基于机载LiDAR的山区水库管理范围线自动提取及精度评定

2022-12-23赵现昌裴书玉

河南水利与南水北调 2022年11期

赵现昌，裴书玉

（河南省水利勘测有限公司，河南郑州 450008）

1 引言

精确划定水库的管理和保护范围，对建立范围明确、权属清晰的水利工程管理保护责任体系具有重要意义。机载LiDAR 用于植被覆盖茂密的山区水库测绘有着很大的技术优势，主要表现在：①受天气影响较小，激光脉冲不受阴影和太阳角度的影响，可进行全天候作业。②数据生产周期短、精度高，所需外业控制点较少，数据处理自动化程度高。③有一定的穿透性，激光雷达在能够穿透一定覆被密度的植被，获取茂密植被覆盖下的地面高程数据。

针对激光雷达数据处理时难以在植被覆盖度高的山区水库地形中获取地表信息的难题，提出一种基于高精度DEM的等值线自动提取方法，并辅以人机交互干预，用于植被茂密的山区水库管理与保护范围线特征点提取，实例应用结果表明方法有效。

2 技术方法

2.1 PTD滤波算法

PTD滤波算法基本原理为：对原始LiDAR点云数据格网划分，根据测区最大建筑物尺寸确定格网间距，选取每个格网区域内高程最低点作为种子点构成初始稀疏TIN模型；对TIN网中的每个点，通过判断其反复角和反复距离是否小于给定的阈值对其进行分类；对每个小于阈值的地面点即时加入到TIN网中，迭代滤波，直到没有新的地面点产生为止。图1 为渐进不规则三角网加密滤波算法原理图。

图1 渐进不规则三角网加密滤波算法原理图

P是一个未分类点，V1，V2，V3是已知地面点并且构成一个平面。平面方程为：

2.2 Kriging插值生成高精度DEM

水域DEM快速生成方法：首先，通过正射影像勾绘出水域的范围；然后，利用水域边界和岸边的地面点云通过分段Kriging 插值拟合生成水体区域点云；再将插值拟合生成的水域点云与分类得到的地面点云拼接得到完整的点云数据；最后使用合并后的完整点云构建不规则三角网（TIN）生成高精度DEM。

2.3 等值线提取及改进的Bezier函数法拟合

等值线提取及拟合的方法：①快速提取构TIN 点集，通过内存映射和高程区间缓冲区分析，从海量点云数据中快速提取构TIN 点集。②优化逐点插入法，实现带状Delaunay 三角网的快速构建。通过对离散点云数据进行格网划分，以减少定位点的判断次数，并将三角形面积坐标法与直线行走算法相结合，在点定位过程中可大幅度缩短搜索路径，快速定位到插入点所在的目标三角形。③等值线生成，经过Delaunay三角网快速构TIN 之后，要得到z=h的等值线，只需要建立z=h的平面方程与TIN 模型求交，并将得到的等值线段进行排序，首尾相连后得到该等值线。④等值线光滑，文章采用在拐角处以等值点和切线点共同作为控制点的方法来解决Bezier 函数法曲线光滑后不再通过所有等值点的缺点。改进后的Bezier 函数法拟合的等值线严格正确、不产生多余拐点，但需逐步调整相关参数，以达到最优状态，适用于水库划界等对结果要求严格的场合。

3 实例与分析

3.1 研究区概况

盘石头水库两岸峭壁陡立，植被较为茂密，是一座以防洪、供水为主的大Ⅱ型水利枢纽工程。该水库控制流域面积1 915 km2，总库容6.08亿m3。库区周边最高海拔700 m，最低海拔200 m，最大落差达500 m。此次实验采用RIEGL_VUX-1LR 系统+索尼A7RⅡ相机搭载在云影C200固定翼无人机上进行数据采集，相对飞行高度540 m，影像旁向重叠度60%，航向重叠度80%，激光发射频率（PRR）100 kHZ，平均点密度7 个/m2。测区总面积110 km2，采集到点云数据34 GB。