引言：易發(fā)表網(wǎng)憑借豐富的文秘實(shí)踐，為您精心挑選了一篇黃河攔沙壩數(shù)據(jù)底板建設(shè)范例。如需獲取更多原創(chuàng)內(nèi)容，可隨時(shí)聯(lián)系我們的客服老師。

推動(dòng)數(shù)字孿生黃河建設(shè)，總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策，提升流域治理管理能力和水平，為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)管理實(shí)際需求，搭載水土保持?jǐn)?shù)字化場(chǎng)景，推進(jìn)智慧水土保持建設(shè)，是“十四五”時(shí)期水土保持工作的一項(xiàng)重點(diǎn)工程。攔沙壩是黃河流域溝道治理的主要水土保持工程措施，能有效減少入黃泥沙。推進(jìn)攔沙壩精準(zhǔn)化管理，確保攔沙壩安全，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的智慧水土保持應(yīng)用平臺(tái)，是數(shù)字孿生黃河建設(shè)重點(diǎn)工程之一。構(gòu)建數(shù)字化場(chǎng)景，主要任務(wù)是建設(shè)數(shù)據(jù)底板。數(shù)據(jù)底板按照地理空間數(shù)據(jù)精度分為L(zhǎng)1、L2、L3三級(jí)，《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》將重要淤地壩建設(shè)L3級(jí)數(shù)據(jù)底板納入黃河水利委員會(huì)建設(shè)數(shù)字孿生黃河內(nèi)容。從目前技術(shù)水平來(lái)看，數(shù)字孿生流域建設(shè)當(dāng)務(wù)之急是提高各層級(jí)數(shù)據(jù)底板的保真度和精度，從而提高數(shù)字孿生流域整體保真度。本文使用傾斜攝影等多種技術(shù)手段和設(shè)備，獲取攔沙壩及其淤積范圍內(nèi)的DOM（數(shù)字正射影像）、DEM（數(shù)字高程模型）、三維模型和激光點(diǎn)云等數(shù)據(jù)，探索目前生產(chǎn)上能達(dá)到的數(shù)據(jù)底板建設(shè)較高精度。

一、研究區(qū)概況

十大孔兌指黃河內(nèi)蒙古段由南向北并列流入黃河的十條支流，是內(nèi)蒙古黃河段河床淤積的主要泥沙來(lái)源。該區(qū)域被有“地球癌癥”之稱的砒砂巖覆蓋，是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。黑賴溝流域?yàn)槭罂變吨?，地處?nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)，流域總面積1027.02km2，氣候干燥多風(fēng)，年平均氣溫5.3℃，最高氣溫35℃，最低氣溫-24.8℃，年蒸發(fā)量2234.2mm。多年平均降雨量392.7mm，主要集中在汛期（7—9月），汛期降雨量占全年的78.8%，多以暴雨形式出現(xiàn)，多年平均暴雨次數(shù)4次。鄂爾多斯攔沙換水試點(diǎn)工程擬在黑賴溝流域新建攔沙壩84座，截至2021年5月已建成44座。選擇這44座新建攔沙壩進(jìn)行數(shù)據(jù)底板建設(shè)試驗(yàn)。

二、數(shù)據(jù)采集和處理

1.設(shè)備應(yīng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備

主要應(yīng)用大疆經(jīng)緯M300RTK測(cè)繪無(wú)人機(jī)攜大疆禪思P1單鏡頭傾斜相機(jī)，并使用大疆經(jīng)緯M300RTK攜賽爾102S五鏡頭傾斜相機(jī)和大疆禪思L1機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行了比較。試驗(yàn)時(shí)以上設(shè)備均為上市1年內(nèi)的最新設(shè)備。使用千尋RTK和徠卡TS50全站儀進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)、像控點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量。

2.基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)用

每座攔沙壩在設(shè)計(jì)階段均布設(shè)了3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。使用千尋RTK進(jìn)行CGCS2000坐標(biāo)系測(cè)量，同時(shí)獲取CGCS2000橢球高，與基準(zhǔn)點(diǎn)的1985國(guó)家高程基準(zhǔn)進(jìn)行比較，得出的較差作為高程異常值。經(jīng)過點(diǎn)校正，獲取基準(zhǔn)點(diǎn)2000國(guó)家平面坐標(biāo)、1985國(guó)家高程系統(tǒng)。

