基于多尺度DEM 一體化融合技術構建水利樞紐三維地形技術研究與應用

阿曼·熱夏提A MAN·Rexiati；董改改DONG Gai-gai

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

0 引言

研究背景和意義：

水利部黨組貫徹落實習近平總書記關于治水重要論述精神和黨中央、國務院重大決策部署，將推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展的六條實施路徑之一，將數字孿生流域作為數字孿生水利的核心和關鍵，先后印發《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》《“十四五”數字孿生流域建設總體方案》《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》等系列文件，組織行業內外有關單位編制了《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》等技術文件，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，在算據方面，要求建成覆蓋全國的L1 級數據底板，主要江河流域重點區域建成L2 級數據底板，重點水利工程建成L3 級數據底板，監測數據自動采集率明顯提升，智能感知技術廣泛應用，為數字孿生流域提供全面及時“算據”支撐。烏魯瓦提水利樞紐作為國家重點工程，為其建設了L2、L3 級數據底板。本文研究的技術就是數據底板的其中一種數據類型，為數字孿生烏魯瓦提水利樞紐提供“算據”支撐，并為構建三維可視化場景提供數據底座。

本文技術研究的意義有以下幾點：①通過對不同尺度的DEM 數據融合試驗，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確性，為烏魯瓦提數字孿生工程L3 級數據底板提供支撐數據。②利用不同尺度水陸的DEM 進行融合，實現了三維地形模型實用性，為烏魯瓦提數字孿生工程庫區計算庫容曲線以及洪水淹沒范圍計算提供了數據基礎。③利用不同期DEM 進行比對分析，獲得淤積嚴重和沖淤變化明顯區域的情況，為烏魯瓦提管理局管理提供數據支撐。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據，方便管理人員做出判斷決策。總之，本研究的意義在于提出了一種有效的方法，可以提高DEM 數據的精度和準確性，并為水利樞紐的規劃和設計提供重要的參考依據。未來可以進一步探索該技術在其他領域的應用潛力，并完善其在實際應用中的細節和操作流程。

研究現狀：

隨著水利工程的發展，對水利樞紐的地形信息需求越來越大。傳統的DEM 數據處理方法存在著缺陷，例如數據質量不高、缺乏準確性等問題。因此，研究人員開始探索新的技術來構建水利樞紐的三維地形模型。多尺度DEM 一體化融合技術是一種新興的方法，其基本思想是將高分辨率和低分辨率的DEM 數據進行結合，以得到更全面、準確的地形信息。這種技術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，為水利工程的規劃和設計提供了重要的參考。在實際應用中，可以進一步完善該技術，并探索其在其他領域的應用潛力。

研究目的和方法：

本文的研究目的是通過應用多尺度DEM 一體化融合技術構建水利樞紐的三維地形模型，并深入研究該技術在水利工程中汛期模擬、汛期預演、汛期預警的應用。

為了實現這一目標，本研究首先對制作DEM 的數據進行噪聲點濾除、分類等處理，以提高DEM 數據的精度和準確性，再利用頻率域通常采用傅里葉（Fourier）變換，應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，從而能夠得到準確可靠的融合解，為水利樞紐的建設和管理提供了可靠的基礎數據。

1 多尺度DEM 一體化融合技術

1.1 技術原理

數字高程模型（Digital Elevation Model），簡稱DEM，是通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬（即地形表面形態的數字化表達），它是用一組有序數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 數據的數值層面進行，加權平均融合是一種簡單、直接的數據融合方法。

由于制作DEM 的數據有機載LIiDAR 獲取的數據，無人船獲取的數據、有人船獲取的數據，還有高分7 立體像對獲得的數據，不同源的多尺度的數據，制作DEM 的誤差也有所不同，由此表現出不同的頻率特性。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，實現頻域融合。最后，通過Fourier 逆變換將融合后頻域轉換到空間域，得到融合DEM。

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

圖1 DEM 頻率域加權最優融合流程圖

所給出的低頻系數與高頻系數的加權因子計算步長為0.01，通過加權系數由0 到1 的遍歷計算求得每一步對應的融合DEM 與中誤差，從而得到遍歷過程中的融合最優解與權重系數。

1.2 實驗過程和結果

以數字孿生烏魯瓦提水利樞紐及庫區的數據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境內和田河西支流喀拉喀什河中游河段，是一座具有灌溉、發電、防洪、改善生態等綜合效益的大（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、發電、改善生態等綜合效益，工程興建后對解決和田地區“四害一缺”即春旱、夏洪、鹽堿、風沙和能源短缺，促進國民經濟的發展具有重要作用。

