面向水库型小流域的多源水利三维建模方法研究

胡金龙 ，胡宜娜 ，钱 进 ，朱海波 ，胡文斌

（1. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2. 江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 210008）

0 引言

国家“十四五”规划纲要明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。水库是重要的防洪减灾工程措施，洪水预报调度是保证水库自身及上下游防洪安全的重要非工程措施[1]。利用预报信息进行水库防洪调度，可有效提高防洪效益，促进洪水资源安全利用。随着三维 GIS技术的发展，通过融合 BIM 技术，对流域、子流域、河道等不同层级管理单元进行实景三维建模，能够在流域业务管理涉及的分析、预测、演算、模拟、决策等过程中发挥重要作用[2]。对水库型小流域进行防洪预报调度，需要构建水上的水库坝体、涉水工程及水下的流域河道等三维模型，并涉及局部工程精细化等多种融合建模技术，其中，水上基本多采用倾斜摄影或人工方式建模，水下主要利用激光雷达、声呐等传感器获取水下地形构建模型[3-5]，局部工程多采用人工方式建模。

月塘水库位于江苏省扬州市， 2005 年被国家防汛抗旱总指挥部确定为全国防洪重点中型水库，是典型的水库型小流域。流域性河道为胥浦河，源于月塘镇杨岗水库，流经月塘、马集、真州、青山等镇，于新洲入长江。为摸索一套适用于水库型小流域的完整建模方法，拓展水下地形建模手段，以月塘水库小流域为例，在利用基础测绘成果构建实景地形模型的基础上，考虑到月塘水库小流域内主干水系胥浦河为非通畅河道，利用传感器对水下地形建模方法虽然可行，但可操作性不强，且费用高昂、性价比较低，提出利用已有的河道断面数据结合河流面状矢量数据实现河道三维建模，并充分利用水利部门积累的大量河湖工程勘测数据，结合倾斜摄影建模技术，以较低的成本实现河道水陆一体化多源实景三维建模。

1 水利三维建模方法现状与分析

随着水利信息化的快速发展及智慧水利的建设，将水动力模型与三维场景相结合，进行基于三维模型的实时洪水演进与淹没预演分析，具有良好的发展应用前景。为实现河道型水库的可视化预报调度与洪水风险分析，需要对河道层级的流域单元进行可视化建模，主要涉及对地形、重点水利工程及河道的实景三维建模。

经过多年的研究发展，利用 DEM（数字高程模型）结合 DOM（数字正射影像图）构建实景地形三维模型的应用已非常广泛[6-7]，在大范围的流域性实景地形三维建模应用上优势明显，基于倾斜摄影的高精度、大场景的三维建模技术也已相对成熟[8-10]。在水利行业，倾斜摄影建模技术主要用于水利枢纽 BIM 建模方面[11-13]。然而采用倾斜摄影建模技术构建的模型是一个连续的整体，实现的是三维模型可视化，无法对单个目标如闸门、泵机、摄像头、传感器等进行聚焦或操作。为实现精准聚焦和部件控制，在倾斜摄影的基础上，对部分重点控制单元进行切割，再利用专业工具对该部分单元进行构件级建模，实现重点单元的可控。

河道三维建模有助于直观感受河道概貌，展示不同水位下河道水体变化。河道模型通常利用水下地形测量数据构建，精准的水上水下地形数据是了解河槽纳蓄能力、河道河床变化的重要手段[14]。水下地形测量主要依靠测量船搭载激光雷达、合成孔径声呐和水下三维扫描声呐等不同传感器实现[15-17]。基于船载传感器的水下地形测量具有高精度、高效率的优势，但操作复杂，成本较高，在小范围水域或通畅型河道中的应用较为广泛。本研究应用案例胥浦河为月塘水库流域型河道，连接月塘水库下游各支流水系，最后汇入长江，其间为控水需要，建设了若干橡胶坝，船载测量无法通畅进行。为解决复杂河道建模费用成本过高的问题，提出一种基于河道垂直断面数据的河道建模方法，主要思路如下：先收集或采集河道垂直断面矢量数据；再将不同断面依据河流面状矢量数据依次进行矢量连接，得到河道基本三维模型；最后结合摄影测量得到的影像数据进行纹理处理优化，得到实景三维河道模型。显然，这种河道模型的精度会受断面密度影响，断面越多，精度越高，在实际应用中应以符合要求的精度标准设置合理的断面密度。

