以無人機航測及水下地形測繪技術(shù)為主的水利工程DEM 構(gòu)建研究

王振宇

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團有限公司，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，直接反映測量區(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)分析測點環(huán)境，能夠?qū)λこ虦y繪和水文工作起到支持作用。現(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 時要支付一定費用，申請過程復(fù)雜，降低了時效性。為解決以上問題，水利行業(yè)引入GIS+BIM 技術(shù)，將2 項技術(shù)協(xié)同作用，應(yīng)用于水下地形測繪中，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 無人機航測技術(shù)應(yīng)用

1.1 無人機航測

現(xiàn)階段，無人機航測是得到DEM 數(shù)據(jù)的關(guān)鍵方法，能夠在實際應(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，借助無人機航測方法表達了地表高程，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。本文所給出的實踐應(yīng)用是以外業(yè)航拍圖片作為密集點云數(shù)據(jù)構(gòu)建基質(zhì)，借助濾波處理密集點云，將樹木、建筑物等高度予以剔除，整理輸出點云數(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，利用所具備的實時動態(tài)差分技術(shù)，將GPS 基站架設(shè)于地面，將裝載GPS 接收機放置于無人機上，得到獲取點位信息數(shù)據(jù)。利用解算功能，輸出橫縱坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，達到免相控效果。無人機裝載的傳感器焦距為35 mm，型號為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精度[2]。在實際應(yīng)用中，以某河為例，由技術(shù)人員劃定測繪范圍后，參考MAVinci Desktop 設(shè)計飛行計劃，并設(shè)定分辨率，一般為12 cm。在MAVinci Desktop 中設(shè)計坐標(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、自動化地處理無地面控制點。聯(lián)合使用RTK 技術(shù)，收集實測位點，便于檢驗后續(xù)數(shù)據(jù)成果精準(zhǔn)度。

1.2 點云生成與濾波

經(jīng)過無人機航測得到基礎(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，基于顏色信息和三維坐標(biāo)，利用點云數(shù)據(jù)開展自動計算作業(yè)。無人機搭載傳感器形成測定系統(tǒng)，系統(tǒng)具備空三計算能力，自動計算輸出點云數(shù)據(jù)[3]。采取加密操作，點云呈現(xiàn)密集特征，最終經(jīng)過基礎(chǔ)分類，生成地面點數(shù)據(jù)。密集點云進一步劃分為非地面點，并展示低矮植被、高植被和建筑物類型，自動區(qū)分非地面點和地面點類型，后者屬于點云濾波。由于文章的研究重點為所派生的地面DEM 數(shù)據(jù)，因此重點采用點云濾波方法[4]。此種方法需預(yù)先設(shè)定非地面點和地面點區(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)、非地面點高于地面點，然后應(yīng)用于濾波算法中。非地面點和地面點的區(qū)分利用三角網(wǎng)漸進內(nèi)插，此種方法是Agisoft PhotoScan 軟件作用于點云濾波環(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，輸出點云濾波結(jié)果。在技術(shù)支持下，解決了傳統(tǒng)測繪中的漏分和錯分問題，機器自動分類，人工判別點云濾波結(jié)果，篩選錯誤點云，將其劃分至合理類型，形成非地面點和地面點劃分結(jié)果。

1.3 生成地面DEM

非地面點不屬于地面DEM 數(shù)據(jù)范疇，經(jīng)過點云濾波，所得到的點均為地面點，由此設(shè)計構(gòu)建地面DEM。以某河道為例，在此河道中間存在非地面點數(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，生成不含非地面點的DEM 數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)ASTER GDEM 軟件所測得數(shù)據(jù)相比，無人機航測所獲取的數(shù)據(jù)信息具備較高分辨率，并且能夠真實反映測量區(qū)域的地貌地形特點[5]。

2 水下地形測繪技術(shù)應(yīng)用

無人機航測得到正射影像，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、洪澇淹沒分析、河流整治的自動化處理需要，因此要聯(lián)合使用水下地形測繪技術(shù)。此項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)港灣水底點、江河湖泊水底點平面位置及高程測繪目標(biāo)，輸出水底高程數(shù)據(jù)信息，彌補無人機航測數(shù)據(jù)信息缺失，將水下數(shù)據(jù)補充完整。在無人機航測完畢后，結(jié)合所得數(shù)據(jù)，制作DOM，將河道范圍進行矢量化處理，在此范圍內(nèi)，使用測深儀測量水底高程，自動形成等深線，基于等深線差值構(gòu)建河道DEM 數(shù)據(jù)。