烏魯瓦提水利樞紐位于新疆維吾爾自治區境內和田河西支流喀拉喀什河中游河段，和田河主要發源于和田地區南部的喀喇昆侖山，是中國新疆維吾爾自治區和田地區境內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。地理坐標為：東經79°06′18″～79°45′02″，北緯36°38′09″～37°01′53″。

實驗區烏魯瓦提水利樞紐及庫區四周被干燥侵蝕的低山環繞，高俊挺拔，形態奇異，遠觀“銀裝素裹，原馳蠟象”莽莽昆山的風姿，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，無路可行。

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

1.2.1 數據獲取 陸地DEM 數據源采用無人機搭載激光LIDAR 系統和高分7 立體像對進行獲取，水下DEM數據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

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 數據預處理 對獲取的點云數據進行噪聲點濾除、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據進行匯總編輯，剔除粗差點，同時保證點間距滿足要求。

1.2.3 DEM 制作 利用預處理后的地形數據點構建不規則三角網TIN，再按規則格網內插，生成指定格網間距的DEM。

1.2.4 DEM 融合 通過一體化融合算法，將不同尺度DEM 數據進行融合，生成新的DEM 數據。

1.3 實驗結果

為烏魯瓦提水利樞紐上游庫區范圍內陸地制作5m和15m 格網間距DEM、水下庫區回水區制作2.5m 格網間距DEM、淤積嚴重區域制作0.5m 格網間距DEM，最后將這些不同尺度數據融合成水陸一體5m 格網間距DEM。融合后成果如圖5 所示。

圖5 融合后DEM 成果

圖6 5m 格網間距DEM 調用

2 水利工程中的應用

2.1 規劃和設計

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

2.1.1 完成烏魯瓦提汛期模擬 隨著科技的發展，地形地貌已經成為了我們理解和預測自然災害的重要工具。特別是在汛期，通過利用地形地貌數據為基礎的模擬和預演，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對措施。

2.1.2 完成烏魯瓦提汛期預演 在汛期，我們利用收集和分析歷史洪水數據，包括洪水的發生時間、地點、水位、流速等信息。通過對這些數據的分析，我們可以找出洪水發生的規律和趨勢，從而預測未來可能發生洪水的時間和地點。在極端工況條件下，我們利用DEM 數據可以模擬洪水的發生和發展過程。例如，模擬烏魯瓦提水利樞紐發生潰壩現象后的下游淹沒情況，預演未來發生類似洪水時，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對措施。基于數據底板中DEM、傾斜攝影數據等構建烏魯瓦提洪水潰壩模型，計算烏魯瓦提水利樞紐發生潰壩后，下游淹沒情況。根據模擬和分析，烏魯瓦提水利樞紐潰壩后，涉及下游墨玉縣的10 個鄉鎮、和田縣的6 個鄉鎮。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警和人員轉移安置 通過對歷史洪水數據的分析和模擬，我們可以預測未來場次洪水可能發生的時間和涉及的村莊。通過模型計算，我們就可以提前發布預警，讓下游人們有足夠的時間進行疏散和防范。總的來說，數據高程模型（DEM）在汛期的制作歷史極端條件下的模擬和預演中可發揮重要的作用。它不僅可以幫助我們理解洪水的規律和趨勢，還可以幫助我們進行洪水預警，從而減少洪水帶來的損失。隨著科技的發展，我們相信數據高程模型（DEM）在未來的防洪工作中將發揮更大的作用。

2.2 建設和管理

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

3 結論

3.1 總結研究工作

本文旨在研究和應用基于多尺度DEM 一體化融合技術構建水利樞紐三維地形模型，為水利工程的規劃和設計提供可靠的參考依據。該技術的核心是利用多分辨率空間頻域融合方法將高分辨率DEM 數據與低分辨率DEM 數據相結合。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 數據進行改進的插值處理，從而得到更精細、準確的地形表面。實驗結果表明，采用多尺度DEM 一體化融合技術構建的水利樞紐三維地形模型具有較高的精度和全面性。數字孿生烏魯瓦提建設中DEM 數據的構建，不僅提供了高精度的地形信息，構建更加真實、準確的數字孿生模型，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、汛期預演、汛期預警等提供數據基礎，這些都是領導遠程判斷和分析強有力的數據支撐。

3.2 展望未來研究方向

在數字孿生烏魯瓦提水利樞紐建設中，開展了基于多尺度DEM 一體化融合技術構建水利樞紐三維地形關鍵技術研究，取得創新和突破，為庫容曲線計算、洪水淹沒范圍計算提供數據基礎，在防汛調度指揮決策方面發揮重要作用。未來可在防汛調度指揮決策方面再深入研究DEM 的應用方向以及應用價值。