数字孪生黄河拦沙坝数据底板建设案例分析

左 强，李 骁

（1.水利部黄河水利委员会黄河上中游管理局，710021，西安；2.水利部黄土高原水土保持野外科学观测研究站，710021，西安）

推动数字孪生黄河建设，总体目标是实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，提升流域治理管理能力和水平，为黄河流域生态保护和高质量发展提供有力支撑和强力驱动。结合水土保持业务管理实际需求，搭载水土保持数字化场景，推进智慧水土保持建设，是“十四五”时期水土保持工作的一项重点工程。拦沙坝是黄河流域沟道治理的主要水土保持工程措施，能有效减少入黄泥沙。推进拦沙坝精准化管理，确保拦沙坝安全，加快构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧水土保持应用平台，是数字孪生黄河建设重点工程之一。

构建数字化场景，主要任务是建设数据底板。数据底板按照地理空间数据精度分为L1、L2、L3三级，《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》将重要淤地坝建设L3级数据底板纳入黄河水利委员会建设数字孪生黄河内容。从目前技术水平来看，数字孪生流域建设当务之急是提高各层级数据底板的保真度和精度，从而提高数字孪生流域整体保真度。本文使用倾斜摄影等多种技术手段和设备，获取拦沙坝及其淤积范围内的DOM（数字正射影像）、DEM（数字高程模型）、三维模型和激光点云等数据，探索目前生产上能达到的数据底板建设较高精度。

一、研究区概况

十大孔兑指黄河内蒙古段由南向北并列流入黄河的十条支流，是内蒙古黄河段河床淤积的主要泥沙来源。该区域被有“地球癌症”之称的砒砂岩覆盖，是我国水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区之一。黑赖沟流域为十大孔兑之一，地处内蒙古鄂尔多斯市境内，流域总面积1027.02 km2，气候干燥多风，年平均气温5.3℃，最高气温35℃，最低气温-24.8℃，年蒸发量2234.2 mm。多年平均降雨量392.7 mm，主要集中在汛期（7—9月），汛期降雨量占全年的78.8%，多以暴雨形式出现，多年平均暴雨次数4次。鄂尔多斯拦沙换水试点工程拟在黑赖沟流域新建拦沙坝84座，截至2021年5月已建成44座。选择这44座新建拦沙坝进行数据底板建设试验。

二、数据采集和处理

1.设备应用

无人机设备主要应用大疆经纬M300 RTK测绘无人机携大疆禅思P1单镜头倾斜相机，并使用大疆经纬M300 RTK携赛尔102S五镜头倾斜相机和大疆禅思L1机载激光雷达进行了比较。试验时以上设备均为上市1年内的最新设备。

使用千寻RTK和徕卡TS50全站仪进行基准点、像控点和检测点测量。

2.基准点应用

每座拦沙坝在设计阶段均布设了3个基准点，坐标系为1980西安坐标系，高程基准为1985国家高程基准。使用千寻RTK进行CGCS2000坐标系测量，同时获取CGCS2000椭球高，与基准点的1985国家高程基准进行比较，得出的较差作为高程异常值。经过点校正，获取基准点2000国家平面坐标、1985国家高程系统。

3.像控点及检测点测量

由于拦沙坝所处位置均为山谷，RTK网络信号时有时无，为保证精度，像控点以基准点为基准采用全站仪进行像控测量。分两种方式对检测点进行测量:位于山顶高处的检测点采用网络RTK进行测量，拦沙坝淤积范围内谷底采用全站仪进行测量。

每座拦沙坝布设约10个像控点，优先布设在地形起伏大的沟谷与沟缘相交处，且应保证整个坝区均匀分布，如图1所示。由于坝区地表多为黄土和毛草，不利于找到固定的标志物，故采用事先布设靶标的形式进行控制点测量。每座坝测量40～90个检测点，用以精度检查。

图1 像控点布设示意

4.航线设计

应在像控点布设当天完成飞行作业。作业范围使用拦沙坝设计时的淤积范围线，并在沟头进行至少100 m的外扩，在山体进行少量外扩，确保拦沙坝的淤积范围可以完整呈现。经各设备在飞行高度50～100 m试验，倾斜摄影方式作业耗时最久，作业时间和飞行高度成反比。90 m时获取的影像地面分辨率为1 cm左右，可当天完成针对面积0.3 km2的拦沙坝的飞行作业。航向重叠率80%，旁向重叠率70%，开启RTK功能，单镜头倾斜相机使用智能摆动拍摄。

5.实景三维模型和DOM、DEM生产

三维模型主要在ContextCapture Center软件和PhotoScan软件中完成。将相机参数、影像数据、POS（导航定位定向系统）数据进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向。ContextCapture Center软件对于航线的要求有局限性，所以有时需要在其他软件中配合进行空三加密运算。导入外业测定的像片控制点成果，在空三项目中根据预测位置进行像控点转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。最后将完成空中三角测量运算的区块导入ContextCapture Center三维建模。

