断面测量数据融合技术在水利水电工程勘测中的应用

2023-12-14张学超刘文波孙翊博

水利水电工程设计 2023年4期

张学超刘文波孙翊博

传统断面测量方法有水准仪“皮尺法”、方向架加“抬杆法”、经纬仪视距法、全站仪法等。这其中共包括两部分工作内容，第一是野外数据采集；第二是内业整理。此方法周期长、精度低、费时费工。随着科技的发展，测量仪器虽有更新，但对工作效率无明显改善。

就目前项目开展情况来说，工期紧任务重是水利水电设计的常态。如何利用好前期有限的基础资料，超前完成满足精度的断面测量是目前所面临的难题。在项目开展的初期，我们能够先搜集到一部分比较粗略或时间比较久远的地形图、谷歌影像图、三维数据等。但所形成的断面信息还远不能满足设计需求，仍需要测量人员深入到现场进行实地测量。这也造成了大量基础资料的浪费。为解决这一现象，将各种测量数据融合，综合分析形成断面测量绘图数据是至关必要的。

断面测量数据融合技术，旨在软件开发的基础上，先对多形式的内业数据进行采集，再根据需要有针对性的对外业数据进行采集。这种方法，大大减少了断面测量所需要的时间，使断面测量成果数据及图件输出变得更高效、更便捷、更智能化，极大地降低人工干预出错率，提高了成果质量及精度[1-3]。

1 研究思路

1.1 数据融合思路

实现断面测量数据融合就是采用“先内业，后外业，再内业”的工作模式，对断面信息上的数据进行融合处理，再综合分析生成断面图。

“先内业”指针对前期搜集到的相关参考资料，如CAD地形图件、三维实景模型、谷歌影像图、数字高程模型（DEM）等，进行预分析处理，预先提取断面点的预处理数据。

“后外业”指在野外利用测量仪器设备等对内业预处理数据进行复合验证，并补充预处理过程中没有采集到的信息，如地形地貌有变化部分、树林遮挡部分、水下地形部分等。

“再内业”指在野外现场工作结束后，利用开发软件，将预处理数据与野外采集数据进行融合，从而得到1套完整的断面测量数据。

这样的作业流程可有效解决内外业测量信息不对称造成的重复性工作、数据转换过程中的信息丢失等问题，使外业工作周期大幅度缩短，劳动强度大幅度降低。

1.2 软件研发思路

数据处理主要利用Excel VBA 二次开发编程技术，开发“宇博断面处理助手”软件，将室内采集数据与野外采集数据导入软件中，通过软件对2组数据进行融合整理归类，形成特定格式的绘图数据。

再利用AutoCAD lisp 二次开发编程技术，开发“断面图绘制”插件，实现绘图数据到“断面图”的转换。

这种方法使内业数据的分析整理及图件的成果处理与输出变得更加标准化和智能化，提高了工作效率，降低了出错率。

2 设计方案

2.1 内业数据采集方案

水利水电项目不同勘测阶段，对断面测量的精度要求不同，需要有选择性地使用有效底图。底图来源可以有多种，例如CAD 图件数据、谷歌影像图、数字高程模型DEM、三维实景模型等。这些底图数据的提取方法如下。

2.1.1 CAD图件数据

可利用自主研发的断面点提取插件或南方CASS等软件，在CAD图件上直接提取断面点数据，并自动保存成*.dat格式。

2.1.2 谷歌数据

在缺乏地形图资料的情况下，也可以通过下载工程区的谷歌影像数据和高程数据，通过配准纠正后叠加到AutoCAD中（如图1所示），再利用断面点提取插件或者南方CASS等软件提取断面点数据。

图1 叠加至CAD中的谷歌数据

2.1.3 三维实景模型数据

随着科技的发展，越来越多的水电项目会借助三维实景模型了解工程区的工程地质条件。通过无人机倾斜摄影测量建立的三维实景模型，能够很好地实现“把野外现场搬回家”的作业模式。三维实景模型成图后如图2所示。有了实景模型后，利用中水北方勘测设计研究有限责任公司自主开发的HydroGeo3D 软件可在三维模型上提取断面线和断面点三维数据。但需注意的是，HydroGeo3D 软件提取的三维数据为Excel 文件格式，还需要将其转换为*.dat格式才能成为数据融合的基础数据。

图2 某工程三维实景模型

2.2 外业数据采集方案

基于数据融合的目的，在外业数据采集中主要可以采用碎部点测量的方法。水利水电工程多数位于高山峡谷地区，横剖面方向地形变化大，山体陡峭，测量难度较高。按碎部点的模式采集数据，具有以下明显优势：

（1）一次架基站可以测量多条断面，减少了多次架设基站所需要的时间。

（2）可以多人分小组同时进行，在断面线上可不按顺序随意采集数据，避免了障碍物阻挡（比如跨河测量时）等造成的不便。

（3）断面测量点平面误差和高程误差均是独立的，避免了测量点多次转点造成的误差积累。

（4）断面测量点可为测绘带状地形图提供测图数据或为后期的内业质量检验提供检验数据，做到一测多用。

3 融合处理软件的开发与操作

利用Excel VBA 与AutoCAD lisp 语言，对Excel和CAD 进行二次开发，得到“宇博断面助手软件”与“断面图绘制”的插件。操作方法主要分为以下几步[4-5]：

（1）分群数据的编辑。

（2）分群数据导入“宇博断面助手软件”。

（3）融合处理，异常点判断。

（4）生成准确的绘图数据。

（5）将绘图数据导入CAD之中，利用“断面图绘制”插件形成标准化的断面图。

3.1 分群文件编辑格式

剖面的分群文件格式是固定的，命名有以下几个原则：

（1）断面名由标识符“DM”和“断面名称”组成，且单独成行。

（2）数据信息的编写方法为“点名，编码，横坐标，纵坐标，高程”的顺序文件，不能错乱编写。

（3）为校正剖面方向是否准确，在每个断面分群数据中，定义一个“基点”和一个“定向点”，数据编号用“jd”和“dx”来表示。

（4）为验证内业数据采集的准确性，可在外业数据采集过程中对断面上高程突变的陡坎、水边线等位置采集数据信息，并在编号上进行标记，来验证断面数据的准确性。

（5）编辑后的数据文件格式必须为*.dat格式。

3.2 断面成果及图件输出

经过融合、异常点判断后，得到绘图数据。这其中包含了断面的名称、方位、基点坐标、已经融合处理后的断面高程、水平距离等信息。其中，还在断面上的一些界线点做了标记，这对后期地质人员进行地质测绘有着重要的意义。完整的断面绘图数据输出后，将其导入AutoCAD中，利用“断面图绘制”插件生成满足使用需求的断面测量图，如图3所示。