利用DEM進行斷面測量在河道劃界中的應用

楊立志

(甘肅省地圖院，甘肅 蘭州 730000)

為全面落實河湖長制重點任務，建立范圍清晰、權(quán)屬明晰、責任落實的河湖管理保護責任體系，推動河湖長制加快從“有名”向“有實”轉(zhuǎn)變，按照《水利部關于加快推進河湖管理范圍劃定工作的通知》(水河湖〔2018〕314號)文件要求，啟動全省河湖管理范圍劃定工作。甘肅省水利廳印發(fā)了《甘肅省水利廳關于開展河湖管理范圍劃定工作的通知》(甘水河湖發(fā)〔2019〕26號)，明確了工作目標、工作任務、組織形式、工作要求，到2020年底全面完成河湖管理及保護范圍劃定工作。河道劃界主要任務是確定河道的管理范圍及保護范圍，而劃界的難點是無堤防的河道管理范圍的劃定。無堤防的河道，無治理規(guī)劃時，管理范圍按歷史最高洪水位或者設計洪水位確定，所以通過水文分析計算，確定歷史最高洪水位或者設計洪水位與兩岸陸域的交界線，也就確定了河道管理范圍線。水文分析計算中控制斷面的選取及測量在劃界工作中占比較重，采用傳統(tǒng)的外業(yè)測量斷面的模式無法滿足劃界工作的時間節(jié)點要求。如何短時間內(nèi)完成滿足水文分析計算需要的斷面測繪成果，是一大挑戰(zhàn)。本文以興隆峽河劃界為例，利用無人機航測技術(shù)生成DEM，從河道DEM獲取及斷面選取到結(jié)果精度分析，總結(jié)一套快速獲取斷面的方法，為河道劃界順利完成提供了時間保障。

1 測區(qū)概述

興隆峽河為宛川河上游南部一級支流，發(fā)源于甘肅省榆中縣南部馬啣山，源地海拔高程3 668 m，流域面積146 km2,河長30.5 km。流向大致從西南至東北，貫穿興隆山自然保護區(qū)，流經(jīng)郝家莊、張家莊，穿過榆中縣城后于三角城下游4.5 km匯入宛川河。本次河道劃界范圍從興隆山村至入河口，全長約16 km。

甘肅衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準站網(wǎng)(簡稱GSCORS)已覆蓋本項目區(qū)域，該系統(tǒng)能實時提供2000國家大地坐標系成果服務。

2 河道劃界標準及內(nèi)容

2.1 劃界標準

河道劃界主要是確定河道的管理范圍線及保護范圍線，河道有無堤防,劃界標準也不一樣。有堤防的河道管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地(包括可耕地、林地等)、行洪區(qū)、兩岸堤防及護堤地。無堤防的河道，有治理規(guī)劃時，管理范圍按兩岸規(guī)劃的護堤地外邊界線之間的區(qū)域確定；保護范圍自緊鄰規(guī)劃的護堤地邊界線計起。無治理規(guī)劃時，按歷史最高洪水位或者設計洪水位確定[1]。

2.2 劃界工作內(nèi)容

2.2.1 資料收集

全面收集河道有關水文氣象資料、生態(tài)環(huán)境資料、相關政策法規(guī)、測繪資料、大比例尺地形圖及優(yōu)于1 m分辨率衛(wèi)星影像等，進行系統(tǒng)的整理分析，為河道管理范圍劃定提供資料基礎。

2.2.2 測繪產(chǎn)品生產(chǎn)

在基礎資料收集的同時，進行測繪數(shù)據(jù)的采集及測繪產(chǎn)品的制作。主要包括：1:2 000正射影像圖、1:2 000數(shù)字高程模型、河道斷面測量、1:2 000地形圖制作等。

2.2.3 橫縱斷面選取

根據(jù)生產(chǎn)的正射影像及數(shù)字高程模型，選取斷面并生成斷面圖。斷面的布設位置應考慮干流河口、主要支流匯合口下游的順直河段、水文站控制斷面、攔河建筑物等。優(yōu)先選擇批復報告中已有斷面，無法搜集的則補測斷面。

