利用DEM进行断面测量在河道划界中的应用

杨立志

(甘肃省地图院，甘肃 兰州 730000)

为全面落实河湖长制重点任务，建立范围清晰、权属明晰、责任落实的河湖管理保护责任体系，推动河湖长制加快从“有名”向“有实”转变，按照《水利部关于加快推进河湖管理范围划定工作的通知》(水河湖〔2018〕314号)文件要求，启动全省河湖管理范围划定工作。甘肃省水利厅印发了《甘肃省水利厅关于开展河湖管理范围划定工作的通知》(甘水河湖发〔2019〕26号)，明确了工作目标、工作任务、组织形式、工作要求，到2020年底全面完成河湖管理及保护范围划定工作。河道划界主要任务是确定河道的管理范围及保护范围，而划界的难点是无堤防的河道管理范围的划定。无堤防的河道，无治理规划时，管理范围按历史最高洪水位或者设计洪水位确定，所以通过水文分析计算，确定历史最高洪水位或者设计洪水位与两岸陆域的交界线，也就确定了河道管理范围线。水文分析计算中控制断面的选取及测量在划界工作中占比较重，采用传统的外业测量断面的模式无法满足划界工作的时间节点要求。如何短时间内完成满足水文分析计算需要的断面测绘成果，是一大挑战。本文以兴隆峡河划界为例，利用无人机航测技术生成DEM，从河道DEM获取及断面选取到结果精度分析，总结一套快速获取断面的方法，为河道划界顺利完成提供了时间保障。

1 测区概述

兴隆峡河为宛川河上游南部一级支流，发源于甘肃省榆中县南部马啣山，源地海拔高程3 668 m，流域面积146 km2,河长30.5 km。流向大致从西南至东北，贯穿兴隆山自然保护区，流经郝家庄、张家庄，穿过榆中县城后于三角城下游4.5 km汇入宛川河。本次河道划界范围从兴隆山村至入河口，全长约16 km。

甘肃卫星定位连续运行基准站网(简称GSCORS)已覆盖本项目区域，该系统能实时提供2000国家大地坐标系成果服务。

2 河道划界标准及内容

2.1 划界标准

河道划界主要是确定河道的管理范围线及保护范围线，河道有无堤防,划界标准也不一样。有堤防的河道管理范围为两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地(包括可耕地、林地等)、行洪区、两岸堤防及护堤地。无堤防的河道，有治理规划时，管理范围按两岸规划的护堤地外边界线之间的区域确定；保护范围自紧邻规划的护堤地边界线计起。无治理规划时，按历史最高洪水位或者设计洪水位确定[1]。

2.2 划界工作内容

2.2.1 资料收集

全面收集河道有关水文气象资料、生态环境资料、相关政策法规、测绘资料、大比例尺地形图及优于1 m分辨率卫星影像等，进行系统的整理分析，为河道管理范围划定提供资料基础。

2.2.2 测绘产品生产

在基础资料收集的同时，进行测绘数据的采集及测绘产品的制作。主要包括：1:2 000正射影像图、1:2 000数字高程模型、河道断面测量、1:2 000地形图制作等。

2.2.3 横纵断面选取

根据生产的正射影像及数字高程模型，选取断面并生成断面图。断面的布设位置应考虑干流河口、主要支流汇合口下游的顺直河段、水文站控制断面、拦河建筑物等。优先选择批复报告中已有断面，无法搜集的则补测断面。

2.2.4 水文分析计算确定管理及保护范围线

在复核水文站和主要控制断面设计洪水的基础上，根据流域特点进行控制断面的设计洪水计算，根据所在区段上游流域面积大小选用《甘肃暴雨洪水图集》中的瞬时单位线法或推理公式法、实测资料面积比拟法计算不同频率的洪水流量，再通过布设相应比例尺的断面，采用曼宁公式计算出对应的设计洪水位线，从而确定河道管理范围线。

2.2.5 界桩、标识牌埋设

在确定的管理范围线上埋设界桩，界桩沿河道两岸平均间距200 m布设一个，管理范围走向发生变化处，应加设界桩，以能反应管理范围变化为宜。

3 技术流程

3.1 技术路线

随着技术发展成熟，无人机生产成本大幅降低，在各个领域无人机都得到了广泛应用，特别是在现代测绘领域，无人机颠覆了传统测绘的作业模式[2]，通过无人机获取测区高分辨率影像数据，利用软件进行数据预处理、空三加密，在空三加密的基础上，通过匹配算法获得测区密集点云，对点云进行处理，智能滤除非地面点，并生成DEM。利用无人机高分辨率正射影像进行断面的布设工作，基于生成的DEM提取各断面高程值，生成河道断面图。本次航飞使用纵横CW-15无人机，采用CA102正射相机，相机焦距：35.276 243 mm，像素数：7 925×5 304，像素尺寸：0.004 515 mm，航摄范围覆盖整个河道测区，完全满足河道划界的需求。

