實景三維模型在劃定河道管理范圍中的應用研究

陳劍波 鄧 勇，雷志龍，王 娟

（1.甘肅省地質礦產勘查開發(fā)局第四地質礦產勘查院,甘肅 酒泉 735000；2.蘭州交通大學,甘肅 蘭州730070）

討賴河發(fā)源于祁連山中段討賴掌,自青海省出冰溝口流經甘肅省嘉峪關和酒泉兩市,在金塔縣匯入黑河。本文以嘉峪關市唯一地表徑流討賴河為研究對象,根據中辦、國辦《關于全面推行河長制的意見》文件精神,采用無人機開展傾斜航攝,生產高精度實景三維地理信息模型,應用于提取堤防范圍、測量河道橫斷面、計算設計洪水水面線、核查預劃范圍,并依法劃定討賴河嘉峪關段管理范圍。滿足了全面推行河湖長制和自然資源登記的需求,推進建立了嘉峪關市“范圍明確、權屬清晰、責任落實”的河湖管理保護體系。

1 實景三維模型生產

實景三維模型生產,是按照傾斜攝影測量原理生產地理模型數據的過程?；玖鞒淌抢脽o人機開展傾斜攝影測量,實地布設像控點并采集其坐標,采用專業(yè)軟件對野外采集的數據進行預處理,獲取傾斜模型、全景影像等數據成果,在傾斜模型上對重點建筑進行單體化精細建模和模型修飾,獲取測區(qū)實景三維模型。采用無人機傾斜多鏡頭攝影方式,能夠保證所得數據更加豐富,實景三維模型呈現出的地物畫面更加清晰,三維模型的真實性更好,從而提高了三維模型的利用價值[1]。

2 河道管理范圍線劃定

河道管理范圍劃定基本技術路線為：根據河道縱橫斷面測量結果和收集的水文資料,估算洪峰流量,推算設計洪水水面線,預劃管理范圍線,經過修正和調整、實地核查測量、審核公告后,形成法定界線。

根據《河湖及水利工程土地劃界標準》（DB62/T 446-2019）[2],河道管理范圍劃定分有堤防和無堤防河道兩種情況。有堤防的河道,管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地、行洪區(qū)、兩岸堤防及護堤地；護堤地寬度從堤腳計起,根據工程級別結合當地的自然條件、歷史習慣和土地資源開發(fā)利用等情況綜合分析,1級堤防護堤地寬度為20 m～30 m,2、3 級堤防護堤地寬度為10 m～20 m,4、5 級堤防護堤地寬度為5 m～10 m。無堤防的河道,無治理規(guī)劃時管理范圍為歷史最高洪水位或設計洪水位之間的水域、沙洲、灘地和行洪區(qū)。

3 工程應用

本文利用無人機開展傾斜攝影測量,建造討賴河嘉峪關段河道高分辨率實景三維模型,在模型中提取堤防范圍、測量河道橫斷面,利用模型計算設計洪水水面線,并對預劃范圍開展核查,最終劃定了討賴河嘉峪關段管理范圍。

3.1 模型生產

（1）像控點布設及測量

像控點沿河道兩邊布設,寬度按照河岸背水面坡腳往外200 m 控制,250 m×250 m 格網式布設,并利用GPS-RTK 方式實地采集其三維坐標。

（2）傾斜航攝

測區(qū)地物多、地形較為復雜,地形分類為平地。選用飛馬D200 四旋翼無人機,搭載D-OP300 五鏡頭傾斜模塊,外業(yè)采集討賴河嘉峪關段河道影像數據。為保障后期處理影像匹配精度及三維場景真實還原效果,在地形高差允許范圍內,采用降低飛行高度或使用短焦鏡頭等手段,獲取地物側面高清紋理。

（3）實景三維模型生產

以傾斜影像為數據源,采用三維網格優(yōu)化算法,實現自動三維重建、紋理映射、連接點重構紋理和重建約束,快速建立了高精度河道實景三維模型。全自動三維建模采用多機多節(jié)點并行運算的ContextCapture Center 軟件進行,將空中三角測量后的成果數據直接提交生成三維TIN 格網構建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構建。對水域空缺或模型漏洞進行修補,采用Smart3d 軟件和水面或補飛數據進行約束干預后重新生成模型,使模型不存在漏洞。生產的局部實景三維模型見圖1。

圖1 討賴河河道局部實景三維模型

3.2 精度分析

三維模型可視化表達的要求可以用平面精度、高程精度、地形精度、DOM 精度、模型精細度以及紋理精細度六個指標來表述[3]。討賴河嘉峪關段各類數據生產采用1∶2000 成圖,根據 《三維地理信息模型數據產品規(guī)范》（CH/T 9015-2012）,采用Ⅲ級要求,即平面中誤差為0.8 m,高程中誤差為0.75 m。