在构建流域性地形、水利工程、控制单元和河道等模型的基础上，通过统一坐标系进行归一化处理，实现多源模型的融合、拆分，最终得到流域的数字孪生模型，为水利“四预”的开展与精准调度提供算据基础。

2 三维建模方法与应用

2.1 流域实景地形三维建模

本研究利用测绘部门高精度 DOM 和 DEM 数据的融合实现大场景实景地形三维建模。利用离散的 DEM 数据构建地形三角网并进行优化处理，将DOM 数据融合叠加映射到地形模型上，构建立体、真实、地理特性明显的三维地形模型。建模过程中采用分层方式构建数据模型，优化显示效果。在不同比例尺下，分别采用适用的遥感影像和 DEM 构建地形三维模型，构建的月塘水库流域范围内的实景地形三维模型示意图如图1 所示。地形三维模型可以直观体现区域地形的立体体貌特征，在此基础上可以承载二维矢量、实景三维、BIM 模型等各种类型数据成果。

图1 实景地形三维模型

2.2 水利工程实景三维建模

倾斜摄影三维建模主要流程如图2 所示，具体流程如下：首先利用无人机采集影像，经过精密空中三角测量对影像密集匹配生成点云；然后利用点云生成不规则三角网（TIN）；最后利用现场采集的实景影像进行纹理映射生成三维模型。此建模方法建模周期短，精度高，具有信息丰富、效果直观、展示效果真实等优点，对于局部小范围精准建模来说是最佳选择，但如果是流域型大场景建模，成本将是巨大的。而月塘水库流域是大场景的，因此本研究仅面向重点水利工程主体管理范围进行倾斜摄影三维建模，如水库大坝周边、闸坝管理范围，以及重要跨河建筑等。

图2 倾斜摄影三维建模主要流程

为实现对单个水利工程模型的管理与操作，例如建筑物选择、属性查询、空间查询和专题地图操作，须对涉水工程进行单体化建模。倾斜摄影的实景模型单体化主要包括矢量切割、矢量叠加和模型重建 3 种单体化方式。由于倾斜摄影数据量大，采用矢量切割、叠加的方式更费时费力，因此本研究采用模型重建单体化方法，以倾斜摄影测量数据为基础数据源，通过模型重构在原始场景上达到分离效果，并利用航拍影像对模型进行纹理贴图、场景优化与整合，从而实现三维模型的单体化。对水利工程单体建模的内容进行细致划分，分为可视与可控两部分，再结合倾斜模型的微处理，实现水利工程单体模型与地形模型的融合和拆分。以月塘水库的闸站和闸门为例，单体化建模过程如下：首先将倾斜三维模型中闸站的闸门删除，重新进行单体化构建，实现闸门启闭动态展示及开启高度控制；然后对单体化模型进行局部处理，检查倾斜三维模型与单体化模型的接边问题与整合效果。单体化闸站和闸门与场景整合融合优化后的效果如图3 所示，单个闸门可以单独控制开启高度。

图3 单体化闸站和闸门与场景融合效果图

2.3 河道实景三维建模

利用河道垂直断面与河流面状矢量等数据对胥浦河进行交互式河道三维模型构建，主要流程如图4所示。

图4 河道三维建模主要流程

河道实景三维建模技术处理步骤如下：

1） 收集修正胥浦河面状矢量数据作为河道三维模型正投影面依据。处理步骤包括矢量数据收集及现实校正，其中现实校正以收集到的河道面状矢量数据为基础数据，结合最新 DEM 影像进行交互式叠加验证，修正河道面状矢量数据，提高数据准确性。

