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推動數字孿生黃河建設，總體目標是實現數字化場景、智慧化模擬、精準化決策，提升流域治理管理能力和水平，為黃河流域生態保護和高質量發展提供有力支撐和強力驅動。結合水土保持業務管理實際需求，搭載水土保持數字化場景，推進智慧水土保持建設，是“十四五”時期水土保持工作的一項重點工程。攔沙壩是黃河流域溝道治理的主要水土保持工程措施，能有效減少入黃泥沙。推進攔沙壩精準化管理，確保攔沙壩安全，加快構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的智慧水土保持應用平臺，是數字孿生黃河建設重點工程之一。構建數字化場景，主要任務是建設數據底板。數據底板按照地理空間數據精度分為L1、L2、L3三級，《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》將重要淤地壩建設L3級數據底板納入黃河水利委員會建設數字孿生黃河內容。從目前技術水平來看，數字孿生流域建設當務之急是提高各層級數據底板的保真度和精度，從而提高數字孿生流域整體保真度。本文使用傾斜攝影等多種技術手段和設備，獲取攔沙壩及其淤積范圍內的DOM（數字正射影像）、DEM（數字高程模型）、三維模型和激光點云等數據，探索目前生產上能達到的數據底板建設較高精度。

一、研究區概況

十大孔兌指黃河內蒙古段由南向北并列流入黃河的十條支流，是內蒙古黃河段河床淤積的主要泥沙來源。該區域被有“地球癌癥”之稱的砒砂巖覆蓋，是我國水土流失最嚴重、生態環境最脆弱的地區之一。黑賴溝流域為十大孔兌之一，地處內蒙古鄂爾多斯市境內，流域總面積1027.02km2，氣候干燥多風，年平均氣溫5.3℃，最高氣溫35℃，最低氣溫-24.8℃，年蒸發量2234.2mm。多年平均降雨量392.7mm，主要集中在汛期（7—9月），汛期降雨量占全年的78.8%，多以暴雨形式出現，多年平均暴雨次數4次。鄂爾多斯攔沙換水試點工程擬在黑賴溝流域新建攔沙壩84座，截至2021年5月已建成44座。選擇這44座新建攔沙壩進行數據底板建設試驗。

二、數據采集和處理

1.設備應用無人機設備

主要應用大疆經緯M300RTK測繪無人機攜大疆禪思P1單鏡頭傾斜相機，并使用大疆經緯M300RTK攜賽爾102S五鏡頭傾斜相機和大疆禪思L1機載激光雷達進行了比較。試驗時以上設備均為上市1年內的最新設備。使用千尋RTK和徠卡TS50全站儀進行基準點、像控點和檢測點測量。

2.基準點應用

每座攔沙壩在設計階段均布設了3個基準點，坐標系為1980西安坐標系，高程基準為1985國家高程基準。使用千尋RTK進行CGCS2000坐標系測量，同時獲取CGCS2000橢球高，與基準點的1985國家高程基準進行比較，得出的較差作為高程異常值。經過點校正，獲取基準點2000國家平面坐標、1985國家高程系統。

3.像控點及檢測點測量

由于攔沙壩所處位置均為山谷，RTK網絡信號時有時無，為保證精度，像控點以基準點為基準采用全站儀進行像控測量。分兩種方式對檢測點進行測量:位于山頂高處的檢測點采用網絡RTK進行測量，攔沙壩淤積范圍內谷底采用全站儀進行測量。每座攔沙壩布設約10個像控點，優先布設在地形起伏大的溝谷與溝緣相交處，且應保證整個壩區均勻分布，如圖1所示。由于壩區地表多為黃土和毛草，不利于找到固定的標志物，故采用事先布設靶標的形式進行控制點測量。每座壩測量40～90個檢測點，用以精度檢查。

4.航線設計

應在像控點布設當天完成飛行作業。作業范圍使用攔沙壩設計時的淤積范圍線，并在溝頭進行至少100m的外擴，在山體進行少量外擴，確保攔沙壩的淤積范圍可以完整呈現。經各設備在飛行高度50～100m試驗，傾斜攝影方式作業耗時最久，作業時間和飛行高度成反比。90m時獲取的影像地面分辨率為1cm左右，可當天完成針對面積0.3km2的攔沙壩的飛行作業。航向重疊率80%，旁向重疊率70%，開啟RTK功能，單鏡頭傾斜相機使用智能擺動拍攝。

5.實景三維模型和DOM、DEM生產

三維模型主要在ContextCaptureCenter軟件和PhotoScan軟件中完成。將相機參數、影像數據、POS（導航定位定向系統）數據進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，建立空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向。圖1像控點布設示意ContextCaptureCenter軟件對于航線的要求有局限性，所以有時需要在其他軟件中配合進行空三加密運算。導入外業測定的像片控制點成果，在空三項目中根據預測位置進行像控點轉刺，利用這些點對已有區域網模型進行約束平差解算，將區域網納入精確的大地坐標系統中，完成絕對定向。最后將完成空中三角測量運算的區塊導入ContextCaptureCenter三維建模。試驗了兩種技術方案獲取DOM和DEM。第一種是三維模型導出的DSM（數字地表模型）、DOM，在Inpho軟件DTMaster模塊下進行DEM的精確編輯，編輯時要求等高距顯示為0.05m，以保證DEM編輯的精度。第二種是將飛行數據下視數據分離出來，使用Pix4DMapper對下視數據進行處理，輸出相機參數和畸變校正影像。然后將輸出的相機參數和影像導入Inpho軟件進行像控點轉刺和空三，得到下視空三工程，經精度檢測合格后，進行DEM生產。

