浅谈测绘新4D数据在水利工程三维设计中的应用

张福友

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510170)

水利工程是人类治水、用水的产物，是通过合理引水、输水、蓄水等措施，利用水资源造福人类社会的一项举措。发展到现代水利工程已经涉及到多方面，如抽水蓄能、水力发电、生活供水、农业灌溉、防洪防旱等方面。水利工程[1]建设一般具有地理条件复杂、工程构筑物多、枢纽设计过于繁琐、工程计算量大等特点，而传统的设计工作是在二维平面上进行的，这就给设计工作带来了极大的难度。经过设计师们不断探索与研究，实现了水利工程三维设计，解决了传统二维设计带来的各项难题，给设计、施工、监理等带来极大的方便。

随着BIM技术[2]的发展和软件的逐步成熟，工程三维设计的应用得到了极大的推广，甚至在不久的将来BIM技术将成为工程设计的敲门砖。为了推动行业三维设计的发展，软件公司推出了一系列的解决方案，涉及到的行业有：市政、建筑、通信、电力、测绘、水利、交通、能源等，其针对不同的行业特点开发出多种模块，为了方便工程不同专业不同人员之间衔接更通畅，还利用三维协同设计[3]开发出ProjectWise，极大提高了工作效率。

测绘作为工程建设的先锋队，近年来无论是从技术、设备还是软件方面都有长足进展，各种新技术的应用、各种高科技产品的问世、各类数据处理软件的开发都推动着测绘行业快速前进。作为设计的基础，测绘各种数据也随着三维设计的推进而发生变化，传统的地形图、断面图等升为4D数据[4]，4D数据无论是数据获取还是数据精度都有很大改善与提升。测绘数据的升维为水利三维设计提供最基础保障并推动三维设计的发展。

1 测绘新4D数据

传统的测绘4D数据为：DRG(Digital Raster Graphic，数字栅格地图)、DOM(Digital Orthophoto Map，数字正射影像图)、DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)、DLG(Digital Line Graphic，数字线划地图)[5]，4D数据的出现是测绘行业技术进步的重大体现，在过去几十年直到现在都发挥着巨大作用。随着各行各业的不断发展，对测绘数据有了新的需求，传统的测绘4D数据已经跟不上行业发展的步伐，为了满足各行各业的需求，新测绘技术、设备、产品不断完善并满足各方需求。针对本文论点，作者总结出两种新的数据组成测绘新4D数据：DEM、DOM、3DM、DMM。

1.1 DEM

DEM是通过有限地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型[6]。也就是说DEM高程代表的是地面高程，是将所有植被、建筑物、地面附着物、水体等去掉后形成的三维高程模型。

DEM建立的方法也是有很多种：直接利用测绘仪器野外测量地形地貌的关键点，形成一定密度的碎部高程点来建立；通过已有的地形图采集，采用内插生成DEM；采用航空摄影测量技术，通过空三加密，利用软件批量生成地表高程数据；目前效率最高、精度最好的是采用机载激光雷达测量方法建立DEM，特别是在植被茂密、地形复杂的区域，机载激光雷达测量系统能够快速采集高程点云，通过软件自动分类出地面点并建立DEM。早期的激光雷达系统[7]由于质量重，必须用有人飞机进行搭载，且价格昂贵，很难被普及应用。近年来无人机的兴起推动了激光雷达的发展，慢慢向轻量化、长测距、高精度发展，借助无人机搭载平台进行作业，价格亲民，慢慢被推广应用。但是水利工程一般涉及到河湖江海，有水覆盖的地表是无法采用航空摄影测量或者激光雷达测量方法实现的，水下地形测量时小面积的可以采用单波束进行测量，大面积的采用多波束[8]测量，它无论在效率、效益还是精度上都比单波束有优势。

在水利工程设计中，DEM可用来制作等高线、断面图，进行工程土石方计算、表面覆盖面积统计，用于与高程有关的地貌形态分析、通视条件分析、洪水淹没区分析等等。

1.2 DOM

DOM是利用数字高程模型对扫描处理的数字化航空像片/遥感影像(单色/彩色)，经逐个象元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据[9]。简单来说DOM就是具有一定分辨率、带有平面坐标信息和平面可量测性的反映区域客观现状的影像，它实际上是以数字栅格的形式存储各个像素灰度值的数据库。

