無人智能技術(shù)在水庫地形測量與庫容計算中的應(yīng)用

張 晨，牟乃夏，周 霞，潘灶新，李海斌，庾 鵬，楊 驥

(1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510； 2. 廣州地理研究所，廣東 廣州 510070； 3. 廣州市梅州水庫管理處，廣東 惠州 516870)

無人智能技術(shù)在水庫地形測量與庫容計算中的應(yīng)用

張 晨1,2，牟乃夏1，周 霞2，潘灶新3，李海斌3，庾 鵬3，楊 驥2

(1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510； 2. 廣州地理研究所，廣東 廣州 510070； 3. 廣州市梅州水庫管理處，廣東 惠州 516870)

隨著無人機(jī)和無人船技術(shù)的發(fā)展，將其運(yùn)用于水庫地形測量已成為當(dāng)今水利工程的發(fā)展趨勢。本文采用無人機(jī)和無人船，以及不規(guī)則三角網(wǎng)的庫容計算方法，對梅州水庫的庫容進(jìn)行了復(fù)核，并闡述了相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取方法和數(shù)據(jù)處理過程，以及庫容的計算方法和原理。無人機(jī)和無人船等新技術(shù)的使用，提高了水庫地形的獲取精度及庫容的計算精度，不僅降低了成本，提高了效率，而且推動了水利科技的進(jìn)步，具有實踐意義。

無人機(jī)；無人船；傾斜攝影；聲波測深；庫容計算

水利工程是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民財產(chǎn)安全影響重大[1]。庫容作為水利工程運(yùn)行管理中確定水庫功能發(fā)揮的重要依據(jù)，直接影響水庫的防洪安全及運(yùn)營管理[2]。影響水庫庫容精度的因素主要有庫容的計算方法和庫區(qū)的地形數(shù)據(jù)[3]。傳統(tǒng)的庫容計算方法有等高線法[4]、斷面法[5]和方格網(wǎng)法[6]等。隨著測繪手段的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的計算方法由于工作量大、精度低等缺點(diǎn)[7]，已無法滿足庫容的精度要求，目前使用最多的是基于不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的庫容計算方法[8-11]。庫區(qū)的地形數(shù)據(jù)主要包括水下地形數(shù)據(jù)和水上地形數(shù)據(jù)[12]，水下地形數(shù)據(jù)主要通過水下地形測量獲取[13]，水上地形測量主要通過人工實測獲取[14-15]，工作量大且實施困難。

無人機(jī)技術(shù)由于其靈活、快速，以及不受地形、環(huán)境等條件制約的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、大比例尺測繪等方面，且均取得了較好的成果[16-17]。無人船具有穩(wěn)定、精準(zhǔn)、智能、高效等特點(diǎn)，也逐步運(yùn)用于水域勘測[18]。將無人機(jī)和無人船運(yùn)用于水庫地形測量，可以很好地解決水庫等水利工程由于區(qū)域覆蓋面廣、環(huán)境復(fù)雜等造成的測量工作實施困難、測量范圍不全面等問題[19-20]。本文以惠州市梅州水庫為例，采用無人機(jī)和無人船等先進(jìn)技術(shù)獲取水庫的地形數(shù)據(jù)，并采用不規(guī)則三角網(wǎng)的庫容計算方法，實現(xiàn)梅州水庫庫容的復(fù)核，以期為水利工程全面、高效的地形測量和水庫庫容計算提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

梅州水庫位于增江支流永漢河上游南昆山腳下，是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水利工程，是治理增江的重點(diǎn)防洪工程之一。工程始建于1975年，經(jīng)過幾十年的變化，庫區(qū)經(jīng)歷了淤積、岸邊崩塌等地質(zhì)現(xiàn)象，建庫前所測定的庫容量已不能反映現(xiàn)實庫容量的變化，這給洪水分析、防洪決策等工作帶來了安全隱患。

梅州水庫涵蓋高山、水庫、村鎮(zhèn)、山地、河流等多種地貌，下游60多平方千米的洪泛區(qū)涵括永漢鎮(zhèn)、河口洪泛區(qū)、廣河高速等，地形地貌復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法獲取地形數(shù)據(jù)是一項艱巨、復(fù)雜的工作，存在監(jiān)測工作實施困難及監(jiān)測不全面等難題?；谖⑿蜔o人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與無人船聲波測深技術(shù)的水庫地形獲取方法，為解決上述問題提供了技術(shù)快捷、經(jīng)濟(jì)可行的方式。

2 研究方法

水庫地形測量分為水下地形測量和水上地形測量兩部分。水下地形測量采用無人駕駛水下地形測量船和聲波測深設(shè)備，對梅州水庫集雨面積進(jìn)行水深測量，獲取測區(qū)水下地形分布；水上地形測量采用固定翼無人機(jī)搭載尼康D810全畫幅專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，對梅州水庫及下游洪泛區(qū)共200 km2區(qū)域進(jìn)行彩色數(shù)碼航空傾斜攝影，獲取測區(qū)水上地形分布。其中，尼康D810的有效像素為3635萬像素，鏡頭焦距為35 mm，像元尺寸為0.004 88 mm。

