三維建模技術(shù)在河流自然資源確權(quán)登記中的應(yīng)用

李 偉，姚文舉*，王道順，石信肖

（1. 山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272100；2. 高分辨率對地觀測系統(tǒng)濟(jì)寧數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心，山東 濟(jì)寧 272100）

為建立歸屬清晰、權(quán)責(zé)明確、保護(hù)嚴(yán)格、流轉(zhuǎn)順暢、監(jiān)管有效的自然資源資產(chǎn)產(chǎn)權(quán)制度，實(shí)現(xiàn)山水林田湖草整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理[1]，2019年7月自然資源部制定了《自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記暫行辦法》，自此各地相繼啟動(dòng)了河流自然資源確權(quán)工作。由于缺乏立體屬性，二維確權(quán)登記已無法滿足河流資源多源、多維、多時(shí)序的管理需要[2]，構(gòu)建河流自然資源三維立體一張圖，實(shí)現(xiàn)自然資源管理與服務(wù)的精準(zhǔn)化和高效化已成為自然資源管理部門關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。得益于無人機(jī)技術(shù)、激光掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的快速發(fā)展[3]，多種三維空間建模技術(shù)相繼成熟并被廣泛推廣，使采用與地貌匹配的建模技術(shù)快速、高效構(gòu)建水上、水下河流三維模型成為可能。本文以彭河自然資源確權(quán)登記為例，提出了綜合運(yùn)用機(jī)載激光掃描、傾斜攝影、單波束測量等技術(shù)構(gòu)建河流三維模型，實(shí)現(xiàn)河流二、三維一體化管理的工作思路，并總結(jié)了三維建模技術(shù)在自然資源確權(quán)中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目背景

為全面落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明建設(shè)思想，建立系統(tǒng)完整的生態(tài)文明制度體系，推進(jìn)自然資源確權(quán)登記法治化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化建設(shè)[4]，2021年4 月山東省自然資源廳組織開展2021年度全省自然資源確權(quán)登記工作，內(nèi)容包括徒駭河、大沽河、洙趙新河等16條河流的自然資源登記確權(quán)。為全面掌握自然資源現(xiàn)實(shí)狀況、充分反映自然地理格局[5]，開展了三維確權(quán)登記工作探索，并選取彭河河段作為試點(diǎn)區(qū)。彭河發(fā)源于菏澤市巨野縣萬豐鎮(zhèn)，總長度為25.1 km，流域面積為117 km2，水深3~4.15 m，河底比降為1/7 000~1/15 000，河底寬2~15 m，除澇流量為22~59 m2/s，防洪流量為58~154 m2/s。

2 技術(shù)方案

試點(diǎn)工作按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分級建設(shè)”的原則開展，根據(jù)試點(diǎn)區(qū)地理環(huán)境特征，將其劃分為外圍區(qū)、核心區(qū)、水下區(qū)3 部分。外圍區(qū)利用機(jī)載激光掃描技術(shù)構(gòu)建地形級[6]三維地理場景，核心區(qū)利用傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建城市級[7]三維地理場景，水下區(qū)利用單波束測量技術(shù)構(gòu)建水底高程三維地理場景；采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接邊、疊加，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合；結(jié)合模型對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)高程賦值，最終構(gòu)建河流自然資源三維立體一張圖。具體技術(shù)方案見圖1。

圖1 技術(shù)方案

3 技術(shù)手段

1）機(jī)載激光掃描技術(shù)屬于主動(dòng)式非接觸測量，通過激光發(fā)射器接收的信號獲取地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最大限度反映地表真實(shí)情況；具有自動(dòng)化程度高、作業(yè)速度快、全天候、測量精度高和作業(yè)成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大地測量、自然評估、城市三維建模等領(lǐng)域[8-10]。采用機(jī)載激光掃描技術(shù)構(gòu)建外圍區(qū)地表高程模型，首先對激光數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算、去噪、分類、微分糾正等操作，形成數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖；再對二者進(jìn)行空間疊加、融合，獲得具有紋理的地表高程模型數(shù)據(jù)。采用成都縱橫大鵬CW-30LiDAR 航攝系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)航攝高度為300 m，掃描頻率為600 Hz，點(diǎn)密度為16 Pts/m2，影像分辨率為5 cm，旁向重疊度為50%，航向重疊度為70%，成果見圖2。

圖2 試點(diǎn)區(qū)點(diǎn)云成果

2）傾斜攝影測量屬于被動(dòng)式可見光遙感技術(shù)，同時(shí)從多個(gè)角度獲取地物紋理影像，再通過計(jì)算機(jī)影像匹配技術(shù)自動(dòng)構(gòu)建實(shí)景三維模型，顛覆了傳統(tǒng)正射測量只能垂直拍攝的局限，能快速、高效、高精度進(jìn)行三維模型制作[11-12]。采用傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建核心區(qū)實(shí)景三維模型，首先對航攝影像進(jìn)行同名點(diǎn)提取、像控點(diǎn)刺點(diǎn)、光束網(wǎng)平差，獲得空三解算成果；再進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)網(wǎng)建模、紋理映射；最終完成實(shí)景三維模型制作。采用成都縱橫CW-15無人機(jī)搭載睿鉑DG4P 相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)航攝高度為310 m，影像掃描分辨率為3 cm，巡航速度為70 km/h，航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，航攝時(shí)間為上午11時(shí)至下午2時(shí)，成果見圖3。