2.2.4 水文分析計算確定管理及保護范圍線

在復核水文站和主要控制斷面設計洪水的基礎上，根據(jù)流域特點進行控制斷面的設計洪水計算，根據(jù)所在區(qū)段上游流域面積大小選用《甘肅暴雨洪水圖集》中的瞬時單位線法或推理公式法、實測資料面積比擬法計算不同頻率的洪水流量，再通過布設相應比例尺的斷面，采用曼寧公式計算出對應的設計洪水位線，從而確定河道管理范圍線。

2.2.5 界樁、標識牌埋設

在確定的管理范圍線上埋設界樁，界樁沿河道兩岸平均間距200 m布設一個，管理范圍走向發(fā)生變化處，應加設界樁，以能反應管理范圍變化為宜。

3 技術(shù)流程

3.1 技術(shù)路線

隨著技術(shù)發(fā)展成熟，無人機生產(chǎn)成本大幅降低，在各個領域無人機都得到了廣泛應用，特別是在現(xiàn)代測繪領域，無人機顛覆了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)模式[2]，通過無人機獲取測區(qū)高分辨率影像數(shù)據(jù)，利用軟件進行數(shù)據(jù)預處理、空三加密，在空三加密的基礎上，通過匹配算法獲得測區(qū)密集點云，對點云進行處理，智能濾除非地面點，并生成DEM。利用無人機高分辨率正射影像進行斷面的布設工作，基于生成的DEM提取各斷面高程值，生成河道斷面圖。本次航飛使用縱橫CW-15無人機，采用CA102正射相機，相機焦距：35.276 243 mm，像素數(shù)：7 925×5 304，像素尺寸：0.004 515 mm，航攝范圍覆蓋整個河道測區(qū)，完全滿足河道劃界的需求。

3.2 斷面成果獲取流程

河道斷面測量是河道地形測量的主要內(nèi)容，包括縱斷面測量及橫斷面測量；斷面測量是對沿某一方向剖面的地形起伏進行的高程測量工作；在劃界工作中，ArcGIS軟件平臺展現(xiàn)了其強大的地理信息處理、數(shù)據(jù)存儲及平面展示能力，ArcGIS的應用極大地提高了工作效率，提升工作質(zhì)量，成為河道劃界工作得力的工作助手[3-5]。本次斷面測量成果基于ArcGIS軟件采用DEM提取高程值方法獲得，所以獲得滿足要求的河道DEM數(shù)據(jù)及斷面的選取是關鍵。

3.2.1 DEM獲取及精度評價

DEM是建立地面模型的一種可靠數(shù)據(jù)，要獲得高精度的DEM，不僅要求影像有較高的地面分辨率，還要有較高的飛行質(zhì)量[6]。在空三加密結(jié)果滿足規(guī)范要求的基礎上，通過軟件匹配算法獲取河道的密集點云，對點云數(shù)據(jù)進行點云分類、去除飛點、去除噪聲點、去除非地面點等操作，處理生成DEM，如圖1所示。

圖1 DEM生產(chǎn)流程

本測區(qū)河道長度約為16 km，測區(qū)寬度約為330 m，采用GSCORS實測66個外業(yè)檢測點,并轉(zhuǎn)換為正常高，檢測點均勻分布測區(qū)范圍。經(jīng)檢測，數(shù)字高程模型精度滿足規(guī)范要求[7]。高程精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 數(shù)字高程模型精度統(tǒng)計

3.2.2 斷面的選取

首先，獲得河道里程線，在河道干流河口、支流匯合口下游順直河段、水文站控制斷面、攔河建筑物等地方布設斷面，斷面布設盡可能和河道走向保持一致。結(jié)合高分辨率正射影像選取橫斷面時，如圖2所示,應注意以下方面：

圖2 斷面選取示意圖

(1)斷面長度大于河道寬度，能表示河道起伏即可；

(2)河道彎曲處加設斷面以保證與河道走向一致；

(3)避免選取在樹木遮擋處；

(4)河道穿房區(qū)時，盡量選取在無建筑物處。

3.2.3 斷面生成

(1)斷面選取完成后，在ArcGIS軟件中加載斷面線并套合高分辨率影像，便于在斷面線上選點。在ArcGIS軟件中新建“.shp”文件，開啟捕捉功能，在選取斷面線上每隔1～2 m取一點，點越密集越能反應河道斷面起伏情況，如圖3所示。

