斷面測(cè)量數(shù)據(jù)融合技術(shù)在水利水電工程勘測(cè)中的應(yīng)用

張學(xué)超 劉文波 孫翊博

傳統(tǒng)斷面測(cè)量方法有水準(zhǔn)儀“皮尺法”、方向架加“抬桿法”、經(jīng)緯儀視距法、全站儀法等。這其中共包括兩部分工作內(nèi)容，第一是野外數(shù)據(jù)采集；第二是內(nèi)業(yè)整理。此方法周期長(zhǎng)、精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)工。隨著科技的發(fā)展，測(cè)量?jī)x器雖有更新，但對(duì)工作效率無(wú)明顯改善。

就目前項(xiàng)目開(kāi)展情況來(lái)說(shuō)，工期緊任務(wù)重是水利水電設(shè)計(jì)的常態(tài)。如何利用好前期有限的基礎(chǔ)資料，超前完成滿足精度的斷面測(cè)量是目前所面臨的難題。在項(xiàng)目開(kāi)展的初期，我們能夠先搜集到一部分比較粗略或時(shí)間比較久遠(yuǎn)的地形圖、谷歌影像圖、三維數(shù)據(jù)等。但所形成的斷面信息還遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)需求，仍需要測(cè)量人員深入到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。這也造成了大量基礎(chǔ)資料的浪費(fèi)。為解決這一現(xiàn)象，將各種測(cè)量數(shù)據(jù)融合，綜合分析形成斷面測(cè)量繪圖數(shù)據(jù)是至關(guān)必要的。

斷面測(cè)量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，旨在軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，先對(duì)多形式的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再根據(jù)需要有針對(duì)性的對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這種方法，大大減少了斷面測(cè)量所需要的時(shí)間，使斷面測(cè)量成果數(shù)據(jù)及圖件輸出變得更高效、更便捷、更智能化，極大地降低人工干預(yù)出錯(cuò)率，提高了成果質(zhì)量及精度[1-3]。

1 研究思路

1.1 數(shù)據(jù)融合思路

實(shí)現(xiàn)斷面測(cè)量數(shù)據(jù)融合就是采用“先內(nèi)業(yè)，后外業(yè)，再內(nèi)業(yè)”的工作模式，對(duì)斷面信息上的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，再綜合分析生成斷面圖。

“先內(nèi)業(yè)”指針對(duì)前期搜集到的相關(guān)參考資料，如CAD地形圖件、三維實(shí)景模型、谷歌影像圖、數(shù)字高程模型（DEM）等，進(jìn)行預(yù)分析處理，預(yù)先提取斷面點(diǎn)的預(yù)處理數(shù)據(jù)。

“后外業(yè)”指在野外利用測(cè)量?jī)x器設(shè)備等對(duì)內(nèi)業(yè)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合驗(yàn)證，并補(bǔ)充預(yù)處理過(guò)程中沒(méi)有采集到的信息，如地形地貌有變化部分、樹(shù)林遮擋部分、水下地形部分等。

“再內(nèi)業(yè)”指在野外現(xiàn)場(chǎng)工作結(jié)束后，利用開(kāi)發(fā)軟件，將預(yù)處理數(shù)據(jù)與野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而得到1套完整的斷面測(cè)量數(shù)據(jù)。

這樣的作業(yè)流程可有效解決內(nèi)外業(yè)測(cè)量信息不對(duì)稱(chēng)造成的重復(fù)性工作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的信息丟失等問(wèn)題，使外業(yè)工作周期大幅度縮短，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低。

1.2 軟件研發(fā)思路

數(shù)據(jù)處理主要利用Excel VBA 二次開(kāi)發(fā)編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)“宇博斷面處理助手”軟件，將室內(nèi)采集數(shù)據(jù)與野外采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，通過(guò)軟件對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行融合整理歸類(lèi)，形成特定格式的繪圖數(shù)據(jù)。

再利用AutoCAD lisp 二次開(kāi)發(fā)編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)“斷面圖繪制”插件，實(shí)現(xiàn)繪圖數(shù)據(jù)到“斷面圖”的轉(zhuǎn)換。

這種方法使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的分析整理及圖件的成果處理與輸出變得更加標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，提高了工作效率，降低了出錯(cuò)率。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集方案

水利水電項(xiàng)目不同勘測(cè)階段，對(duì)斷面測(cè)量的精度要求不同，需要有選擇性地使用有效底圖。底圖來(lái)源可以有多種，例如CAD 圖件數(shù)據(jù)、谷歌影像圖、數(shù)字高程模型DEM、三維實(shí)景模型等。這些底圖數(shù)據(jù)的提取方法如下。

2.1.1 CAD圖件數(shù)據(jù)

可利用自主研發(fā)的斷面點(diǎn)提取插件或南方CASS等軟件，在CAD圖件上直接提取斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)保存成*.dat格式。

2.1.2 谷歌數(shù)據(jù)

在缺乏地形圖資料的情況下，也可以通過(guò)下載工程區(qū)的谷歌影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，通過(guò)配準(zhǔn)糾正后疊加到AutoCAD中（如圖1所示），再利用斷面點(diǎn)提取插件或者南方CASS等軟件提取斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖1 疊加至CAD中的谷歌數(shù)據(jù)

