基于多尺度DEM 一體化融合技術(shù)構(gòu)建水利樞紐三維地形技術(shù)研究與應(yīng)用

阿曼·熱夏提A MAN·Rexiati；董改改DONG Gai-gai

（①新疆維吾爾自治區(qū)烏魯瓦提水利樞紐管理局，和田 848000；②中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300202）

0 引言

研究背景和意義：

水利部黨組貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于治水重要論述精神和黨中央、國務(wù)院重大決策部署，將推進智慧水利建設(shè)作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實施路徑之一，將數(shù)字孿生流域作為數(shù)字孿生水利的核心和關(guān)鍵，先后印發(fā)《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》《“十四五”數(shù)字孿生流域建設(shè)總體方案》《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》等系列文件，組織行業(yè)內(nèi)外有關(guān)單位編制了《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》等技術(shù)文件，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，在算據(jù)方面，要求建成覆蓋全國的L1 級數(shù)據(jù)底板，主要江河流域重點區(qū)域建成L2 級數(shù)據(jù)底板，重點水利工程建成L3 級數(shù)據(jù)底板，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集率明顯提升，智能感知技術(shù)廣泛應(yīng)用，為數(shù)字孿生流域提供全面及時“算據(jù)”支撐。烏魯瓦提水利樞紐作為國家重點工程，為其建設(shè)了L2、L3 級數(shù)據(jù)底板。本文研究的技術(shù)就是數(shù)據(jù)底板的其中一種數(shù)據(jù)類型，為數(shù)字孿生烏魯瓦提水利樞紐提供“算據(jù)”支撐，并為構(gòu)建三維可視化場景提供數(shù)據(jù)底座。

本文技術(shù)研究的意義有以下幾點：①通過對不同尺度的DEM 數(shù)據(jù)融合試驗，提出了一種一體化融合方法，提高了水陸一體化三維地形模型的準(zhǔn)確性，為烏魯瓦提數(shù)字孿生工程L3 級數(shù)據(jù)底板提供支撐數(shù)據(jù)。②利用不同尺度水陸的DEM 進行融合，實現(xiàn)了三維地形模型實用性，為烏魯瓦提數(shù)字孿生工程庫區(qū)計算庫容曲線以及洪水淹沒范圍計算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。③利用不同期DEM 進行比對分析，獲得淤積嚴(yán)重和沖淤變化明顯區(qū)域的情況，為烏魯瓦提管理局管理提供數(shù)據(jù)支撐。④水陸一體化三維地形模型的可視化展示為烏魯瓦提管理局管理提供直觀地形數(shù)據(jù)，方便管理人員做出判斷決策?？傊?，本研究的意義在于提出了一種有效的方法，可以提高DEM 數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，并為水利樞紐的規(guī)劃和設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。未來可以進一步探索該技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，并完善其在實際應(yīng)用中的細節(jié)和操作流程。

研究現(xiàn)狀：

隨著水利工程的發(fā)展，對水利樞紐的地形信息需求越來越大。傳統(tǒng)的DEM 數(shù)據(jù)處理方法存在著缺陷，例如數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、缺乏準(zhǔn)確性等問題。因此，研究人員開始探索新的技術(shù)來構(gòu)建水利樞紐的三維地形模型。多尺度DEM 一體化融合技術(shù)是一種新興的方法，其基本思想是將高分辨率和低分辨率的DEM 數(shù)據(jù)進行結(jié)合，以得到更全面、準(zhǔn)確的地形信息。這種技術(shù)通過分析不同尺度上的地形特征，能夠提取出更豐富的地貌信息，為水利工程的規(guī)劃和設(shè)計提供了重要的參考。在實際應(yīng)用中，可以進一步完善該技術(shù)，并探索其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