3.2 断面成果获取流程

河道断面测量是河道地形测量的主要内容，包括纵断面测量及横断面测量；断面测量是对沿某一方向剖面的地形起伏进行的高程测量工作；在划界工作中，ArcGIS软件平台展现了其强大的地理信息处理、数据存储及平面展示能力，ArcGIS的应用极大地提高了工作效率，提升工作质量，成为河道划界工作得力的工作助手[3-5]。本次断面测量成果基于ArcGIS软件采用DEM提取高程值方法获得，所以获得满足要求的河道DEM数据及断面的选取是关键。

3.2.1 DEM获取及精度评价

DEM是建立地面模型的一种可靠数据，要获得高精度的DEM，不仅要求影像有较高的地面分辨率，还要有较高的飞行质量[6]。在空三加密结果满足规范要求的基础上，通过软件匹配算法获取河道的密集点云，对点云数据进行点云分类、去除飞点、去除噪声点、去除非地面点等操作，处理生成DEM，如图1所示。

图1 DEM生产流程

本测区河道长度约为16 km，测区宽度约为330 m，采用GSCORS实测66个外业检测点,并转换为正常高，检测点均匀分布测区范围。经检测，数字高程模型精度满足规范要求[7]。高程精度统计如表1所示。

表1 数字高程模型精度统计

3.2.2 断面的选取

首先，获得河道里程线，在河道干流河口、支流汇合口下游顺直河段、水文站控制断面、拦河建筑物等地方布设断面，断面布设尽可能和河道走向保持一致。结合高分辨率正射影像选取横断面时，如图2所示,应注意以下方面：

图2 断面选取示意图

(1)断面长度大于河道宽度，能表示河道起伏即可；

(2)河道弯曲处加设断面以保证与河道走向一致；

(3)避免选取在树木遮挡处；

(4)河道穿房区时，尽量选取在无建筑物处。

3.2.3 断面生成

(1)断面选取完成后，在ArcGIS软件中加载断面线并套合高分辨率影像，便于在断面线上选点。在ArcGIS软件中新建“.shp”文件，开启捕捉功能，在选取断面线上每隔1～2 m取一点，点越密集越能反应河道断面起伏情况，如图3所示。

图3 断面点选取示意图

(2)基于ArcGIS软件中“Spatial Analyst Tools”提取分析中的“值提取至点”功能，利用已选取的shp点提取断面点的高程值，该功能主要是基于点要素提取栅格的像元值，并将这些值记录到输出要素类的属性表。如图4所示，输入点要素为已选取的shp点，输入栅格为河道的DEM(DEM数据格式为tif)，输出点要素为断面点对应的高程值文件。通过此功能完成断面点的高程赋值，是断面生成最关键的操作。

图4 断面点提取高程值界面

(3)利用Cass9.1软件完成断面图生成。首先在ArcGIS软件中将输出的点要素添加字段“X”“Y”,并计算几何得到“X”“Y”的坐标值，这样就得到了断面点的X坐标、Y坐标、高程Z的值。其次需要把断面点的“.dbf”文件转换为Cass9.1所需的“.dat”文件,利用Excel软件及记事本可以进行转换。将转换后断面点的高程数据展入Cass9.1中，利用工程应用中“断面图功能”生成断面图。

4 对比分析

4.1 断面对比分析

本项目采用DEM数据格网尺寸为1 m，断面的生成间距为2 m，横向比例尺1:500，纵向比例尺1:100，同一个断面采用断面实测法和DEM断面法进行比较，对比情况如图5所示。

图5 断面实测高程与DEM提取高程生成的断面图对比

从图5对比情况可以看出，实测高程生成的断面和DEM提取高程生成的断面基本一致。另对里程所对应的地面高程进行比较，两种方法高程相差最大0.33 m，最小仅有0.01 m，如表2所示，完全符合规范的要求。

表2 实测法与DEM法生成断面各里程高程值对比分析/m

4.2 工作优势

本次河道长度约16 km，共选取横断面123个，如果采用外业实测断面方式作业，1个作业组2人每天只测10个断面左右，测完整条河道的断面约13天。采用结合高分辨率影像及DEM提取高程方式的作业方法，只需1天时间就能完成断面生成的高程数据准备工作，利用该方式有效避免了外业实测断面与河道里程线不垂直的问题。所以对于河道断面测量，选用恰当的工作方案和方法[8]会事半功倍。

表示河道断面的高程点越多，生成的断面图越细致，越能反应河道的剖面情况。外业实测时高程点越多，工作量越大，时间越长，对项目成本消耗越大。而利用DEM提取方式则不需考虑这些情况，提取点的密度结合断面起伏情况而定，该方法在时间成本上也有很大优势。

5 结 语

利用无人机影像匹配点云技术[9]，通过点云数据获取DEM，基于DEM提取高程点，内业生成河道断面的作业方法，缩短了工作周期、节约成本，提高了生产效率，为河道划界工作按时保质完成提供了保障，同时也摸索出了一条在河道断面测量工作中高效可行的技术流程。

基于DEM提取高程点进行断面测量在河道划界工作中也有不足之处。河道个别区域存在树木，影响对地形的判断，DEM精度不高[10]，可能对划界工作断面精度产生影响，此时断面如必须选在此处时，需外业进行实测以保证断面精度；而地势相对平坦开阔处，DEM精度能满足规范要求。随着科学技术快速发展，各种传感器越来越先进，获取DEM精度越来越高,DEM会逐渐应用于各类工程项目。