2.1.3 三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的水電項(xiàng)目會(huì)借助三維實(shí)景模型了解工程區(qū)的工程地質(zhì)條件。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建立的三維實(shí)景模型，能夠很好地實(shí)現(xiàn)“把野外現(xiàn)場(chǎng)搬回家”的作業(yè)模式。三維實(shí)景模型成圖后如圖2所示。有了實(shí)景模型后，利用中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司自主開(kāi)發(fā)的HydroGeo3D 軟件可在三維模型上提取斷面線和斷面點(diǎn)三維數(shù)據(jù)。但需注意的是，HydroGeo3D 軟件提取的三維數(shù)據(jù)為Excel 文件格式，還需要將其轉(zhuǎn)換為*.dat格式才能成為數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 某工程三維實(shí)景模型

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案

基于數(shù)據(jù)融合的目的，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中主要可以采用碎部點(diǎn)測(cè)量的方法。水利水電工程多數(shù)位于高山峽谷地區(qū)，橫剖面方向地形變化大，山體陡峭，測(cè)量難度較高。按碎部點(diǎn)的模式采集數(shù)據(jù)，具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）一次架基站可以測(cè)量多條斷面，減少了多次架設(shè)基站所需要的時(shí)間。

（2）可以多人分小組同時(shí)進(jìn)行，在斷面線上可不按順序隨意采集數(shù)據(jù)，避免了障礙物阻擋（比如跨河測(cè)量時(shí)）等造成的不便。

（3）斷面測(cè)量點(diǎn)平面誤差和高程誤差均是獨(dú)立的，避免了測(cè)量點(diǎn)多次轉(zhuǎn)點(diǎn)造成的誤差積累。

（4）斷面測(cè)量點(diǎn)可為測(cè)繪帶狀地形圖提供測(cè)圖數(shù)據(jù)或?yàn)楹笃诘膬?nèi)業(yè)質(zhì)量檢驗(yàn)提供檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，做到一測(cè)多用。

3 融合處理軟件的開(kāi)發(fā)與操作

利用Excel VBA 與AutoCAD lisp 語(yǔ)言，對(duì)Excel和CAD 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，得到“宇博斷面助手軟件”與“斷面圖繪制”的插件。操作方法主要分為以下幾步[4-5]：

（1）分群數(shù)據(jù)的編輯。

（2）分群數(shù)據(jù)導(dǎo)入“宇博斷面助手軟件”。

（3）融合處理，異常點(diǎn)判斷。

（4）生成準(zhǔn)確的繪圖數(shù)據(jù)。

（5）將繪圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD之中，利用“斷面圖繪制”插件形成標(biāo)準(zhǔn)化的斷面圖。

3.1 分群文件編輯格式

剖面的分群文件格式是固定的，命名有以下幾個(gè)原則：

（1）斷面名由標(biāo)識(shí)符“DM”和“斷面名稱(chēng)”組成，且單獨(dú)成行。

（2）數(shù)據(jù)信息的編寫(xiě)方法為“點(diǎn)名，編碼，橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)，高程”的順序文件，不能錯(cuò)亂編寫(xiě)。

（3）為校正剖面方向是否準(zhǔn)確，在每個(gè)斷面分群數(shù)據(jù)中，定義一個(gè)“基點(diǎn)”和一個(gè)“定向點(diǎn)”，數(shù)據(jù)編號(hào)用“jd”和“dx”來(lái)表示。

（4）為驗(yàn)證內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，可在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中對(duì)斷面上高程突變的陡坎、水邊線等位置采集數(shù)據(jù)信息，并在編號(hào)上進(jìn)行標(biāo)記，來(lái)驗(yàn)證斷面數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（5）編輯后的數(shù)據(jù)文件格式必須為*.dat格式。

3.2 斷面成果及圖件輸出

經(jīng)過(guò)融合、異常點(diǎn)判斷后，得到繪圖數(shù)據(jù)。這其中包含了斷面的名稱(chēng)、方位、基點(diǎn)坐標(biāo)、已經(jīng)融合處理后的斷面高程、水平距離等信息。其中，還在斷面上的一些界線點(diǎn)做了標(biāo)記，這對(duì)后期地質(zhì)人員進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪有著重要的意義。完整的斷面繪圖數(shù)據(jù)輸出后，將其導(dǎo)入AutoCAD中，利用“斷面圖繪制”插件生成滿足使用需求的斷面測(cè)量圖，如圖3所示。

圖3 斷面圖件

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用斷面測(cè)量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，變革傳統(tǒng)的斷面測(cè)量數(shù)據(jù)采集依賴(lài)野外現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)方式，將多種手段獲得的斷面數(shù)據(jù)融合在一起，提高了斷面測(cè)量的工作效率與準(zhǔn)確率。

（2）利用Excel VBA 與AutoCAD lisp 二次開(kāi)發(fā)編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)“宇博斷面處理助手”軟件與“斷面圖繪制”插件，實(shí)現(xiàn)了斷面繪圖數(shù)據(jù)的批量輸出，并能在CAD中生成符合《水利水電工程制圖標(biāo)準(zhǔn)》要求的圖件。

（3）斷面測(cè)量融合后的數(shù)據(jù)成果對(duì)地質(zhì)人員的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪工作有著指導(dǎo)意義

（4）斷面測(cè)量數(shù)據(jù)融合技術(shù)，大大減少了測(cè)量人員的外業(yè)工作成本，實(shí)現(xiàn)了斷面測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化的操作模式。