研究目的和方法：

本文的研究目的是通過應(yīng)用多尺度DEM 一體化融合技術(shù)構(gòu)建水利樞紐的三維地形模型，并深入研究該技術(shù)在水利工程中汛期模擬、汛期預(yù)演、汛期預(yù)警的應(yīng)用。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，本研究首先對制作DEM 的數(shù)據(jù)進行噪聲點濾除、分類等處理，以提高DEM 數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，再利用頻率域通常采用傅里葉（Fourier）變換，應(yīng)用不同的濾波器去除頻域中的高頻或低頻部分，并將濾波后的頻域部分相加，實現(xiàn)頻域融合同時綜合利用小波多分辨分析的時頻細分與遍歷尋優(yōu)，從而能夠得到準(zhǔn)確可靠的融合解，為水利樞紐的建設(shè)和管理提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 多尺度DEM 一體化融合技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡稱DEM，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達），它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。

DEM 的空間域融合一般是在DEM 數(shù)據(jù)的數(shù)值層面進行，加權(quán)平均融合是一種簡單、直接的數(shù)據(jù)融合方法。

由于制作DEM 的數(shù)據(jù)有機載LIiDAR 獲取的數(shù)據(jù)，無人船獲取的數(shù)據(jù)、有人船獲取的數(shù)據(jù)，還有高分7 立體像對獲得的數(shù)據(jù)，不同源的多尺度的數(shù)據(jù)，制作DEM 的誤差也有所不同，由此表現(xiàn)出不同的頻率特性。由空間域變換到頻率域通常采用傅里葉（Fourier）變換，應(yīng)用不同的濾波器去除頻域中的高頻或低頻部分，并將濾波后的頻域部分相加，實現(xiàn)頻域融合。最后，通過Fourier 逆變換將融合后頻域轉(zhuǎn)換到空間域，得到融合DEM。

DEM 融合更多的是要求高程數(shù)據(jù)的精度提高以及地形描述準(zhǔn)確性的提升，由于不同數(shù)據(jù)源在低頻和高頻特性上的表現(xiàn)不同，其融合權(quán)重不能單純地取大或者求加權(quán)平均，對低頻系數(shù)與高頻系數(shù)作不同權(quán)重下的融合，綜合利用小波多分辨分析的時頻細分與遍歷尋優(yōu)，從而能夠得到準(zhǔn)確可靠的融合解。融合流程如圖1 所示。

圖1 DEM 頻率域加權(quán)最優(yōu)融合流程圖

所給出的低頻系數(shù)與高頻系數(shù)的加權(quán)因子計算步長為0.01，通過加權(quán)系數(shù)由0 到1 的遍歷計算求得每一步對應(yīng)的融合DEM 與中誤差，從而得到遍歷過程中的融合最優(yōu)解與權(quán)重系數(shù)。

1.2 實驗過程和結(jié)果

以數(shù)字孿生烏魯瓦提水利樞紐及庫區(qū)的數(shù)據(jù)為背景進行了實驗過程。烏魯瓦提水利樞紐位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)和田河西支流喀拉喀什河中游河段，是一座具有灌溉、發(fā)電、防洪、改善生態(tài)等綜合效益的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，是國家“九五”重點工程，該工程具有灌溉、防洪、發(fā)電、改善生態(tài)等綜合效益，工程興建后對解決和田地區(qū)“四害一缺”即春旱、夏洪、鹽堿、風(fēng)沙和能源短缺，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用。

烏魯瓦提水利樞紐位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)和田河西支流喀拉喀什河中游河段，和田河主要發(fā)源于和田地區(qū)南部的喀喇昆侖山，是中國新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)境內(nèi)一條典型的高山融雪補給型河流。和田河是塔里木盆地西南部最大河流，也是塔里木河現(xiàn)今的四大源流之一，玉龍喀什河和喀拉喀什河是和田河上游的東西兩條支流。地理坐標(biāo)為：東經(jīng)79°06′18″～79°45′02″，北緯36°38′09″～37°01′53″。

實驗區(qū)烏魯瓦提水利樞紐及庫區(qū)四周被干燥侵蝕的低山環(huán)繞，高俊挺拔，形態(tài)奇異，遠觀“銀裝素裹，原馳蠟象”莽莽昆山的風(fēng)姿，近看湛藍色的湖水，水清浪靜，湖光倒影，景色十分秀麗，但交通不便，只有一條小路可行走，其中還有一段為無人區(qū)，無路可行。

