水下地形探測(cè)與變化模擬方法研究

鄭淑倩，楊青萍，劉犀力，駱旭佳

（1.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司，浙江 杭州 310014）

多波束測(cè)深系統(tǒng)是由單頻測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展而來的，一種具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形測(cè)量新技術(shù)[1]。單波束測(cè)深過程采用單點(diǎn)連續(xù)測(cè)量方法，測(cè)線上的測(cè)深數(shù)據(jù)十分密集，而在兩測(cè)線之間沒有數(shù)據(jù)，是一種非覆蓋型測(cè)量[2]，從而導(dǎo)致最終采集的數(shù)據(jù)不具代表性以及漏采集部分特征點(diǎn)。多波束則將測(cè)深技術(shù)從原先的點(diǎn)、線狀推展到面狀，測(cè)量范圍大、速度快且精度高。多波束測(cè)深一次的數(shù)據(jù)采集量較大，通?？蛇_(dá)百萬(wàn)級(jí)，無(wú)法直接用于構(gòu)建地形，因此如何做好多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理工作是關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)的研究主要集中在杭州海洋二所、大連艦艇學(xué)院以及武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院[3]；但就多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的加工、集中管理方面，還沒有一套現(xiàn)成的具有商品化水平的多波束數(shù)據(jù)后處理成圖軟件和數(shù)據(jù)管理軟件能為國(guó)內(nèi)用戶提供滿意的解決方案[4]。

多波束數(shù)據(jù)處理技術(shù)的滯后直接阻礙了其在水下工程應(yīng)用中的推廣。目前，沖刷淤積監(jiān)測(cè)評(píng)估大多仍采用斷面計(jì)算法和等高線容積法，前者以每隔一定距離的斷面特征曲線為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過比較不同時(shí)期的曲線變化確定各斷面位置沖刷淤積面積，將相鄰斷面構(gòu)成的區(qū)域視為梯形體，再分別對(duì)各區(qū)域沖刷體積、淤積體積求和作為整個(gè)研究范圍的沖刷淤積量；后者則按不同高程面將水體細(xì)分成n層梯形體，計(jì)算得到每層體積，再將特征水位對(duì)應(yīng)高程以下的每層體積求和作為各特征水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容，然后通過前后兩次庫(kù)容求差得到對(duì)應(yīng)的沖刷淤積量，若為正值則認(rèn)為泥沙淤積，反之則泥沙被沖刷。楊立晉[5]等運(yùn)用等高線容積法計(jì)算了黃羊泉水庫(kù)2007～2010年的泥沙淤積量，結(jié)果準(zhǔn)確度有所提高，具有較強(qiáng)的參考意義。但上述研究方法中均存在一定弊端，斷面計(jì)算法較適用于拐彎較少、叉河較少的線形區(qū)域，結(jié)果精度直接取決于斷面布設(shè)的密度；等高線容積法只能獲取整個(gè)庫(kù)區(qū)的沖刷量或淤積量，無(wú)法分別估算，且當(dāng)測(cè)量的等高線不閉合時(shí)，計(jì)算工作量巨大，難以在短時(shí)間內(nèi)完成。事實(shí)上，若能采用有效的手段對(duì)多波束采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證特征點(diǎn)密度合理、位置分布均勻，以此構(gòu)建的水下地形既直觀又具有較高的精度。同時(shí)，利用GIS強(qiáng)大的空間分析和空間數(shù)據(jù)庫(kù)功能，提供了其他研究手段難以解決的水下地形沖淤演變、空間分布和計(jì)算結(jié)果可視化等工具[6]，為研究水下地形的變化規(guī)律以及做好水利設(shè)施的安全維護(hù)提供了重要技術(shù)保證。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣與四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，為金沙江中游河段規(guī)劃的8個(gè)梯級(jí)電站的最末一個(gè)梯級(jí)，上游與魯?shù)乩娬鞠嚆暯?。電站壩址位于塘壩河河口上游云南、四川兩省交界的河段上，河段長(zhǎng)約3 km。壩址內(nèi)，河道呈弓背型，向西凸出，河流由北西向流入后轉(zhuǎn)為北東向流出（圖1）。

