。②優(yōu)化逐點(diǎn)插入法，實(shí)現(xiàn)帶狀Delaunay 三角網(wǎng)的快速構(gòu)建。通過對(duì)離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)劃分，以減少定位點(diǎn)的判斷次數(shù)，并將三角形面積坐標(biāo)法與直線行走算法相結(jié)合，在點(diǎn)定位過程中可大幅度縮短搜索路徑，快速定位到插入點(diǎn)所在的目標(biāo)三角形。③等值線生成，經(jīng)過Delaunay三角網(wǎng)快速構(gòu)TIN 之后，要得到z=h的等值線，只需要建立z=h的平面方程與TIN 模型求交，并將得到的等值線段進(jìn)行排序，首尾相連后得到該等值線。④等值線光滑，文章采用在拐角處以等值點(diǎn)和切線點(diǎn)共同作為控制點(diǎn)的方法來解決Bezier 函數(shù)法曲線光滑后不再通過所有等值點(diǎn)的缺點(diǎn)。改進(jìn)后的Bezier 函數(shù)法擬合的等值線嚴(yán)格正確、不產(chǎn)生多余拐點(diǎn)，但需逐步調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，適用于水庫劃界等對(duì)結(jié)果要求嚴(yán)格的場合。

3 實(shí)例與分析

3.1 研究區(qū)概況

盤石頭水庫兩岸峭壁陡立，植被較為茂密，是一座以防洪、供水為主的大Ⅱ型水利樞紐工程。該水庫控制流域面積1 915 km2，總庫容6.08億m3。庫區(qū)周邊最高海拔700 m，最低海拔200 m，最大落差達(dá)500 m。此次實(shí)驗(yàn)采用RIEGL_VUX-1LR 系統(tǒng)+索尼A7RⅡ相機(jī)搭載在云影C200固定翼無人機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相對(duì)飛行高度540 m，影像旁向重疊度60%，航向重疊度80%，激光發(fā)射頻率（PRR）100 kHZ，平均點(diǎn)密度7 個(gè)/m2。測區(qū)總面積110 km2，采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)34 GB。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 點(diǎn)云濾波

PTD 算法濾波前，首先采用最近鄰搜索法去除離群噪點(diǎn)，以減少低于地面的噪點(diǎn)對(duì)濾波結(jié)果的影響。原始點(diǎn)云與采用PTD濾波算法濾波后的點(diǎn)云渲染圖如圖2所示，PDT濾波算法既能濾除絕大多數(shù)非地面點(diǎn)，同時(shí)保留地形的完整性，但需采用人機(jī)交互方式進(jìn)行精細(xì)分類，使分類結(jié)果更為準(zhǔn)確。

圖2 PTD算法濾波后地面點(diǎn)云渲染圖

3.2.2 高精度DEM生成

如圖3所示為Kriging插值擬合的水體區(qū)域點(diǎn)云，圖4為點(diǎn)云合并后構(gòu)建的TIN格式高精度DEM。

圖3 插值生成水域點(diǎn)云圖

圖4 高精度DEM圖

3.2.3 管理范圍線提取及擬合

盤石頭水庫遷賠高程262.69 m，按此法提取得到的高程值等于遷賠高程的等值線長度109.30 km。圖5所示為改進(jìn)后的Bezier函數(shù)法擬合的水庫管理范圍線疊加DOM的成果。

圖5 水庫管理范圍疊加DOM成果圖

3.3 精度評(píng)定

采用RTK對(duì)遷賠高程等值線上點(diǎn)實(shí)地放樣以檢查管理范圍線的提取精度。高程中誤差在±11 cm 以內(nèi)，故山區(qū)水庫管理范圍自動(dòng)提取方法能夠滿足水庫界限劃定的精度要求。

4 結(jié)語

①通過PTD 濾波、Kriging 插值構(gòu)建水庫庫區(qū)高精度DEM。②采用平面與DEM 求交獲取初步的水庫管理范圍線。③用改進(jìn)的Bezier 函數(shù)法對(duì)等值線擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法解決了傳統(tǒng)測量方法作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)、人員無法到達(dá)的難題，提高了工作效率。