三、結果與分析

1.設備選擇

根據測繪行業標準GH/T9008.2—2010和GH/T9008.3—2010，國家現行比例尺成圖精度最高要求為1∶500，DOM平地精度要求為30cm，DEM1∶500比例尺下平地的一級精度要求為20cm。本次試驗DOM、DEM成果最優精度為5cm內，遠超國家現行比例尺的最高精度要求。第一批次試驗使用了傾斜攝影技術攜五鏡頭傾斜相機，但獲取的初步數據量過大，作業時間較長。使用機載激光雷達技術獲取激光點云，對點云進行分類后，使用地面點生成DEM，這種方式不僅精度高，而且形成的高密度點云可以很好地反映細微地形，在高精度DEM獲取方面有著無可比擬的優勢及應用前景。但精密的激光雷達系統設備成本高昂，更適用于大面積飛行。本次試驗使用的激光雷達設備為國產新設備，價格超過單鏡頭及五鏡頭傾斜相機，但在相同飛行高度下，獲取DEM精度低于傾斜攝影設備，降低飛行高度至60m的情況下，DEM高程精度為10cm左右。激光雷達獲取DOM和DEM的效率更高，但無法獲取高精度三維模型。單鏡頭傾斜相機慣性導航系統數據精確、影像無畸變，生產的DOM、DEM和三維模型精度最高，更符合生產使用。

2.DEM、DOM生產方案

在第一批次試驗階段采用三維模型導出DSM和DOM，經過檢查發現DOM存在的問題較多，如高大地物（樹、房子等）與地面顯示割裂、過渡不自然，三維模型紋理顯示缺失等。在導出DSM的基礎上進行DEM編輯，但是效果不好，主要是一些“小地形”變化無法甄別，若通過同期的正射影像判別，則耗時間、效果差。鑒于試驗探索對DEM高程精度的極致要求，以及攔沙壩現場毛草叢生、溝壑深、暴雨急流造成的沖擊地洞多等情況，DEM圖2爾庫溝1號小型壩三維模型（壩體位置）數據處理時地形地貌的立體可視化程度決定了DEM的正確性，也就是說，對DEM的可視化編輯是DEM精度“處處可靠”的關鍵。因此第二種方案——用無人機攝影測量方法進行DEM的生產更優。

3.三維模型質量評價

從模型整體性、紋理精細度、邏輯一致性、場景效果、位置精度、高程精度進行評定，傾斜攝影方式生產的模型整體一致性好，具有全要素、全紋理的全息表達能力，地物完整、無地物碎片、水域面平整，能真實反映地物、地形的外觀、位置、高度等信息，精細度和紋理精細度表現良好，結構細節比例正常，符合邏輯關系，如圖2所示。

4.DEM和DOM精度檢查

生產的DOM格網大小0.01m，DEM格網大小0.1m。DOM和DEM數學精度檢測采用野外實測方法。DOM的精度檢測方法為：在成圖圖幅中均勻選取20個左右的明顯地面點，同時在野外測量相應位置的點位坐標，與之比較。DEM的精度檢測方法為：每座壩選取約60個外業實測高程點，與相應位置的DEM內插高程值進行比較。根據DOM檢測結果，44座攔沙壩中平面中誤差最大值4.6cm，最小值1.1cm，無粗差。根據DEM檢測結果，44座攔沙壩中高程中誤差最大值4.7cm，最小值1.6cm，粗差率均小于5%。列舉其中10座攔沙壩的精度檢測結果，如表1。

四、結論

經基準點、像控點和檢查點外業測量，結合當下多種傾斜攝影設備和機載激光雷達設備數據采集，經內業處理，在60m飛行高度下，機載激光雷達方式攔沙壩數據底板平面精度為±0.05m，高程精度為±0.10m；在90m飛行高度以上時，激光雷達點云分層不明顯，導致數據底板精度不滿足攔沙壩臥管分層要求；該技術方案作業效率高，在DOM、DEM生產中有優勢。90m飛行高度下，傾斜攝影方式攔沙壩數據底板平面精度為±0.04m，高程精度為±0.05m，可認為是當前技術手段數據底板建設能達到的優良精度。機載激光雷達和傾斜攝影的方式均滿足L3級攔沙壩數據底板建設的要求，傾斜攝影是目前數字孿生建設獲取高精度三維模型的最優方式。

參考文獻：

[1]趙永軍，馬松增，羅志東，等.“十四五”時期智慧水土保持建設思路[J].中國水土保持，2022（10）.

[2]劉曉燕，等.黃河近年水沙銳減成因[M].北京：科學出版社，2016.

[3]胡春宏，郭慶超，張磊，等.數字孿生流域模型研發若干問題思考[J].中國水利，2022（20）.

[4]劉增良，陳思，陳品祥.城市傾斜攝影實景三維模型數據質量檢查方法研究與實踐[J].測繪通報，2019（2）.

作者：左強 李驍 單位：水利部黃河水利委員會黃河上中游管理局 水利部黃土高原水土保持野外科學觀測研究站