DOM的制作一般采用航天航空摄影测量方法，制作低分辨率(低于0.3m)、大面积的DOM可采用卫星拍摄的影像制作，简称卫片，而要制作高分辨率的DOM需采用有人飞机或者无人飞机搭载测量相机进行拍摄制作。由于目前制作DOM的软件发展较快，非测量相机也可以用于数据的采集，甚至可以采用消费级的无人机进行采集数据，后期使用VintuoZo、PhotoScan、APS、UASMaster等商业软件[10]进行DOM制作，只是效率无法与前者相提并论。

DOM具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，可作为工程布置的背景地图资料、地形提取地物及平面信息的材料、评价其他数据资料精度、现势性、完整性的工具，也可以制作各种专题图[11]。

1.3 3DM

3DM(3D Real Scene Model，三维实景模型)是一个根据现实地形地貌依比例形成的、具有与现状相同色彩纹理的立体模型。3DM类似于DSM与DOM的叠加，但3DM同时还具有立面纹理信息。三维实景建模一般采用倾斜摄影测量[12]手段获取影像数据，经过空三解算提取大量关键点，然后根据关键点形成不规则三角网模型，最后通过映射法则将纹理贴到三角网上而形成。

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术利用多个照相机以不同视角同步采集影像，获取地物顶面和立面的真实纹理。它颠覆了传统的航空摄影测量模型，最主要的区别在于它需要尽可能多地获取地物的立面纹理。最开始倾斜摄影相机具有五个镜头：向下垂直，斜向前、后、左、右，随着技术的发展，陆续又出现了三镜头、四镜头、摆动双镜头、摆动三镜头、八镜头、十二镜头、二十四镜头等五花八门的倾斜摄影设备。甚至于大疆无人机搭载的单镜头也可以成为倾斜摄影设备。这一切都归功于三维实景建模软件的强大，目前行业内应用最广的是Context Capture，它的前身正是Smart3D产品[13]。近年来国产的三维实景建模软件也不断出现，如DP-Smart、PhotoScan、Pix4d、Mirauge3d 、Altizure等等。无人机的不断发展、倾斜摄影测量设备的不断改进、三维实景建模软件的不断完善，共同推动了倾斜摄影测量技术的不断前进，推动了三维实景模型的普及与应用。

三维实景模型具有高精度、高分辨率、高清晰度的特点，被广泛应用于各行各业。主要应用于测绘测量、地理信息系统、教学展示、城市规划、建筑建设、游戏制作、智慧城市、智慧景区、古文物数字化存档保护等。在水利工程设计中，它可以用作三维底图、方案布置、工程选址、效果展示、宣传动画等。

1.4 DMM

DMM(Digital Monomerized model，数字单体化模型)是从3DM中提取出来的具有逻辑独立性的模型对象化，每个DMM可以在空间上与其他DMM分开并被赋予独立的属性。

随着3DM应用的深入，人们发现它很大程度上只停留在浏览层面上，很难被进一步应用起来。原因在于3DM是一个连续的TIN模型[14]，也常常称作是“一张皮”模型，对于这样的数据，我们无法从中提取我们的兴趣目标并加以利用，因此需要将这张“皮”剪开，分成一个一个独立的单元，并将相关的信息与之挂靠，才能实现对兴趣点的提取、赋予属性和管理，这个过程也叫做单体化[15]，单体化后的DMM集合形成三维数据库。基于单体化思路，国内的DP-Modeler软件能根据3DM数据对兴趣目标单体化，国内GIS软件SuperMap也可以进行单体化并建立三维数据库。

通过建立DMM三维数据库[16]，借助GIS平台统计、查询、分析等具体功能，我们可以为水利工程设计的地类统计、淹没统计、征地移民、施工与投资预算、方案对比等提供快速而准确的决策数据，为提高设计效率、优化设计方案提供有力帮助。

