水庫水陸一體化三維模型構(gòu)建與展示

韓 紅，周興華，鄒宏亮，羊海東

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江 杭州 310017）

0 引 言

隨著水利數(shù)字化改革的深入推進，智慧水利建設(shè)和數(shù)字孿生流域建設(shè)成為水利高質(zhì)量發(fā)展的新任務(wù)，對水利管理決策與展示方法提出新要求。利用無人機遙感技術(shù)建模已經(jīng)實現(xiàn)實景三維模型的展示與應(yīng)用[1-3]；通過單波束、多波束測深儀獲取水下地形數(shù)據(jù)，建立水下三維地形模型，在水利工程中得到廣泛應(yīng)用[4-5]。本文提出利用多源數(shù)據(jù)（陸域三維模型和水下三維仿真模型）進行無縫融合，搭建水庫水陸一體化三維成果展示系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的單一方式建模具有模型全面、空間可視化直觀的優(yōu)勢，為數(shù)字孿生流域建設(shè)提供時空數(shù)據(jù)底座，對物理流域全要素和水利治理管理活動進行全過程的數(shù)字化映射、智能化模擬，實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。

1 水陸三維模型構(gòu)建方法

1.1 陸域及水下建模

水陸一體化實景三維建模的數(shù)據(jù)源可分為陸域和水下2部分。陸域部分以無人機采集的傾斜數(shù)據(jù)為主，輔以近景測量技術(shù)和絕對定位（控制點），通過專業(yè)三維建模軟件，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、點云區(qū)配、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理貼圖等工序，生成實景三維模型。水下部分主要為單波束或多波束采集的水下地形數(shù)據(jù)，通過高程點轉(zhuǎn)換、DTM（數(shù)字地面模型）法構(gòu)建TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）模型。

1.2 水陸三維模型數(shù)據(jù)融合

水陸三維模型數(shù)據(jù)融合分為水陸DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)融合和水陸三維地貌數(shù)據(jù)融合。

水陸DEM數(shù)據(jù)的融合中，陸部DEM數(shù)據(jù)通常采用高分辨率遙感影像立體測圖的成果，水部DEM 數(shù)據(jù)通常采用高精度的水深測量數(shù)據(jù)[6]。DEM數(shù)據(jù)融合時需要統(tǒng)一兩者的垂直基準，再通過建立數(shù)字金字塔的技術(shù)，按不同分辨率分層處理。

水陸三維地貌數(shù)據(jù)的融合主要通過水陸影像融合。水下地貌可以用2種方式表達：一種是反映水深變化的水下地形渲染圖，另一種是側(cè)掃聲吶鑲嵌地理數(shù)據(jù)[6]。將陸部遙感影像與水深渲染圖進行融合處理，主要是通過重采樣數(shù)據(jù)像素融合的方法，在統(tǒng)一的空間參考下，按照空間位置進行2種影像像素級別的融合。融合方法為代數(shù)運算方法，對同一像素位置的數(shù)值進行代數(shù)運算處理，例如取大值、小值或平均值等，再實現(xiàn)數(shù)據(jù)金字塔的構(gòu)建，生成不同分辨率層次的多個小數(shù)據(jù)分塊[6]。

張曉慶等[7]將水下地形模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為經(jīng)過插值的點云數(shù)據(jù)，再通過Context Capture等軟件進行水上、水下一體化融合建模。本文水陸三維模型數(shù)據(jù)融合方法主要將水下地形數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)換為具有絕對定位的高精度DEM，通過開發(fā)具有絕對定位、可量測的三維展示系統(tǒng)，將具有絕對定位的陸域三維模型和水下三維模型置于同一系統(tǒng)中，從而達到完美融合。構(gòu)建流程見圖1。優(yōu)點：①避免二次建模，大大提高作業(yè)效率；②由于數(shù)據(jù)并非一個整體，載入時數(shù)據(jù)量較少，對硬件和網(wǎng)絡(luò)的要求降低；③對后期數(shù)據(jù)增加非常友好，僅需添加即可，無需再次重新建模。缺點：對絕對精度要求較高，否則三維展示系統(tǒng)在進行精確融合時容易出現(xiàn)錯位現(xiàn)象。

圖1 水陸一體化三維模型構(gòu)建流程圖

2 應(yīng)用案例

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于浙江省溫州市瑞安市某一小型水庫。采用無人機傾斜攝影技術(shù)對水庫的主壩、樞紐區(qū)域及庫區(qū)進行原始影像數(shù)據(jù)采集和實景三維模型重建；利用實測水下地形數(shù)據(jù)，基于3DGIS構(gòu)建水下DEM；利用三維空間引擎，搭建水庫三維成果展示系統(tǒng)，實現(xiàn)水庫的水上、水下形態(tài)三維仿真展示；通過客戶端瀏覽器展現(xiàn)水庫的空間模型、基礎(chǔ)信息、工況數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)水庫三維可視化、信息查詢、預(yù)報、預(yù)警等功能，從而進一步提高對水庫調(diào)查成果的檢索和利用效率，為其綜合規(guī)劃管理利用和保護提供宏觀輔助決策支持。