本文以2013年、2014年壩址區(qū)多波束水下地形掃測(cè)結(jié)果為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用丹麥Reason公司生產(chǎn)的SeaBat 7125 SV2 全功能高效版多波束測(cè)深儀，其主要性能參數(shù)見表1[7]。

圖1 研究區(qū)概況

表1 SeaBat性能參數(shù)說明表

2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

2.1 多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理技術(shù)

預(yù)處理是對(duì)所有多波束測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的初步整理，主要包括剔除異常點(diǎn)、稀釋冗余點(diǎn)和平滑等步驟，其目的是在保證數(shù)據(jù)精度的前提下，最大程度地稀釋點(diǎn)云密度，使最終構(gòu)建的DEM能真實(shí)反映水下地形空間變化特征（圖2）。

1）格網(wǎng)劃分。將實(shí)驗(yàn)區(qū)按照指定的格網(wǎng)密度進(jìn)行劃分，判斷各點(diǎn)所在格網(wǎng)的索引號(hào)。在此基礎(chǔ)上，以格網(wǎng)內(nèi)所有點(diǎn)為操作對(duì)象，采用多線程并行技術(shù)遍歷所有格網(wǎng)執(zhí)行后續(xù)操作。一方面，各格網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)數(shù)據(jù)量是有限的，一般計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境均可支持程序的正常運(yùn)行；另一方面，多線程并行技術(shù)可使多個(gè)格網(wǎng)同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算流程，互不干擾，大大提高了數(shù)據(jù)處理效率。

2）異常點(diǎn)剔除。大數(shù)據(jù)集通常滿足正態(tài)分布規(guī)則，離期望值μ越近，異常可能性越?。环粗?，則異?？赡苄栽酱?。因此，程序?qū)⒙湓谥眯艆^(qū)間以外的點(diǎn)視為異常點(diǎn)并予以剔除。

3）點(diǎn)云密度稀釋。點(diǎn)密度過大將直接導(dǎo)致DEM無(wú)法生成或程序運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，生成的結(jié)果不夠連續(xù)，視覺效果差。如何在滿足精度要求的前提下，最大限度地稀釋點(diǎn)云，本文采用(X,Y,Z)三維坐標(biāo)來標(biāo)識(shí)各點(diǎn)，并依據(jù)集聚統(tǒng)計(jì)分析方法建立決策對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行分類，按其相似性將所有點(diǎn)的空間分布分割或合并成一群。對(duì)于落在同一群的點(diǎn)可按一定比例進(jìn)行隨機(jī)抽樣，最終保留的點(diǎn)空間分布均勻且代表性強(qiáng)，可作為構(gòu)建水下DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

經(jīng)測(cè)試，該算法可在32 s內(nèi)完成400萬(wàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作。

圖2 多波束數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

2.2 壩前淤積與壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)

壩前淤積與壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)是一款集成了多波束數(shù)據(jù)成圖，水下三維場(chǎng)景構(gòu)建與展示，庫(kù)容、沖刷淤積等重要信息自動(dòng)分析等多種功能的綜合管理軟件。系統(tǒng)分為4個(gè)功能區(qū)（圖3）：

1）數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊主要包括多波束數(shù)據(jù)入庫(kù)和水下地形成圖。經(jīng)過預(yù)處理的多波束數(shù)據(jù)可由系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，并按照“一期一表”的原則進(jìn)行管理。水下地形成圖包括調(diào)用數(shù)據(jù)表、生成點(diǎn)shp文件、構(gòu)建TIN以及輸出DEM等步驟。系統(tǒng)繼承了“一鍵式”的概念，將上述步驟整合成一個(gè)功能，大大簡(jiǎn)化了操作流程。

2）基本操作模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)圖形數(shù)據(jù)的二三維瀏覽和屬性查詢等。

3）二維分析模塊。該模塊提供對(duì)各類數(shù)據(jù)的空間分析操作，以獲取可靠有用的專題信息，包括緩沖區(qū)分析、疊加分析等。其中，剖面分析是最具特色的，程序支持任何斷面位置高程、坡度等信息的快速獲取，并可對(duì)同一位置不同時(shí)刻的高程（坡度）變化曲線進(jìn)行比對(duì)，以便掌握水下地形的變化過程。