圖3 斷面點選取示意圖

(2)基于ArcGIS軟件中“Spatial Analyst Tools”提取分析中的“值提取至點”功能，利用已選取的shp點提取斷面點的高程值，該功能主要是基于點要素提取柵格的像元值，并將這些值記錄到輸出要素類的屬性表。如圖4所示，輸入點要素為已選取的shp點，輸入柵格為河道的DEM(DEM數(shù)據(jù)格式為tif)，輸出點要素為斷面點對應的高程值文件。通過此功能完成斷面點的高程賦值，是斷面生成最關鍵的操作。

圖4 斷面點提取高程值界面

(3)利用Cass9.1軟件完成斷面圖生成。首先在ArcGIS軟件中將輸出的點要素添加字段“X”“Y”,并計算幾何得到“X”“Y”的坐標值，這樣就得到了斷面點的X坐標、Y坐標、高程Z的值。其次需要把斷面點的“.dbf”文件轉(zhuǎn)換為Cass9.1所需的“.dat”文件,利用Excel軟件及記事本可以進行轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換后斷面點的高程數(shù)據(jù)展入Cass9.1中，利用工程應用中“斷面圖功能”生成斷面圖。

4 對比分析

4.1 斷面對比分析

本項目采用DEM數(shù)據(jù)格網(wǎng)尺寸為1 m，斷面的生成間距為2 m，橫向比例尺1:500，縱向比例尺1:100，同一個斷面采用斷面實測法和DEM斷面法進行比較，對比情況如圖5所示。

圖5 斷面實測高程與DEM提取高程生成的斷面圖對比

從圖5對比情況可以看出，實測高程生成的斷面和DEM提取高程生成的斷面基本一致。另對里程所對應的地面高程進行比較，兩種方法高程相差最大0.33 m，最小僅有0.01 m，如表2所示，完全符合規(guī)范的要求。

表2 實測法與DEM法生成斷面各里程高程值對比分析/m

4.2 工作優(yōu)勢

本次河道長度約16 km，共選取橫斷面123個，如果采用外業(yè)實測斷面方式作業(yè)，1個作業(yè)組2人每天只測10個斷面左右，測完整條河道的斷面約13天。采用結(jié)合高分辨率影像及DEM提取高程方式的作業(yè)方法，只需1天時間就能完成斷面生成的高程數(shù)據(jù)準備工作，利用該方式有效避免了外業(yè)實測斷面與河道里程線不垂直的問題。所以對于河道斷面測量，選用恰當?shù)墓ぷ鞣桨负头椒╗8]會事半功倍。

表示河道斷面的高程點越多，生成的斷面圖越細致，越能反應河道的剖面情況。外業(yè)實測時高程點越多，工作量越大，時間越長，對項目成本消耗越大。而利用DEM提取方式則不需考慮這些情況，提取點的密度結(jié)合斷面起伏情況而定，該方法在時間成本上也有很大優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

利用無人機影像匹配點云技術(shù)[9]，通過點云數(shù)據(jù)獲取DEM，基于DEM提取高程點，內(nèi)業(yè)生成河道斷面的作業(yè)方法，縮短了工作周期、節(jié)約成本，提高了生產(chǎn)效率，為河道劃界工作按時保質(zhì)完成提供了保障，同時也摸索出了一條在河道斷面測量工作中高效可行的技術(shù)流程。

基于DEM提取高程點進行斷面測量在河道劃界工作中也有不足之處。河道個別區(qū)域存在樹木，影響對地形的判斷，DEM精度不高[10]，可能對劃界工作斷面精度產(chǎn)生影響，此時斷面如必須選在此處時，需外業(yè)進行實測以保證斷面精度；而地勢相對平坦開闊處，DEM精度能滿足規(guī)范要求。隨著科學技術(shù)快速發(fā)展，各種傳感器越來越先進，獲取DEM精度越來越高,DEM會逐漸應用于各類工程項目。