2.2 水陸一體化三維模型構(gòu)建

2.2.1 水庫陸域數(shù)據(jù)采集及處理

水庫陸域采用大疆M300 RTK旋翼無人機搭載大疆Zenmuse P1相機進行傾斜影像數(shù)據(jù)采集。相機焦距為35.28 mm，行列數(shù)為8 192×5 460，水庫庫區(qū)全貌設(shè)計地面分辨率3 cm，嚴格按照地面分辨率、像素大小、航高、相機焦距的計算關(guān)系進行航高設(shè)計。

將采集的傾斜攝影航片導(dǎo)入Context Capture軟件，進行空中三角測量、像控刺點、模型重建等工序，完成水庫陸域部分模型生產(chǎn)。水庫三維傾斜模型見圖2。為實現(xiàn)三維模型可視化表達，分析模型的平面精度和高程精度，計算公式如下：

圖2 水庫三維傾斜模型圖

式中：mXY為平面中誤差，m；mZ為高程中誤差，m。

2.2.2 水庫水下地形數(shù)據(jù)及處理

水庫水域部分采用基于ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK+ODOM單頻測深儀進行無驗潮三維水深測量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。施測前使用聲速剖面儀測量測區(qū)水域的聲速，修正測深儀參數(shù)以保證數(shù)據(jù)采集精度。測點高程計算公式如下：

式中：H水底為測點高程，m；h水位為測點瞬時GNSS RTK水位，m；h水深為測點水深，m。

點數(shù)據(jù)經(jīng)過整理生成標準格式的水下地形高程數(shù)據(jù)文件，即三維點數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入ArcGIS軟件中進行水下地形數(shù)據(jù)集處理，構(gòu)建TIN模型，經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換等操作構(gòu)建水下DEM，最后輸出與陸域部分可融合的水下地形三維模型（見圖3）。

圖3 水下地形DEM模型圖

2.3 水陸一體三維模型展示系統(tǒng)構(gòu)建

平臺采用開放的系統(tǒng)架構(gòu)，前端開發(fā)工具為Visual Studio Code，后臺開發(fā)工具為IntelliJ IDEA 2020.2.4。展示系統(tǒng)使用云架構(gòu)和B/S架構(gòu)設(shè)計，可視化、響應(yīng)式的布局方式，在保障功能友好度、用戶操作體驗度、系統(tǒng)響應(yīng)流暢度、錯誤處理及時性的原則上開發(fā)建設(shè)，對接入其他業(yè)務(wù)也保持良好的開放接口。展示系統(tǒng)實現(xiàn)一庫一圖一平臺架構(gòu)（見圖4），提供專業(yè)數(shù)據(jù)庫、水庫三維場景圖和運行管理操作平臺，實現(xiàn)水庫水陸一體化實景三維展示，直觀形象、系統(tǒng)全面地掌握水庫信息，為后期水庫系統(tǒng)治理奠定良好的基礎(chǔ)，同時為數(shù)字孿生流域建設(shè)打好基礎(chǔ)。

圖4 平臺架構(gòu)圖

為了滿足管理系統(tǒng)模型加載速度的要求，對模型進行輕量化處理，以保證在平臺中流暢加載，同時將水庫水下DEM導(dǎo)入，使其與陸域模型精密融合，形成水上、水下三維場景的一體化展現(xiàn)。在系統(tǒng)中利用開發(fā)接口，接入監(jiān)測站點基礎(chǔ)信息、工程特性、水位實時過程、全景圖等數(shù)據(jù)，形成水庫水陸一體化三維監(jiān)測，同時集成瀏覽、飛行、測距、測面、剖面分析、水下等高線等功能，為水庫管理分析提供足夠的精準數(shù)據(jù)（見圖5）。

圖5 水陸一體化展示系統(tǒng)及部分功能圖

3 結(jié) 語

本文結(jié)合某水庫管理項目，簡單論述了利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)、水下測深技術(shù)以及三維空間引擎，實現(xiàn)水庫水陸一體化三維模型的構(gòu)建與展示，對多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用進行摸索與嘗試，取得較好的效果。相較于將水下地形數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換為las格式點云，再與傾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模，該方法后期工作量大為減少。展示系統(tǒng)在載入模型時可單獨載入陸域模型或水下地形模型，對硬件內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)要求大為降低，數(shù)據(jù)的載入也更快捷高效，使用戶的交互體驗更加流暢；同時該展示系統(tǒng)可布置于水利系統(tǒng)原有的水平臺，直接抓取、更新平臺數(shù)據(jù)倉中各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并發(fā)布于該展示平臺，實現(xiàn)水利管理人員查看、管理水庫信息的便捷性。后期考慮將BIM建模技術(shù)加入系統(tǒng)，以解決三維實景建模無法獲取建筑內(nèi)部設(shè)備、結(jié)構(gòu)等信息的問題，同時也可用于凌汛、防洪的推演。