3.像控點(diǎn)及檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量

由于攔沙壩所處位置均為山谷，RTK網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，為保證精度，像控點(diǎn)以基準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)采用全站儀進(jìn)行像控測(cè)量。分兩種方式對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量:位于山頂高處的檢測(cè)點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行測(cè)量，攔沙壩淤積范圍內(nèi)谷底采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。每座攔沙壩布設(shè)約10個(gè)像控點(diǎn)，優(yōu)先布設(shè)在地形起伏大的溝谷與溝緣相交處，且應(yīng)保證整個(gè)壩區(qū)均勻分布，如圖1所示。由于壩區(qū)地表多為黃土和毛草，不利于找到固定的標(biāo)志物，故采用事先布設(shè)靶標(biāo)的形式進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量。每座壩測(cè)量40～90個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用以精度檢查。

4.航線設(shè)計(jì)

應(yīng)在像控點(diǎn)布設(shè)當(dāng)天完成飛行作業(yè)。作業(yè)范圍使用攔沙壩設(shè)計(jì)時(shí)的淤積范圍線，并在溝頭進(jìn)行至少100m的外擴(kuò)，在山體進(jìn)行少量外擴(kuò)，確保攔沙壩的淤積范圍可以完整呈現(xiàn)。經(jīng)各設(shè)備在飛行高度50～100m試驗(yàn)，傾斜攝影方式作業(yè)耗時(shí)最久，作業(yè)時(shí)間和飛行高度成反比。90m時(shí)獲取的影像地面分辨率為1cm左右，可當(dāng)天完成針對(duì)面積0.3km2的攔沙壩的飛行作業(yè)。航向重疊率80%，旁向重疊率70%，開啟RTK功能，單鏡頭傾斜相機(jī)使用智能擺動(dòng)拍攝。

5.實(shí)景三維模型和DOM、DEM生產(chǎn)

三維模型主要在ContextCaptureCenter軟件和PhotoScan軟件中完成。將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS（導(dǎo)航定位定向系統(tǒng)）數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并以此進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對(duì)定向。圖1像控點(diǎn)布設(shè)示意ContextCaptureCenter軟件對(duì)于航線的要求有局限性，所以有時(shí)需要在其他軟件中配合進(jìn)行空三加密運(yùn)算。導(dǎo)入外業(yè)測(cè)定的像片控制點(diǎn)成果，在空三項(xiàng)目中根據(jù)預(yù)測(cè)位置進(jìn)行像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺，利用這些點(diǎn)對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對(duì)定向。最后將完成空中三角測(cè)量運(yùn)算的區(qū)塊導(dǎo)入ContextCaptureCenter三維建模。試驗(yàn)了兩種技術(shù)方案獲取DOM和DEM。第一種是三維模型導(dǎo)出的DSM（數(shù)字地表模型）、DOM，在Inpho軟件DTMaster模塊下進(jìn)行DEM的精確編輯，編輯時(shí)要求等高距顯示為0.05m，以保證DEM編輯的精度。第二種是將飛行數(shù)據(jù)下視數(shù)據(jù)分離出來(lái)，使用Pix4DMapper對(duì)下視數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出相機(jī)參數(shù)和畸變校正影像。然后將輸出的相機(jī)參數(shù)和影像導(dǎo)入Inpho軟件進(jìn)行像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺和空三，得到下視空三工程，經(jīng)精度檢測(cè)合格后，進(jìn)行DEM生產(chǎn)。

三、結(jié)果與分析

1.設(shè)備選擇

根據(jù)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GH/T9008.2—2010和GH/T9008.3—2010，國(guó)家現(xiàn)行比例尺成圖精度最高要求為1∶500，DOM平地精度要求為30cm，DEM1∶500比例尺下平地的一級(jí)精度要求為20cm。本次試驗(yàn)DOM、DEM成果最優(yōu)精度為5cm內(nèi)，遠(yuǎn)超國(guó)家現(xiàn)行比例尺的最高精度要求。第一批次試驗(yàn)使用了傾斜攝影技術(shù)攜五鏡頭傾斜相機(jī)，但獲取的初步數(shù)據(jù)量過大，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。使用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取激光點(diǎn)云，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類后，使用地面點(diǎn)生成DEM，這種方式不僅精度高，而且形成的高密度點(diǎn)云可以很好地反映細(xì)微地形，在高精度DEM獲取方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景。但精密的激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備成本高昂，更適用于大面積飛行。本次試驗(yàn)使用的激光雷達(dá)設(shè)備為國(guó)產(chǎn)新設(shè)備，價(jià)格超過單鏡頭及五鏡頭傾斜相機(jī)，但在相同飛行高度下，獲取DEM精度低于傾斜攝影設(shè)備，降低飛行高度至60m的情況下，DEM高程精度為10cm左右。激光雷達(dá)獲取DOM和DEM的效率更高，但無(wú)法獲取高精度三維模型。單鏡頭傾斜相機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)精確、影像無(wú)畸變，生產(chǎn)的DOM、DEM和三維模型精度最高，更符合生產(chǎn)使用。