三維建模精度檢測,一般通過模型特征點坐標與外業(yè)實測坐標進行比對,計算其中誤差作為檢測指標。經實際檢測,討賴河河道三維模型平面中誤差為±0.340 m,高程中誤差為±0.561 m,滿足限差。精度統計情況見表1。

表1 精度統計表 單位：m

3.3 模型應用

實景三維模型具有直觀性、精度高、可量測、信息豐富、沉浸感強等特點,在討賴河嘉峪關段管理范圍劃定中,可以精準分辨堤防范圍,便捷提取河道橫斷面,對預劃范圍進行全方位核查,減少外業(yè)工作量,同時為權屬爭議糾紛調處奠定了數據基礎。

（1）堤防范圍提取

利用實景三維模型,肉眼可清晰辨別堤防坡腳線,勾繪采集獲取堤防范圍。

（2）河道橫斷面測量

按照一般河段和水文分析計算對斷面間距的要求,以討賴河嘉峪關渠首典型斷面為K0+000,自下而上每隔1 km 測量一個一般斷面。由于討賴河兩岸過于陡峭,作業(yè)人員無法到達河道底部,在橫斷面測繪時,利用實景三維模型,通過數據讀取、高程點標繪、內業(yè)成圖的方法可直接繪制河道橫斷面。

（3）設計洪水水面線計算

討賴河嘉峪關段河道無支流匯入,自1947 年9 月開始有實測水文資料,用嘉峪關水文站實測的水位流量關系曲線,選用50 年一遇防洪標準,加以延長推算洪水的洪峰流量,利用水文比擬法計算不同斷面的設計洪水位。在實景三維模型中,根據設計洪水位,進行淹沒分析,推算淹沒區(qū)域,與地表模型交線作為設計洪水水面線。

（4）預劃范圍核查

預劃管理范圍界線后,套合實景三維模型,可以清晰地辨別管理范圍內存在的水利工程、自然資源、不動產狀況,根據核查情況,對有批準文件、權屬合法、界址清楚的河湖水域和水利工程管理范圍內的相關權利進行登記,全面建立討賴河嘉峪關段涉河現狀及工程情況統計表,修改界線范圍。同時利用實景三維模型,為下一步現場理清存在權屬爭議和糾紛的河湖水域及水利工程,也奠定了數據基礎。

（5）其他應用展望

利用實景三維模型的高精度及現勢性,結合上游水文站觀測數據,動態(tài)模擬某區(qū)域水位由最小高程漲到最大高程的淹沒過程,便于風險評估與自然災害預警工作；發(fā)生類似于洪水、泥石流等自然災害后,可將災害后的建筑物模型與災前的模型相比較、便于風險評估與修復工作；可以提供直觀的三維立體設計模型和三維宣傳視頻,也可結合VR 技術給游客帶來身臨其境直觀的感受；陳創(chuàng)威[4]等人利用實景三維模型技術、地理信息系統、機器學習算法、地質建模等技術方法,提出了基于多學科技術交叉的水利水電工程地質三維實景編錄與內外業(yè)一體化分析的解決方案。

3.4 河道管理范圍劃定

討賴河嘉峪關段河道,分為上游和下游：上游為肅南縣與嘉峪關市交界線起至嘉峪關渠首,為自然河道,無堤防也無治理規(guī)劃；下游為嘉峪關渠首段至嘉酒兩市交界線,為已經治理具有明顯堤防設施的人工整治河道。根據上文,討賴河嘉峪關段河道上游管理范圍按照設計洪水水面線劃定,下游管理范圍從堤防外坡腳向外延伸護堤地寬度劃定。討賴河嘉峪關段河道堤防工程級別為2 級,依據規(guī)范要求,城區(qū)河道護堤地不小于10 m,城外河道護堤地不大于20 m,結合堤防旁建（構）筑物分布情況,進行劃定。討賴河渠首-嘉酒分界線段管理范圍線示意圖見圖2。

圖2 部分討賴河管理范圍線示意圖

4 結語

本文利用無人機搭載航攝儀進行傾斜航攝,以討賴河嘉峪關段河道為試驗區(qū),實現了河道實景三維地理信息模型生產,在河道管理范圍劃定中開展應用。結果表明:實景三維模型能滿足河道管理范圍線劃定要求,可提高展示效果,減少外業(yè)工作量,為河道管護提供全生命周期服務。