4）三維展示與分析模塊。DEM數(shù)據(jù)可依據(jù)高程因子，配以適當(dāng)?shù)目鋸埾禂?shù)，達(dá)到最佳的三維顯示效果。系統(tǒng)支持水下三維地形沿指定線路漫游，用戶可全方位多角度地瀏覽其地理變化特征。此外，該模塊提供了強(qiáng)大的沖淤分析功能，不僅可快速準(zhǔn)確地獲取沖刷淤積量，更能直觀地瀏覽沖刷區(qū)、淤積區(qū)的空間分布情況。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

3 功能應(yīng)用與成果展示

系統(tǒng)已投入觀音巖水電站試用，本文以水電站樞紐區(qū)2013年、2014年水下多波束點(diǎn)云為數(shù)據(jù)源，完成了水下地形建模（圖4）。經(jīng)驗(yàn)證，模型精度達(dá)到三維仿真要求，并可用于沖刷淤積、庫(kù)容等重要信息的自動(dòng)提取。

圖4 水下地形與大壩疊加的三維顯示效果

3.1 沖刷淤積分析

本文采用地形計(jì)算法分析了水電站樞紐區(qū)2013～2014年水下沖刷淤積變化情況（沖刷淤積量=后一次生成的DEM-前一次生成的DEM），若單元格為正值，則表明泥沙淤積，反之為泥沙被沖刷。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，研究區(qū)以泥沙淤積為主，淤積量達(dá)96.25 萬(wàn) m3，占總面積的12.49%，且集中分布在地勢(shì)較低的庫(kù)區(qū)底部（圖5）；沖刷量則較少，僅有5.06 萬(wàn) m3，占總面積的2.88%。

圖5 沖刷淤積區(qū)空間分布圖

3.2 庫(kù)容曲線繪制

庫(kù)容曲線是表示水位與其相應(yīng)庫(kù)容關(guān)系的曲線，以水位為縱坐標(biāo)，庫(kù)容為橫坐標(biāo)繪制而成，是水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理調(diào)度的重要依據(jù)。目前，在調(diào)洪演算時(shí)發(fā)現(xiàn)我國(guó)絕大部分水庫(kù)存在水量不平衡問題，其主要原因?yàn)閹?kù)容曲線精度不高，而水下DEM的精度直接影響了庫(kù)容統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性。本文以預(yù)處理后多波束點(diǎn)云構(gòu)建的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過調(diào)用ArcEngine提供的庫(kù)容計(jì)算接口，分別統(tǒng)計(jì)了觀音巖水電站樞紐區(qū)2013年、2014年投影面積以及庫(kù)容隨水位的變化情況（圖6、表2）。

圖6 水位—面積、水位—庫(kù)容關(guān)系曲線圖

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，低水位區(qū)域庫(kù)容隨水位的變化較緩慢，而高水位區(qū)域庫(kù)容隨水位的增長(zhǎng)呈直線上升趨勢(shì)。從時(shí)間尺度來看，2014年的庫(kù)容與投影面積比2013年均有所減少，證明了研究區(qū)在2013～2014年以泥沙淤積為主要現(xiàn)象這一論點(diǎn)。

表2 投影面積、庫(kù)容隨水位變化表（部分結(jié)果）

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一套切實(shí)可行的多波束數(shù)據(jù)預(yù)處理與應(yīng)用方法，在稀釋點(diǎn)密度時(shí)綜合考慮了平面位置和高程信息，使得最終保留的點(diǎn)空間分布均勻，以保證構(gòu)建的DEM能最真實(shí)地還原水下地形特征。該方法在觀音巖水電站樞紐區(qū)進(jìn)行了試用，并分析了2013～2014 年樞紐區(qū)水下地形變化過程。從運(yùn)行結(jié)果來看，自動(dòng)提取的沖刷淤積、庫(kù)容等重要信息是可靠的，且該系統(tǒng)具有工作效率高、工作強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)。

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