數(shù)字孿生黃河攔沙壩數(shù)據(jù)底板建設(shè)案例分析

左 強，李 驍

（1.水利部黃河水利委員會黃河上中游管理局，710021，西安；2.水利部黃土高原水土保持野外科學(xué)觀測研究站，710021，西安）

推動數(shù)字孿生黃河建設(shè)，總體目標是實現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策，提升流域治理管理能力和水平，為黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動。結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)管理實際需求，搭載水土保持數(shù)字化場景，推進智慧水土保持建設(shè)，是“十四五”時期水土保持工作的一項重點工程。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。推進攔沙壩精準化管理，確保攔沙壩安全，加快構(gòu)建具有預(yù)報、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，是數(shù)字孿生黃河建設(shè)重點工程之一。

構(gòu)建數(shù)字化場景，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L1、L2、L3三級，《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》將重要淤地壩建設(shè)L3級數(shù)據(jù)底板納入黃河水利委員會建設(shè)數(shù)字孿生黃河內(nèi)容。從目前技術(shù)水平來看，數(shù)字孿生流域建設(shè)當務(wù)之急是提高各層級數(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）、三維模型和激光點云等數(shù)據(jù)，探索目前生產(chǎn)上能達到的數(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源。該區(qū)域被有“地球癌癥”之稱的砒砂巖覆蓋，是我國水土流失最嚴重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。黑賴溝流域為十大孔兌之一，地處內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)，流域總面積1027.02 km2，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2234.2 mm。多年平均降雨量392.7 mm，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座新建攔沙壩進行數(shù)據(jù)底板建設(shè)試驗。

二、數(shù)據(jù)采集和處理

1.設(shè)備應(yīng)用

無人機設(shè)備主要應(yīng)用大疆經(jīng)緯M300 RTK測繪無人機攜大疆禪思P1單鏡頭傾斜相機，并使用大疆經(jīng)緯M300 RTK攜賽爾102S五鏡頭傾斜相機和大疆禪思L1機載激光雷達進行了比較。試驗時以上設(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全站儀進行基準點、像控點和檢測點測量。

2.基準點應(yīng)用

每座攔沙壩在設(shè)計階段均布設(shè)了3個基準點，坐標系為1980西安坐標系，高程基準為1985國家高程基準。使用千尋RTK進行CGCS2000坐標系測量，同時獲取CGCS2000橢球高，與基準點的1985國家高程基準進行比較，得出的較差作為高程異常值。經(jīng)過點校正，獲取基準點2000國家平面坐標、1985國家高程系統(tǒng)。

3.像控點及檢測點測量

由于攔沙壩所處位置均為山谷，RTK網(wǎng)絡(luò)信號時有時無，為保證精度，像控點以基準點為基準采用全站儀進行像控測量。分兩種方式對檢測點進行測量:位于山頂高處的檢測點采用網(wǎng)絡(luò)RTK進行測量，攔沙壩淤積范圍內(nèi)谷底采用全站儀進行測量。

每座攔沙壩布設(shè)約10個像控點，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志物，故采用事先布設(shè)靶標的形式進行控制點測量。每座壩測量40～90個檢測點，用以精度檢查。

圖1 像控點布設(shè)示意

4.航線設(shè)計

應(yīng)在像控點布設(shè)當天完成飛行作業(yè)。作業(yè)范圍使用攔沙壩設(shè)計時的淤積范圍線，并在溝頭進行至少100 m的外擴，在山體進行少量外擴，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50～100 m試驗，傾斜攝影方式作業(yè)耗時最久，作業(yè)時間和飛行高度成反比。90 m時獲取的影像地面分辨率為1 cm左右，可當天完成針對面積0.3 km2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，單鏡頭傾斜相機使用智能擺動拍攝。

5.實景三維模型和DOM、DEM生產(chǎn)