2.1 水底高程測量

單波束測深儀和多波束測深儀是水底高程測量中常用的儀器類型。前者具備價格低廉、操作簡單以及外接設(shè)備少的優(yōu)勢，該類儀器借助線性模式測量原理，對于范圍較小的河道和水域能夠發(fā)揮實效，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)效率和全覆蓋測量地形地貌的優(yōu)勢，雖需外接多個設(shè)備，但能實現(xiàn)大范圍測量作業(yè)目標(biāo)，真實準(zhǔn)確反映河道、湖泊和海洋水底高程數(shù)據(jù)信息。在實際測量中，可根據(jù)水域范圍、成本和精度要求選定測深儀種類。例如：某河道寬120 m，屬于小范圍水體，使用單波束測深儀即可完成測量任務(wù)。在測量階段，確定采樣點間隔，此河道設(shè)定的水底高程測樣點間距為1.5 m，即可準(zhǔn)確測出不同區(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密度不足的現(xiàn)實情況，在獲取基礎(chǔ)水底高程數(shù)據(jù)后，隨機抽樣，進行數(shù)據(jù)精度檢驗[7]。結(jié)合檢驗結(jié)果，技術(shù)人員將剩余點以等深線形式排列，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位均勻密集特征。除采取以上方式外，還可運用插值辦法，依據(jù)高程點繪制等深線圖像[8]。

2.3 生成河道DEM

河道DEM 數(shù)據(jù)中要真實反映河道地貌地形特征，為此，在精度要求下，由無人機航測產(chǎn)出正射影像產(chǎn)品，運用矢量化法處理邊線，圈定河道范圍。測定水邊高程數(shù)據(jù)，采取野外實地測量辦法，將高程值賦于水邊線，得出河道范圍數(shù)據(jù)，充實高程信息。經(jīng)過水底高程測量后，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 以無人機航測及水下地形測繪技術(shù)為主的水利工程DEM 構(gòu)建

3.1 DEM 整體構(gòu)建

應(yīng)用水下地形測量技術(shù)和無人機航測方法所得到的DEM 數(shù)據(jù)彼此獨立，構(gòu)建整體DEM 數(shù)據(jù)需采取疊加運算辦法，生成研究區(qū)域DEM 整體數(shù)據(jù)[9]。水下地形測量技術(shù)和無人機航測所得數(shù)據(jù)所使用的計算模型不同，由此得到的高程會出現(xiàn)不吻合情況，尤其是范圍接邊處，不吻合情況較嚴(yán)重，因此需要進行深加工。使用QT Modeler 三維軟件，導(dǎo)入疊加運算數(shù)據(jù)，同時對正射影像進行疊加，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

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

表1 高程誤差對比

通過表2 可以發(fā)現(xiàn)，水下高程點個數(shù)為66 個，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；林下點個數(shù)為37個，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；地面點個數(shù)為48 個，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，精度高低順序為地面點>水下高程點>林下點。出現(xiàn)DEM 數(shù)據(jù)精度差異的原因是：所測區(qū)域含有大片密林區(qū)，此類區(qū)域在采集數(shù)據(jù)時容易出現(xiàn)點位缺失的情況，使得經(jīng)過擬合的林下點不具備真實反映此區(qū)域地形地貌特征能力，精度最低。而水下高程點介于林下點和地面點精度之間，基于對測量要求的考量，誤差為地面點誤差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。

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

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

利用DEM 方法，將水庫水體劃分成多個立方體結(jié)構(gòu)，每個立方體體積計算參照公式（1）。計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)建辦法基于無人機航測技術(shù)和水下地形測繪技術(shù)，在分別得到地面DEM 和河道DEM 后，運用矢量化法，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，確定水下高程點和地面點的精度較高，林下點高程精度較低，證明所得到的DEM 產(chǎn)品具備可靠性。同時，基于此產(chǎn)品使用公式（1）能夠得到與實際情況相符的水庫庫容，說明在實踐應(yīng)用中能夠提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)自動化處理洪澇淹沒以及河流整治問題。相較于傳統(tǒng)測繪方法，聯(lián)用無人機航測技術(shù)和水下地形測繪技術(shù)的精度更高，并且能夠保證在樹木稀疏和房屋稀疏區(qū)域測得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，值得在實踐中予以推廣。