试验了两种技术方案获取DOM和DEM。第一种是三维模型导出的DSM（数字地表模型）、DOM，在Inpho软件DTMaster模块下进行DEM的精确编辑，编辑时要求等高距显示为0.05 m，以保证DEM编辑的精度。第二种是将飞行数据下视数据分离出来，使用Pix4D Mapper对下视数据进行处理，输出相机参数和畸变校正影像。然后将输出的相机参数和影像导入Inpho软件进行像控点转刺和空三，得到下视空三工程，经精度检测合格后，进行DEM生产。

三、结果与分析

1.设备选择

根据测绘行业标准GH/T 9008.2—2010和GH/T 9008.3—2010，国家现行比例尺成图精度最高要求为1∶500，DOM平地精度要求为30 cm，DEM 1∶500比例尺下平地的一级精度要求为20 cm。本次试验DOM、DEM成果最优精度为5 cm内，远超国家现行比例尺的最高精度要求。

第一批次试验使用了倾斜摄影技术携五镜头倾斜相机，但获取的初步数据量过大，作业时间较长。

使用机载激光雷达技术获取激光点云，对点云进行分类后，使用地面点生成DEM，这种方式不仅精度高，而且形成的高密度点云可以很好地反映细微地形，在高精度DEM获取方面有着无可比拟的优势及应用前景。但精密的激光雷达系统设备成本高昂，更适用于大面积飞行。本次试验使用的激光雷达设备为国产新设备，价格超过单镜头及五镜头倾斜相机，但在相同飞行高度下，获取DEM精度低于倾斜摄影设备，降低飞行高度至60 m的情况下，DEM高程精度为10 cm左右。激光雷达获取DOM和DEM的效率更高，但无法获取高精度三维模型。

单镜头倾斜相机惯性导航系统数据精确、影像无畸变，生产的DOM、DEM和三维模型精度最高，更符合生产使用。

2.DEM、DOM生产方案

在第一批次试验阶段采用三维模型导出DSM和DOM，经过检查发现DOM存在的问题较多，如高大地物（树、房子等）与地面显示割裂、过渡不自然，三维模型纹理显示缺失等。在导出DSM的基础上进行DEM编辑，但是效果不好，主要是一些 “小地形”变化无法甄别，若通过同期的正射影像判别，则耗时间、效果差。鉴于试验探索对DEM高程精度的极致要求，以及拦沙坝现场毛草丛生、沟壑深、暴雨急流造成的冲击地洞多等情况，DEM数据处理时地形地貌的立体可视化程度决定了DEM的正确性，也就是说，对DEM的可视化编辑是DEM精度“处处可靠”的关键。因此第二种方案——用无人机摄影测量方法进行DEM的生产更优。

3.三维模型质量评价

从模型整体性、纹理精细度、逻辑一致性、场景效果、位置精度、高程精度进行评定，倾斜摄影方式生产的模型整体一致性好，具有全要素、全纹理的全息表达能力，地物完整、无地物碎片、水域面平整，能真实反映地物、地形的外观、位置、高度等信息，精细度和纹理精细度表现良好，结构细节比例正常，符合逻辑关系，如图2所示。

图2 尔库沟1号小型坝三维模型（坝体位置）

4.DEM和DOM精度检查

生产的DOM格网大小0.01 m，DEM格网大小0.1 m。DOM和DEM数学精度检测采用野外实测方法。DOM的精度检测方法为：在成图图幅中均匀选取20个左右的明显地面点，同时在野外测量相应位置的点位坐标，与之比较。DEM的精度检测方法为：每座坝选取约60个外业实测高程点，与相应位置的DEM内插高程值进行比较。根据DOM检测结果，44座拦沙坝中平面中误差最大值4.6 cm，最小值1.1 cm，无粗差。根据DEM检测结果，44座拦沙坝中高程中误差最大值4.7 cm，最小值1.6 cm，粗差率均小于5%。列举其中10座拦沙坝的精度检测结果，如表1。

表1 部分拦沙坝DOM、DEM数学精度检测表

四、结 论

经基准点、像控点和检查点外业测量，结合当下多种倾斜摄影设备和机载激光雷达设备数据采集，经内业处理，在60 m飞行高度下，机载激光雷达方式拦沙坝数据底板平面精度为±0.05 m，高程精度为±0.10 m；在90 m飞行高度以上时，激光雷达点云分层不明显，导致数据底板精度不满足拦沙坝卧管分层要求；该技术方案作业效率高，在DOM、DEM生产中有优势。90 m飞行高度下，倾斜摄影方式拦沙坝数据底板平面精度为±0.04 m，高程精度为±0.05 m，可认为是当前技术手段数据底板建设能达到的优良精度。机载激光雷达和倾斜摄影的方式均满足L3级拦沙坝数据底板建设的要求，倾斜摄影是目前数字孪生建设获取高精度三维模型的最优方式。