圖3 試點(diǎn)區(qū)傾斜模型成果

3）單波束測量屬于回聲探測技術(shù)，通過向水下發(fā)射聲波的方式，獲取水底高程數(shù)值，具有價(jià)格低、操作簡單、重量輕、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，是目前主要的水深測量技術(shù)之一。隨著實(shí)時(shí)差分技術(shù)和無人船技術(shù)的發(fā)展，單波束測量的工作效率和準(zhǔn)確度有了極大提高，在河道、湖泊等水下地形測量和水質(zhì)監(jiān)測中取得了較好的應(yīng)用效果[13-14]。采用單波束測量技術(shù)獲取試點(diǎn)區(qū)水底高程模型，首先通過超聲波回波時(shí)間間隔與超聲波在水中傳播的平均速度計(jì)算水下深度，獲得水底點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再通過點(diǎn)位內(nèi)插、構(gòu)網(wǎng)建模的方式，完成水底高程模型制作。采用中海達(dá)iBoat B1 無人船進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)工作頻率為150 KHz，采樣分層間距為1 m，航線間隔距離為25 m，定位方式為RTK，獲取的數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 試點(diǎn)區(qū)水底高程模型成果

4 技術(shù)難點(diǎn)

1）水底高程模型精度優(yōu)化。彭河段水底建模總距離為25 km，沿途流經(jīng)多個(gè)村莊，河況復(fù)雜，河底高程易受水草、采石挖沙、河底淤泥影響。為提高高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用RTK三維測深技術(shù)提高測深儀平面與高程精度；采用雙頻單波束測深儀，對比高、低頻回聲，獲取淤泥層厚度；采用剔除明顯噪點(diǎn)的方法剔除和修正水深的跳點(diǎn)、極值、零值，降低水草等障礙物影響；采用不規(guī)則方格網(wǎng)法制作模型，提高河底高程模型的精細(xì)程度。

2）矢量數(shù)據(jù)三維賦值。二維矢量數(shù)據(jù)缺乏高程屬性，直接與三維地理場景數(shù)據(jù)疊加將導(dǎo)致數(shù)據(jù)分層，因此需對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行高程賦值。常用方法是基于模型數(shù)據(jù)進(jìn)行二維數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)插獲取節(jié)點(diǎn)高程值。試點(diǎn)工作采用計(jì)算機(jī)提取賦值和手工點(diǎn)取賦值相結(jié)合的方式，首先對二維矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行高程點(diǎn)自動(dòng)批提取，再檢查二維數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的貼合情況，手動(dòng)調(diào)整未貼合地面節(jié)點(diǎn)的高程，保證二維矢量數(shù)據(jù)與三維底圖的嚴(yán)格貼合。

3）多維、多源、多尺度數(shù)據(jù)整合。河流自然資源數(shù)據(jù)在維度、數(shù)據(jù)源、尺度上具有多樣性，數(shù)據(jù)整合是構(gòu)建河流自然資源立體一張圖的重要步驟。隨著試點(diǎn)工作的進(jìn)行，多部門數(shù)據(jù)被統(tǒng)一匯總，數(shù)據(jù)不一致問題逐漸凸顯，主要表現(xiàn)為基準(zhǔn)不統(tǒng)一、平面錯(cuò)位、高程分層等[15]。為解決該問題，試點(diǎn)工作中對多維、多源、多尺度的河流自然資源數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間位置一致性處理，首先對多源數(shù)據(jù)的空間基準(zhǔn)、投影方式和高程基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一；再采用幾何位置配準(zhǔn)方法，按照“局部服從全局、低精度服從高精度、低密度服從高密度”的配準(zhǔn)原則糾正精度不高數(shù)據(jù)的位置、高程，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)邏輯、空間上的統(tǒng)一。

4）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)展示。為解決管理平臺多樣造成的數(shù)據(jù)不通、決策矛盾等問題，實(shí)現(xiàn)單一平臺對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一展示、調(diào)度，試點(diǎn)工作開展了數(shù)據(jù)成果格式標(biāo)準(zhǔn)化工作，首先通過第三方軟件將不同格式的數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)通用格式；再通過GIS 軟件自帶工具對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行軟件標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化工作實(shí)現(xiàn)了單一平臺對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的加載，并提高了數(shù)據(jù)加載速度。

