朱超乾，劉東慶，劉曉波

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

山西運(yùn)城抽水蓄能電站三維地表模型的研究與實(shí)現(xiàn)

朱超乾，劉東慶，劉曉波

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

結(jié)合DPGrid、VirtuoZo、Civil 3D、Skyline四種軟件，以山西運(yùn)城抽水蓄能電站為例，闡述了三維地表模型實(shí)現(xiàn)的工作流程與方法，所生成的三維數(shù)字模型為電站三維設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)測(cè)繪保障。

DPGrid；VirtuoZo；Civil 3D；Skyline；三維地表模型。

在傳統(tǒng)的水電站設(shè)計(jì)中，二維地形圖是最常用的設(shè)計(jì)底圖，但隨著科技的發(fā)展，二維地形圖已經(jīng)不能完全滿足設(shè)計(jì)需求，人們?cè)絹?lái)越重視含有豐富三維地形地貌信息的三維地表模型。尤其是近些年“數(shù)字電站”概念的提出，更加凸顯了實(shí)現(xiàn)三維地表模型的重要性。本文結(jié)合山西運(yùn)城抽水蓄能電站項(xiàng)目講述了三維地表模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。具體工作流程見圖1。

1 無(wú)人機(jī)低空攝影

無(wú)人機(jī)低空攝影是當(dāng)前航空攝影測(cè)量的主流方式，相對(duì)于傳統(tǒng)有人機(jī)航空攝影，它具有輕小、成本低、高分辨率、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。

山西運(yùn)城抽水蓄能電站工程區(qū)范圍約為20 km2，面積相對(duì)較小，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)是模型生產(chǎn)的最佳方式。測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏，高差變化大，海拔介于400～1150 m。使用普通相機(jī)進(jìn)行影像拍攝無(wú)法同時(shí)滿足測(cè)區(qū)最低點(diǎn)分辨率和最高點(diǎn)重疊度的要求，由此而引起的分區(qū)攝影，將不利于無(wú)人機(jī)外業(yè)航飛及內(nèi)業(yè)處理。經(jīng)比選最終選定分辨率為10328×7760像素的飛思IQ180相機(jī)，充分利用該相機(jī)拍攝所具有的基高比大、像幅大、像片數(shù)量少的特點(diǎn)，一方面在保障模型高程精度的基礎(chǔ)上，可以減少野外像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量；另一方面也給內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)便利。

航拍平臺(tái)采用DM-150型固定翼無(wú)人機(jī)，依據(jù)工程區(qū)1∶2000地形圖成圖要求對(duì)測(cè)區(qū)最低點(diǎn)分辨率和最高點(diǎn)重疊度進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)確定的最低點(diǎn)分辨率為15 cm，最高點(diǎn)航向重疊度為65%，旁向重疊度為35%，全測(cè)區(qū)共布設(shè)航線16條，拍攝航片共計(jì)452張。

圖1 三維地表模型工作流程

2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量采用DPGrid軟件完成，DPGrid數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)擁有先進(jìn)的數(shù)字影像匹配、高性能并行計(jì)算、海量存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，能夠完美處理飛行姿態(tài)與影像質(zhì)量相對(duì)較差的無(wú)人機(jī)低空攝影航片。

空中三角測(cè)量作業(yè)流程見圖2。

圖2 空三加密作業(yè)流程

電站工程空三加密共用到像控點(diǎn)59個(gè)，其中平高點(diǎn)40個(gè)，高程點(diǎn)19個(gè)。

整個(gè)空三經(jīng)過(guò)影像畸變糾正、航帶設(shè)置、自動(dòng)匹配、自動(dòng)挑點(diǎn)、交互編輯、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟，最終輸出空三加密結(jié)果。

3 數(shù)字線劃圖(DLG)生產(chǎn)