水庫庫容是某一水位以下或兩水位之間的蓄水容積，本文利用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的庫容計算方法，以實現(xiàn)庫容的高精度計算。技術(shù)路線如圖1所示。

3 水庫庫容計算

3.1 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)航攝作業(yè)主要包括航攝設(shè)計與飛行、像片控制點(diǎn)測量和數(shù)據(jù)處理。為保證飛行質(zhì)量，作業(yè)前首先進(jìn)行實地勘探，了解測區(qū)的地形和天氣等情況，最終確定了航攝的季節(jié)和時間為8—9月晴朗天氣的9:00—16:00，并確定了航飛的范圍和路線，如圖2所示。

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，在航攝飛行中要盡量使飛機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)。測區(qū)總航程為659.50 km，依據(jù)測區(qū)海拔高度差將測區(qū)分為兩塊，對其進(jìn)行6組航攝飛行，其中航向重疊率為80%，旁向重疊率為60%，地面分辨率為20 cm。在6組影像中，選取無云且質(zhì)量好的數(shù)據(jù)組成如圖2所示的航攝數(shù)據(jù)，其中每一種顏色代表一組航飛數(shù)據(jù)，以避免云層和陰影等的影響，保證影像質(zhì)量。

圖1 技術(shù)路線

圖2 航攝范圍和航飛路線

3.2 全自動影像數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)遙感影像的數(shù)據(jù)處理主要包括像片控制點(diǎn)測量、空中三角測量、影像校正和數(shù)字成果生成等內(nèi)容。像片控制點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)GPS RTK技術(shù)施測，測量得到的數(shù)據(jù)為平高點(diǎn)，每個測區(qū)都包含兩個以上的多余觀測控制點(diǎn)，分布如圖3所示。

圖3 像控點(diǎn)分布

空中三角測量主要包括內(nèi)定向、相對定向、絕對定向和加密點(diǎn)坐標(biāo)計算，本文采用的軟件為Pix4Dmapper。為提高精度，在Pix4Dmapper中輸入數(shù)字航測儀的檢定報告進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正，輸入無人機(jī)記錄的高精度POS數(shù)據(jù)進(jìn)行航攝姿態(tài)的校正，最終可以得到梅州水庫兩塊測區(qū)的DSM、DOM、三維點(diǎn)云及質(zhì)量報告分析。

質(zhì)量報告分析主要包括區(qū)域網(wǎng)空三誤差、自檢校相機(jī)誤差和控制點(diǎn)誤差。梅州水庫兩塊測區(qū)主要的質(zhì)量報告分析見表1。局部成果如圖4所示。

表1 質(zhì)量分析報告

圖4 梅州水庫DOM和DSM(局部)

3.3 無人船水深數(shù)據(jù)獲取

梅州水庫水域面積較大，水庫邊界復(fù)雜，為簡化測量，提高路徑規(guī)劃的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，把該水庫劃分為9個子區(qū)域，通過聲波測深設(shè)備與微型無人船系統(tǒng)集成，實現(xiàn)路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航、姿態(tài)校正、波浪測量、水下地形自動勘測等功能，其中數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)或無線電發(fā)送路徑數(shù)據(jù)至無人船控制器，實現(xiàn)路徑規(guī)劃和路徑控制的目的。

水下地形數(shù)據(jù)的處理需要結(jié)合測深儀電子圖像數(shù)據(jù)，對所有水深數(shù)據(jù)進(jìn)行校對，以剔除或修正異常水深點(diǎn)，去除粗差。水下地形的高程是由水位減去測深儀所測得的水深求得的，利用高程可以得到水下全覆蓋水深圖，獲取測區(qū)水下地形分布，水深圖如圖5所示。

圖5 梅州水庫水下全覆蓋水深圖

結(jié)合固定翼微型無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、Pix4Dmapper全自動影像處理技術(shù)和無人船聲波測深技術(shù)，建立了梅州水庫庫區(qū)約6 km2范圍內(nèi)的地形三維模型，其中最大水深測量誤差<0.1 m，水平定位誤差為10 cm，高程定位精度為20 cm。

3.4 水庫庫容計算

TIN是基于矢量數(shù)字地理數(shù)據(jù)的一種形式，通過將一系列具有X、Y和Z值的結(jié)點(diǎn)組成三角形構(gòu)建而成，形成這些三角形的插值方法有很多，本文利用的是Delaunay三角測量方法，基本原理如下：

設(shè)平面域上有n個節(jié)點(diǎn)，根據(jù)Delaunay三角形的幾何對偶Voronoi圖進(jìn)行劃分，Voronoi圖會將平面分成n個凸多邊形，每個凸多邊形內(nèi)的所有點(diǎn)到結(jié)點(diǎn)的距離都要比到其他節(jié)點(diǎn)的距離短，如下式