5）可視化效果提升。可視化是三維模型的天然屬性。真實(shí)立體、紋理清晰、色彩明亮的模型成果在對外宣傳、地方形象樹立等方面都具有較好作用[16]，因此提升模型可視化效果，給瀏覽者提供一個(gè)舒暢的“看”的體驗(yàn)十分必要。針對模型紋理色差問題，采用模型成果色彩均衡的方法，對模型紋理進(jìn)行色彩、色調(diào)、明亮度調(diào)整，使模型成果整體效果自然、真實(shí)；針對點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式單一的問題，對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行成果配置、符號化處理，對重點(diǎn)的點(diǎn)狀地物構(gòu)建手工模型，以可視化模型成果的形式表示；針對水面破洞、起伏問題，基于水岸線高程勾繪，制作三維動(dòng)態(tài)面。可視化效果提升界面見圖5。

圖5 可視化效果提升界面

5 成果應(yīng)用

1）可視化表達(dá)。與傳統(tǒng)自然資源數(shù)據(jù)相比，河流自然資源立體一張圖可真實(shí)、立體、時(shí)序化地反映自然資源的時(shí)空信息，有效解決二維自然資源數(shù)據(jù)權(quán)屬重疊、分布復(fù)雜、精細(xì)化程度不夠、準(zhǔn)確化程度不高等一系列問題[17]。試點(diǎn)工作通過構(gòu)建三維底層，為抽象的圖、表提供了空間載體，完成了數(shù)據(jù)可視化表達(dá)，有效提高了二維數(shù)據(jù)的辨識度。數(shù)據(jù)成果的可視化表達(dá)在提升確權(quán)人員對數(shù)據(jù)的認(rèn)知程度、增強(qiáng)管理人員對數(shù)據(jù)的管控力度方面有較好的應(yīng)用。

2）界址點(diǎn)測量與核查。界址點(diǎn)測量是自然資源調(diào)查的關(guān)鍵步驟，傳統(tǒng)方法是通過人工現(xiàn)場指界和外業(yè)實(shí)測的方式，外業(yè)工作量大、測繪難度高、協(xié)調(diào)指界人員難、成果質(zhì)檢不便。試點(diǎn)工作通過對核心區(qū)構(gòu)建高精度實(shí)景三維模型，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)場景的室內(nèi)還原，打破了傳統(tǒng)的界址點(diǎn)測量方式，將原有“所到即所得”的工作方式優(yōu)化為“所見即所得”，極大地減少了外業(yè)工作量，降低了工作風(fēng)險(xiǎn)，減小了成果核查的工作難度。

3）三維圖件制作。在以往確權(quán)工作中，調(diào)查工作底圖、登記單元圖等圖件資料多以權(quán)屬界線疊加正射影像圖的形式表達(dá)[18]，易導(dǎo)致圖件成果表達(dá)不直觀、復(fù)雜地形圖件可讀性不強(qiáng)等問題。基于三維立體數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)制圖軟件，以一定角度輸出工作底圖、登記單元圖等圖件資料，實(shí)現(xiàn)圖件三維化，可有效解決上述問題。

4）汛情研判。模型數(shù)據(jù)具有良好的空間屬性，是構(gòu)建數(shù)字孿生的重要數(shù)據(jù)來源[19-20]。試點(diǎn)工作利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS 的分析功能進(jìn)行多種虛擬情況模擬，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活提供判斷依據(jù)。利用水下高程模型構(gòu)建流域水文模型，計(jì)算重點(diǎn)區(qū)河流徑流量，測算水流速度；利用地面高程模型尋找高地點(diǎn)，制作抗洪物資存放點(diǎn)方案；基于地上、水下高程模型，采用有源淹沒分析方法計(jì)算洼地點(diǎn)、模擬洪水路徑，進(jìn)行汛情研判（圖6）；利用自主開發(fā)平臺進(jìn)行人員、物資調(diào)度，實(shí)現(xiàn)可視化管理。

圖6 淹沒模擬界面

6 結(jié) 語

本文根據(jù)河流自然資源管理的切實(shí)需求，提出將三維激光掃描、傾斜攝影、單波束測量等三維建模技術(shù)運(yùn)用于河流自然登記確權(quán)中的設(shè)想，并在彭河自然資源登記確權(quán)試點(diǎn)工作中進(jìn)行了嘗試。本文介紹了試點(diǎn)工作中構(gòu)建水上、水下三維立體一張圖的工作流程，闡述了三維激光掃描、傾斜攝影、單波束測量的技術(shù)特點(diǎn)，解析了工作中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，總結(jié)了試點(diǎn)工作成果的應(yīng)用場景。事實(shí)證明，三維建模技術(shù)的應(yīng)用能有效解決以往河流自然資源確權(quán)工作中的部分弊端，為工作的開展提供了新思路。三維建模技術(shù)在彭河試點(diǎn)工作中取得了良好的應(yīng)用效果，但仍存在數(shù)據(jù)成果的存儲、保密、共享和更新等部分問題，這些需在今后的工作中進(jìn)一步解決。