1∶2000比例尺地形圖線劃圖生產(chǎn)利用VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站IGS測(cè)圖模塊完成。IGS測(cè)圖模塊具有無(wú)縫漫游、自動(dòng)模型切換的特點(diǎn)，能大幅提高作業(yè)效率。

將DPGrid完成的空三成果輸出到VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，生成核線影像和立體模型，然后進(jìn)行內(nèi)業(yè)線劃圖采集。內(nèi)業(yè)采集按照地物采集、等高線采集、高程點(diǎn)采集、圖幅接邊等步驟進(jìn)行。

以此，學(xué)校在開展物理教學(xué)“對(duì)分課堂”時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好充分的準(zhǔn)備.前期要展開深刻的調(diào)研活動(dòng)，了解學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的偏好，把握住學(xué)生的興趣點(diǎn)，有針對(duì)性的開展適合本校、適合人教版教材的教學(xué)方法、另外，教師也要做好充分的課前準(zhǔn)備，到有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)校展開觀摩學(xué)習(xí)、交流研討，深刻體會(huì)“對(duì)分課堂”的教學(xué)內(nèi)涵，把物理教學(xué)真正融入到教學(xué)當(dāng)中.

內(nèi)業(yè)采集完成后，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪的路面、河流、坡坎、電桿等特征數(shù)據(jù)和地名、溝名、等屬性信息進(jìn)行地形圖編輯，并經(jīng)圖廓整飾后輸出成果，提供給后序設(shè)計(jì)專業(yè)使用。

4 三維地形曲面(DEM)生產(chǎn)

DEM生產(chǎn)的方式多種多樣，可以直接在DPGrid軟件里面利用線劃圖生成或者利用模型匹配生成，也可以利用Civil 3D生成三維地形曲面。此次DEM采用Civil 3D進(jìn)行生產(chǎn)，以便充分利用地形圖原有精度，使得三維地形曲面更為精細(xì)。

Civil 3D是Autodesk公司在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)推出的一款適用于多領(lǐng)域、一體化、智能化的三維設(shè)計(jì)軟件，在水電設(shè)計(jì)行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，因此運(yùn)用Civil 3D生成的三維地形曲面已逐步成為電站三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)模型。

為了方便設(shè)計(jì)專業(yè)對(duì)三維地形曲面的應(yīng)用，需要通過(guò)下述方法保證地形曲面精度，同時(shí)精簡(jiǎn)曲面數(shù)據(jù)量：

(1)進(jìn)行等高線檢查，避免高程錯(cuò)誤及拓?fù)潢P(guān)系錯(cuò)誤。

(2)對(duì)等高線濾波處理，實(shí)現(xiàn)等高線結(jié)點(diǎn)的必要精簡(jiǎn)。

(3)提取特征線，如公路、河流、坡坎等線狀地物，提高特殊區(qū)域的地形精度。

(4)提取特征點(diǎn)，如居民地、山頂、山脊、山谷處高程點(diǎn)，保證三維地形曲面的完整性。

最終利用等高線、特征線、特征點(diǎn)等地形數(shù)據(jù)創(chuàng)建三角網(wǎng)曲面，以不規(guī)則分布的采樣數(shù)據(jù)來(lái)映射復(fù)雜多變的地形表面，正確反映河流、道路、湖泊以及局部區(qū)域的地形特征，建立完成高精度三維地形曲面。

5 數(shù)字正射影像(DOM)生產(chǎn)

數(shù)字正射影像是依托DEM對(duì)原始影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正而形成，因此DEM的精度直接決定著正射影像圖的精度。

在航拍攝影時(shí)，受陽(yáng)光投射角度不同、光線強(qiáng)度變化以及相機(jī)自身局限等因素影響均可能造成相片曝光的不均勻性，致使航片之間的色調(diào)及色彩存在或多或少的差異。因此必須要對(duì)航片進(jìn)行色調(diào)和色彩的均衡處理，以保障相片整體拼接后達(dá)到比較好的圖面效果。