考慮到烏魯瓦提水利樞紐上游庫區(qū)地理條件和地形特點，分別獲取了陸地和水下地形數(shù)據(jù)，并進行預(yù)處理、DEM 制作，最后融合成水陸一體化DEM。

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取 陸地DEM 數(shù)據(jù)源采用無人機搭載激光LIDAR 系統(tǒng)和高分7 立體像對進行獲取，水下DEM數(shù)據(jù)源采用有人船搭載雙頻單波束測深儀進行獲取和無人船搭載便攜單波束及RTK 配合專用測深桿進行獲取。（圖2-圖4）

圖2 無人機搭載激光LIDAR 系統(tǒng)

圖3 有人船搭載雙頻單波束測深儀

圖4 無人船搭載便攜單波束

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 對獲取的點云數(shù)據(jù)進行噪聲點濾除、分類等處理，對高分7 立體像對進行空中三角測量、DSM 匹配，DEM 噪聲點編輯等處理，對雙頻單波束測深儀、便攜單波束及RTK 配合專用測深桿獲取的點云數(shù)據(jù)進行匯總編輯，剔除粗差點，同時保證點間距滿足要求。

1.2.3 DEM 制作 利用預(yù)處理后的地形數(shù)據(jù)點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，再按規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)插，生成指定格網(wǎng)間距的DEM。

1.2.4 DEM 融合 通過一體化融合算法，將不同尺度DEM 數(shù)據(jù)進行融合，生成新的DEM 數(shù)據(jù)。

1.3 實驗結(jié)果

為烏魯瓦提水利樞紐上游庫區(qū)范圍內(nèi)陸地制作5m和15m 格網(wǎng)間距DEM、水下庫區(qū)回水區(qū)制作2.5m 格網(wǎng)間距DEM、淤積嚴(yán)重區(qū)域制作0.5m 格網(wǎng)間距DEM，最后將這些不同尺度數(shù)據(jù)融合成水陸一體5m 格網(wǎng)間距DEM。融合后成果如圖5 所示。

圖5 融合后DEM 成果

圖6 5m 格網(wǎng)間距DEM 調(diào)用

2 水利工程中的應(yīng)用

2.1 規(guī)劃和設(shè)計

數(shù)據(jù)高程模型（DEM）在汛期模擬、汛期預(yù)演、汛期預(yù)警和人員轉(zhuǎn)移安置方面提供了“算據(jù)”支撐，基于數(shù)據(jù)底板中DEM、傾斜攝影數(shù)據(jù)等構(gòu)建烏魯瓦提洪水潰壩模型，計算烏魯瓦提水利樞紐發(fā)生潰壩后，下游淹沒情況。特別是模擬在極端工況條件下，基于DEM 可以模擬洪水的發(fā)生和發(fā)展過程，從而提前做好防范和應(yīng)對措施。

2.1.1 完成烏魯瓦提汛期模擬 隨著科技的發(fā)展，地形地貌已經(jīng)成為了我們理解和預(yù)測自然災(zāi)害的重要工具。特別是在汛期，通過利用地形地貌數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的模擬和預(yù)演，我們可以更好地理解極端工況條件下的洪水情況，從而提前做好防范和應(yīng)對措施。

2.1.2 完成烏魯瓦提汛期預(yù)演 在汛期，我們利用收集和分析歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，包括洪水的發(fā)生時間、地點、水位、流速等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以找出洪水發(fā)生的規(guī)律和趨勢，從而預(yù)測未來可能發(fā)生洪水的時間和地點。在極端工況條件下，我們利用DEM 數(shù)據(jù)可以模擬洪水的發(fā)生和發(fā)展過程。例如，模擬烏魯瓦提水利樞紐發(fā)生潰壩現(xiàn)象后的下游淹沒情況，預(yù)演未來發(fā)生類似洪水時，可能會給下游造成的影響狀況。通過汛期模擬、汛期預(yù)演這種方式，我們可以更好地理解洪水的破壞力，從而提前做好防范和應(yīng)對措施。基于數(shù)據(jù)底板中DEM、傾斜攝影數(shù)據(jù)等構(gòu)建烏魯瓦提洪水潰壩模型，計算烏魯瓦提水利樞紐發(fā)生潰壩后，下游淹沒情況。根據(jù)模擬和分析，烏魯瓦提水利樞紐潰壩后，涉及下游墨玉縣的10 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、和田縣的6 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。淹沒人口25.05 萬人，淹沒面積542.89km2，其中和田縣淹沒面積為257km2、墨玉縣淹沒面積為286km2。