2.DEM、DOM生產(chǎn)方案

在第一批次試驗(yàn)階段采用三維模型導(dǎo)出DSM和DOM，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)DOM存在的問題較多，如高大地物（樹、房子等）與地面顯示割裂、過渡不自然，三維模型紋理顯示缺失等。在導(dǎo)出DSM的基礎(chǔ)上進(jìn)行DEM編輯，但是效果不好，主要是一些“小地形”變化無(wú)法甄別，若通過同期的正射影像判別，則耗時(shí)間、效果差。鑒于試驗(yàn)探索對(duì)DEM高程精度的極致要求，以及攔沙壩現(xiàn)場(chǎng)毛草叢生、溝壑深、暴雨急流造成的沖擊地洞多等情況，DEM圖2爾庫(kù)溝1號(hào)小型壩三維模型（壩體位置）數(shù)據(jù)處理時(shí)地形地貌的立體可視化程度決定了DEM的正確性，也就是說，對(duì)DEM的可視化編輯是DEM精度“處處可靠”的關(guān)鍵。因此第二種方案——用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方法進(jìn)行DEM的生產(chǎn)更優(yōu)。

3.三維模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

從模型整體性、紋理精細(xì)度、邏輯一致性、場(chǎng)景效果、位置精度、高程精度進(jìn)行評(píng)定，傾斜攝影方式生產(chǎn)的模型整體一致性好，具有全要素、全紋理的全息表達(dá)能力，地物完整、無(wú)地物碎片、水域面平整，能真實(shí)反映地物、地形的外觀、位置、高度等信息，精細(xì)度和紋理精細(xì)度表現(xiàn)良好，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)比例正常，符合邏輯關(guān)系，如圖2所示。

4.DEM和DOM精度檢查

生產(chǎn)的DOM格網(wǎng)大小0.01m，DEM格網(wǎng)大小0.1m。DOM和DEM數(shù)學(xué)精度檢測(cè)采用野外實(shí)測(cè)方法。DOM的精度檢測(cè)方法為：在成圖圖幅中均勻選取20個(gè)左右的明顯地面點(diǎn)，同時(shí)在野外測(cè)量相應(yīng)位置的點(diǎn)位坐標(biāo)，與之比較。DEM的精度檢測(cè)方法為：每座壩選取約60個(gè)外業(yè)實(shí)測(cè)高程點(diǎn)，與相應(yīng)位置的DEM內(nèi)插高程值進(jìn)行比較。根據(jù)DOM檢測(cè)結(jié)果，44座攔沙壩中平面中誤差最大值4.6cm，最小值1.1cm，無(wú)粗差。根據(jù)DEM檢測(cè)結(jié)果，44座攔沙壩中高程中誤差最大值4.7cm，最小值1.6cm，粗差率均小于5%。列舉其中10座攔沙壩的精度檢測(cè)結(jié)果，如表1。

四、結(jié)論

經(jīng)基準(zhǔn)點(diǎn)、像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)外業(yè)測(cè)量，結(jié)合當(dāng)下多種傾斜攝影設(shè)備和機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理，在60m飛行高度下，機(jī)載激光雷達(dá)方式攔沙壩數(shù)據(jù)底板平面精度為±0.05m，高程精度為±0.10m；在90m飛行高度以上時(shí)，激光雷達(dá)點(diǎn)云分層不明顯，導(dǎo)致數(shù)據(jù)底板精度不滿足攔沙壩臥管分層要求；該技術(shù)方案作業(yè)效率高，在DOM、DEM生產(chǎn)中有優(yōu)勢(shì)。90m飛行高度下，傾斜攝影方式攔沙壩數(shù)據(jù)底板平面精度為±0.04m，高程精度為±0.05m，可認(rèn)為是當(dāng)前技術(shù)手段數(shù)據(jù)底板建設(shè)能達(dá)到的優(yōu)良精度。機(jī)載激光雷達(dá)和傾斜攝影的方式均滿足L3級(jí)攔沙壩數(shù)據(jù)底板建設(shè)的要求，傾斜攝影是目前數(shù)字孿生建設(shè)獲取高精度三維模型的最優(yōu)方式。

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作者：左強(qiáng) 李驍 單位：水利部黃河水利委員會(huì)黃河上中游管理局 水利部黃土高原水土保持野外科學(xué)觀測(cè)研究站