三維模型主要在ContextCapture Center軟件和PhotoScan軟件中完成。將相機參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS（導(dǎo)航定位定向系統(tǒng)）數(shù)據(jù)進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區(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，完成相對定向。ContextCapture Center軟件對于航線的要求有局限性，所以有時需要在其他軟件中配合進行空三加密運算。導(dǎo)入外業(yè)測定的像片控制點成果，在空三項目中根據(jù)預(yù)測位置進行像控點轉(zhuǎn)刺，利用這些點對已有區(qū)域網(wǎng)模型進行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入精確的大地坐標系統(tǒng)中，完成絕對定向。最后將完成空中三角測量運算的區(qū)塊導(dǎo)入ContextCapture Center三維建模。

試驗了兩種技術(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模塊下進行DEM的精確編輯，編輯時要求等高距顯示為0.05 m，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，使用Pix4D Mapper對下視數(shù)據(jù)進行處理，輸出相機參數(shù)和畸變校正影像。然后將輸出的相機參數(shù)和影像導(dǎo)入Inpho軟件進行像控點轉(zhuǎn)刺和空三，得到下視空三工程，經(jīng)精度檢測合格后，進行DEM生產(chǎn)。

三、結(jié)果與分析

1.設(shè)備選擇

根據(jù)測繪行業(yè)標準GH/T 9008.2—2010和GH/T 9008.3—2010，國家現(xiàn)行比例尺成圖精度最高要求為1∶500，DOM平地精度要求為30 cm，DEM 1∶500比例尺下平地的一級精度要求為20 cm。本次試驗DOM、DEM成果最優(yōu)精度為5 cm內(nèi)，遠超國家現(xiàn)行比例尺的最高精度要求。

第一批次試驗使用了傾斜攝影技術(shù)攜五鏡頭傾斜相機，但獲取的初步數(shù)據(jù)量過大，作業(yè)時間較長。

使用機載激光雷達技術(shù)獲取激光點云，對點云進行分類后，使用地面點生成DEM，這種方式不僅精度高，而且形成的高密度點云可以很好地反映細微地形，在高精度DEM獲取方面有著無可比擬的優(yōu)勢及應(yīng)用前景。但精密的激光雷達系統(tǒng)設(shè)備成本高昂，更適用于大面積飛行。本次試驗使用的激光雷達設(shè)備為國產(chǎn)新設(shè)備，價格超過單鏡頭及五鏡頭傾斜相機，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60 m的情況下，DEM高程精度為10 cm左右。激光雷達獲取DOM和DEM的效率更高，但無法獲取高精度三維模型。

單鏡頭傾斜相機慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)精確、影像無畸變，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)上進行DEM編輯，但是效果不好，主要是一些 “小地形”變化無法甄別，若通過同期的正射影像判別，則耗時間、效果差。鑒于試驗探索對DEM高程精度的極致要求，以及攔沙壩現(xiàn)場毛草叢生、溝壑深、暴雨急流造成的沖擊地洞多等情況，DEM數(shù)據(jù)處理時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——用無人機攝影測量方法進行DEM的生產(chǎn)更優(yōu)。

3.三維模型質(zhì)量評價

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

圖2 爾庫溝1號小型壩三維模型（壩體位置）

4.DEM和DOM精度檢查

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

表1 部分攔沙壩DOM、DEM數(shù)學(xué)精度檢測表

四、結(jié) 論

經(jīng)基準點、像控點和檢查點外業(yè)測量，結(jié)合當下多種傾斜攝影設(shè)備和機載激光雷達設(shè)備數(shù)據(jù)采集，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理，在60 m飛行高度下，機載激光雷達方式攔沙壩數(shù)據(jù)底板平面精度為±0.05 m，高程精度為±0.10 m；在90 m飛行高度以上時，激光雷達點云分層不明顯，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。90 m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±0.04 m，高程精度為±0.05 m，可認為是當前技術(shù)手段數(shù)據(jù)底板建設(shè)能達到的優(yōu)良精度。機載激光雷達和傾斜攝影的方式均滿足L3級攔沙壩數(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。