2 应用实例

珠江三角洲水资源配置工程是国务院批准的《珠江流域综合规划(2012—2030年)》确定的重要水资源配置工程，也是国务院要求加快推进的全国172项节水供水重大水利工程项目之一，是粤港澳大湾区建设的重要基础设施。该工程项目任务是从西江水系向珠江三角洲东部地区供水，其从位于佛山市顺德区的西江干流鲤鱼洲取水，输水线路经鲤鱼洲、高新沙、罗田三级泵站加压，输水至广州市南沙区规划高新沙水库(新建)、东莞松木山水库、深圳罗田水库和公明水库。工程输水线路总长113.1km，计划总投资约338亿元，是迄今为止广东省历史上投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水资源调配工程。

新4D数据在工程规划、预可研、可研、施工阶段起到了重要作用。在最初的规划选线阶段，有三条备选线路：北线、中线、南线，为了选出最佳方案，工程使用了大量的DOM数据作为辅助进行线路走向与方案布置，很大程度上避开人口密集区、重要交通枢纽、高层建筑等，能详细了解线路所经之处的地形地貌情况，合理避开地形较低的地方(工程大部分为引水隧洞)。图1为0.5m分辨率卫星影像叠加0.05m分辨率DOM，为选线提供重要帮助。

图1 卫片叠加低空DOM

输水线路上局部的重要区域，如施工道路、开挖井、引水隧洞口、加压泵站等地方，制作了1:500 DEM，这些地方是要进行开挖、填土、安置水工建筑物的，必须制作大比例尺DEM才能满足土方量计算、设计方案布置等用途。图2为某地高位水池所在地的DEM。

图2 1:500 DEM图

为了方案对比、展示更加直观，将所有动工的区域制作3DM，并把设计方案BIM与3DM在MS平台上进行叠加融合，更真实展示方案的现场效果。如图3所示，3DM作为场景，与BIM进行叠加融合，真实反映建筑物与现状地貌的距离、方位、位置等相对关系，可以让设计人员更好地设计方案，也让决策者更直观地融入到方案中去。

图3 3DM辅助BIM设计

借助GIS平台，可以将3DM中的兴趣点进行单体化拆分并赋予单体化属性，建立三维空间数据库，打破传统二维矢量数据库的隔阂，让传统数据库成堆的属性信息、难懂的矢量数据跃然纸上，为数字水利设计的全生命周期升维赋能。如图4所示。

图4 DMM构建三维GIS

新4D数据使用遥感卫星、无人机倾斜摄影测量、无人机摄影测量、激光雷达测量等高新技术进行采集，大大减轻了劳动强度，提高了生产效率、数据精度，值得行业内大力推广和应用，同时水利行业的三维设计更需要使用新4D数据作为基础资料、设计方案背景与计算工作量的原始模型，新4D数据也是其他行业应用不可或缺的必要选择。

3 结语

目前，在水利乃至电力、公路、建筑等设计行业，测绘作为提供基础数据的专业，随着工程建设的数字化和信息化，对测绘专业提出新的要求。另一方面，测绘行业近年来软、硬件发展迅猛，为行业带来了许多颠覆性的新技术新装备，使得测绘数据产品变得多样化、直观化、精度高。两者相辅相成、相互促进。

本文提出了新4D数据产品的概念，并具体阐释了每一种数据的定义和应用，结合珠江三角洲水资源配置工程，从工程的规划选址、方案布置、工程施工、征地移民等环节介绍了每种数据在工程中的具体应用情况。新4D数据以其直观、立体、高精度等优点为水利工程三维设计提供不可或缺的基础资料。但在实施过程中发现以下问题：数据采集与处理效率低；不同数据之间的转换存在数据丢失现象；数据格式多样且不兼容问题在三维实景模型中尤为凸显；数据量大，对电脑性能要求高等。新4D数据虽然有不可替代的优点，但存在的缺点也不容忽视，本文抛砖引玉，希望能为行业内的同仁在技术攻坚解难上提供参考。