山西運(yùn)城抽水蓄能電站的正射影像圖生產(chǎn)采用DPGrid軟件進(jìn)行，將Civil 3D生成的DEM和原始影像導(dǎo)入DPGrid，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模板的勻色選項(xiàng)進(jìn)行各航片的勻光勻色處理，使像片色調(diào)基本保持一致后整體拼接，并將地面分辨率設(shè)置為0.2 m，經(jīng)整理輸出電站工程攝影區(qū)域的正射影像圖。

6 三維地表模型實(shí)現(xiàn)

三維地表模型采用Skyline系列軟件生成。Skyline可以利用海量的航測(cè)影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)以及其它二維、三維數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景、模擬現(xiàn)實(shí)世界，是制作大型真實(shí)三維數(shù)字場(chǎng)景的優(yōu)秀軟件。

采用Skyline系列的TerraBuilder軟件將三維地形曲面(DEM)和整個(gè)工程區(qū)的正射影像進(jìn)行融合，生成整個(gè)工程區(qū)的三維地表模型，然后利用TerraExplore軟件進(jìn)行瀏覽。最終生成的山西運(yùn)城抽水蓄能電站三維地表模型見圖3。

圖3 山西運(yùn)城抽水蓄能電站三維地表模型

利用TerraExplore軟件進(jìn)行三維地表模型的瀏覽具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在三維地表模型的基礎(chǔ)上可以加載水電工程布置的三維模型(支持.X文件)。

(2)具有量測(cè)功能、信息檢索與定位、屬性查詢、信息統(tǒng)計(jì)、指標(biāo)計(jì)算、視線分析、緩沖分析、日照分析、最佳路徑分析、淹沒分析等查詢與分析功能。

(3)可在地表模型上實(shí)現(xiàn)斷面剖切、道路設(shè)計(jì)、邊坡顯示、填挖方設(shè)計(jì)與顯示等。

(4)設(shè)計(jì)人員可以直觀查看現(xiàn)場(chǎng)地形條件、水工建筑物布置情況，輔助設(shè)計(jì)等；決策人員可以進(jìn)行方案比選，輔助決策。極大地提高了設(shè)計(jì)與決策的工作效率。

(5)SkyLine具有二次開發(fā)接口，可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語(yǔ)

伴隨水電工程建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，單一的測(cè)繪產(chǎn)品難以全面滿足設(shè)計(jì)對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪資料的需求，為進(jìn)一步提升測(cè)繪成果質(zhì)量、提高工作效率、豐富測(cè)繪產(chǎn)品內(nèi)容，在工程實(shí)踐中不僅要積極推動(dòng)測(cè)繪新設(shè)備、新技術(shù)、新方法的投入與應(yīng)用，還應(yīng)充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)各種計(jì)算機(jī)軟件的融合、調(diào)用及開發(fā)，不斷擴(kuò)展測(cè)繪成果的應(yīng)用范圍及內(nèi)涵，一方面為電站設(shè)計(jì)提供滿意的測(cè)繪服務(wù)保障，另一方面也是今后測(cè)繪專業(yè)提高產(chǎn)品附加值的有效途徑。

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Research and Realization of 3D Digital Surface Model of Pumped Storage Power Station Yuncheng

ZHU Chao-qian, LIU Dong-qing, LIU Xiao-bo
(Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024, China)

Combined with DPGrid, VirtuoZo, Civil 3D and Skyline, Yuncheng pumped storage power station in Shanxi is taken as a case to explain the workflow and method for implementation of 3D surface model. The generated model provides basic surveying and mapping guarantee for the 3D design of power station.

DPGrid, VirtuoZo, Civil 3D, Skyline, 3D surface model.

P2

B

1671-9913(2016)04-0027-03

2017-03-01

朱超乾(1984- )，男，河南洛陽(yáng)人，工程師，從事水利水電工程測(cè)繪工作。