2.1.3 完成烏魯瓦提汛期預(yù)警和人員轉(zhuǎn)移安置 通過對歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)的分析和模擬，我們可以預(yù)測未來場次洪水可能發(fā)生的時間和涉及的村莊。通過模型計算，我們就可以提前發(fā)布預(yù)警，讓下游人們有足夠的時間進行疏散和防范?？偟膩碚f，數(shù)據(jù)高程模型（DEM）在汛期的制作歷史極端條件下的模擬和預(yù)演中可發(fā)揮重要的作用。它不僅可以幫助我們理解洪水的規(guī)律和趨勢，還可以幫助我們進行洪水預(yù)警，從而減少洪水帶來的損失。隨著科技的發(fā)展，我們相信數(shù)據(jù)高程模型（DEM）在未來的防洪工作中將發(fā)揮更大的作用。

2.2 建設(shè)和管理

通過利用數(shù)據(jù)高程模型（DEM）在汛期的模擬和預(yù)演，可判斷水利工程以及下游人員財產(chǎn)等在什么情況下的安全情況，為管理者提示預(yù)警信號，管理者通過數(shù)據(jù)判斷下一步方案，以保障水利工程以及下游人員財產(chǎn)等的安全。同時數(shù)字高程模型（DEM）在三維可視化搭建方面也是非常重要的數(shù)據(jù)之一，通過構(gòu)建基于GIS+BIM 的三維可視化場景，對三維可視化數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，并生成相應(yīng)的報表為管理者決策提供數(shù)據(jù)支撐。提高管理者管理工作效率和質(zhì)量，為水利工程建設(shè)和管理等領(lǐng)域的發(fā)展提供有力支持。

3 結(jié)論

3.1 總結(jié)研究工作

本文旨在研究和應(yīng)用基于多尺度DEM 一體化融合技術(shù)構(gòu)建水利樞紐三維地形模型，為水利工程的規(guī)劃和設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。該技術(shù)的核心是利用多分辨率空間頻域融合方法將高分辨率DEM 數(shù)據(jù)與低分辨率DEM 數(shù)據(jù)相結(jié)合。通過分析不同尺度上的地形特征，可以提取更豐富的地貌信息，并對DEM 數(shù)據(jù)進行改進的插值處理，從而得到更精細、準(zhǔn)確的地形表面。實驗結(jié)果表明，采用多尺度DEM 一體化融合技術(shù)構(gòu)建的水利樞紐三維地形模型具有較高的精度和全面性。數(shù)字孿生烏魯瓦提建設(shè)中DEM 數(shù)據(jù)的構(gòu)建，不僅提供了高精度的地形信息，構(gòu)建更加真實、準(zhǔn)確的數(shù)字孿生模型，還為庫容曲線計算、洪水淹沒范圍計算、沖淤變化分析、汛期模擬、汛期預(yù)演、汛期預(yù)警等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這些都是領(lǐng)導(dǎo)遠程判斷和分析強有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 展望未來研究方向

在數(shù)字孿生烏魯瓦提水利樞紐建設(shè)中，開展了基于多尺度DEM 一體化融合技術(shù)構(gòu)建水利樞紐三維地形關(guān)鍵技術(shù)研究，取得創(chuàng)新和突破，為庫容曲線計算、洪水淹沒范圍計算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在防汛調(diào)度指揮決策方面發(fā)揮重要作用。未來可在防汛調(diào)度指揮決策方面再深入研究DEM 的應(yīng)用方向以及應(yīng)用價值。