(1)

式中，S(Pi)是Pi與其他n-1個節(jié)點(diǎn)的連線的垂直平分線所形成的n-1個半平面的交集。一般情況下，3個Voronoi多邊形共同擁有Voronoi圖的一個頂點(diǎn)，每個多邊形內(nèi)有且僅有一個節(jié)點(diǎn)，連接這些共頂點(diǎn)的多邊形內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就可以形成一個Delaunay三角形，所有這樣的三角形的集合就是Delaunay三角剖分。構(gòu)成的Delaunay三角形是唯一的，沒有任何點(diǎn)位于三角形的外接圓內(nèi)部且所有三角形的最小內(nèi)角都被最大化了。

ArcGIS集成了構(gòu)建TIN的算法，利用“柵格轉(zhuǎn)TIN”工具可以簡單、快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建TIN模型，然后根據(jù)實際情況對結(jié)果進(jìn)行修改，使TIN模型更加合理。構(gòu)建的TIN模型如圖6所示。根據(jù)構(gòu)建的TIN模型，采用“表面體積”工具，可以快速計算出所需水位所對應(yīng)的水庫庫容。

圖6 梅州水庫的TIN模型

為了準(zhǔn)確地繪制梅州水庫的庫容曲線，為防洪預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)，本文以0.01 m為間隔，以當(dāng)時水位44.7 m為分界線，根據(jù)水上和水下地形對校核洪水位56.74 m以下的庫容進(jìn)行計算，得到的部分結(jié)果見表2。然后利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合的精度得到三次曲線最為擬合(水下R2=1.000，水上R2=0.999)，擬合結(jié)果如圖7所示。根據(jù)得到的庫容曲線可以快速定位任意水位所對應(yīng)的水庫庫容和淹沒面積，為防洪預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

表2 庫容計算結(jié)果(部分)

圖7 庫容曲線

4 結(jié) 論

(1) 本文采用的基于無人機(jī)與無人船的水庫地形測量方法，具有精度高、速度快、時間靈活、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種簡單有效的庫區(qū)地形獲取方法。該方法已成功運(yùn)用于梅州水庫水利工程立體化監(jiān)測，具有實用意義。

(2) 數(shù)據(jù)處理利用數(shù)字航測儀檢定報告、無人機(jī)POS數(shù)據(jù)及像控點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)誤差和影像校正，保證了數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量和精度。

(3) 庫容數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合的精度得到三次曲線最為擬合(水下R2=1.000，水上R2=0.999)。

(4) 從庫容曲線圖可知，當(dāng)時水位44.7 m的計算庫容與已有的準(zhǔn)確庫容數(shù)據(jù)較為接近，且水下與水上庫容曲線銜接完好，增長幅度沒有異常值。由此可見，通過該方法得到的數(shù)據(jù)精度較高。

(5) 計算得到的兩個關(guān)鍵點(diǎn)(當(dāng)時水位44.7 m和校核洪水位56.74 m)的水庫庫容都大于設(shè)計值，說明梅州水庫庫容增大了，主要原因可能是過去的地形測量誤差比較大。

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ApplicationofUnmannedIntelligentTechnologyinTopographicSurveyingandCapacityCalculationofReservoir

ZHANG Chen1,2，MOU Naixia1，ZHOU Xia2，PAN Zaoxin3，LI Haibin3，YU Peng3，YANG Ji2

(1. College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China; 2. Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070,China; 3. Guangzhou Meizhou Reservoir Management Office, Huizhou 516870,China)

With the development of UAV and unmanned boat technology, its application to reservoir topography has been becoming the development trend of water conservancy project. In this paper, the unmanned aerial vehicle (UAV) and unmanned boat, as well as the calculation method of irregular triangulation are used to calculate the capacity of Meizhou reservoir. And the data acquisition method and data processing process, as well as the calculation method and principle of storage capacity are elaborated. The use of new technologies, such as unmanned aerial vehicles and unmanned boat, improves the acquisition accuracy of reservoir terrain and the calculation accuracy of storage capacity, which not only reduces the cost, improves the efficiency, but also promotes the progress of water science and technology, with practical significance.

unmanned aerial vehicle; unmanned boat; tilting photography; sonic sounding; capacity calculation

張晨，牟乃夏，周霞,等.無人智能技術(shù)在水庫地形測量與庫容計算中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017(11)：72-76.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0351.

P23

A

0494-0911(2017)11-0072-05

2017-05-04

廣州市水務(wù)科技項目(MZSK-2016-01)；廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2015-14)；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(201604016047)；廣東省科學(xué)院實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展能力建設(shè)專項資金(2017GDASCX-0601；2017GDASCX-0101)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2016DM02)

張 晨(1993—)，女，碩士，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)與遙感。E-mail：1024029982@qq.cm

牟乃夏