2） 收集河道断面文献资料构建河道垂直断面图。1966 年月塘水库建成后，水库以下为干流，胥浦河节制闸至铜山坝距离为 9.8 km，铜山坝至月塘水库距离为 8.2 km。入江口建有胥浦河节制闸，胥浦河分为一、二、三级河道，铜山坝是连接一、二级河道的重要建筑物，大遇坝是胥浦河上连接二、三级河道的重要建筑物。对文献资料进行数字化处理，得到的胥浦河典型断面矢量数据如表1 所示。

表1 胥浦河典型断面矢量数据

3） 按不同分段及高程依次叠加垂直断面数据，作为河道堤内基本断面形状，形成若干河底高程点数据。

4） 以水系面为基本形状，同比例缩小，作为河底基本形状，结合断面图中河底点位进行局部连接微调，形成河道基础矢量模型。

5） 连接相邻断面图同层拐点，形成立体的河道三维模型。

6） 以影像图中可见的堤顶道路为基本形状，结合高程数据，对河道堤顶模型进行修正，形成形状、高程均符合现实的堤顶模型。

7） 为提高模型叠加地形图后的融合程度，对河道外护坡进行延伸处理，确保叠加后不会出现断接现象。

8） 纹理贴图。以倾斜模型为实景模型，真实度最高，因此从倾斜纹理中提取纹理数据，再利用专业图形处理工具进行加工处理，可得到基础河道实景三维模型。

9） 整合与微调。将处理后的河道模型叠加至地形场景中并进行交互性微调，以达到地形、倾斜摄影、水利工程建筑单体、河道等多种模型的融合验证，最大限度地提高仿真效果。

2.4 多源实景模型融合

为满足数据共享需求，减少数据应用过程中的投影转换工作量，保证数据精度，将各项二/三维空间数据统一转换为 CGCS2000 坐标系统，高程采用1985 国家高程基准。有些河道断面数据资料尽管为 CGCS2000 坐标数据，但是在平面投影带号、高程基准等方面并不一致，因此须利用人工和空间 ETL（Extract - Transform - Load）工具相结合的方式作进一步的空间参考归一化转换。对三维空间数据也采用人工和空间 ETL 工具相结合的方式进行归一化转换，主要思路如下：

1） 人工判读模型元数据是否存在隐含的全局空间平移参数。若元数据中存在隐含的全局空间平移参数，则以人工方式按照统一结构进行记录；若不存在隐含的全局空间平移参数，则继续判断模型中除名称外是否存在自定义的对象属性。

2） 若存在自定义对象属性，则借助空间 ETL 工具输出标准格式属性表。

3） 继续判断数据是否为建模工具支持的数据格式。若不支持，则通过空间 ETL 工具自动转换为支持的格式，完成统一数据格式的处理工作。

针对三维地理场景、地形模型等数据结构差异，先用数据切片技术分别构建细节层次模型，满足实时可视化的高效渲染需求，然后借助 Cesium 三维可视化平台对实景模型进行展示与交互操作。多源实景三维模型的融合结果如图5 所示，其中三维模型的加载与控制完全按单体化模型服务处理，可实现每个模型的空间位置调整，方便微调与控制，提高与地形图的契合度，从而提升仿真程度与视觉感观。研究发现，大场景实景地形模型的精度与准确度不一定能满足业务需求，特别在精准单体模型加载时会出现不契合或与实际不相符的现象。为此，通过人机交互对地形进行校准、修正，形成数据互补、互为验证的良好数据生态，同时也能控制模型的空间位置，达到大场景实景模型、精准单体模型之间的最佳融合状态，为精准的水动力模型构建提供良好基础。

图5 多源实景三维模型融合结果

3 结语

本研究采用倾斜摄影、精准建模、交互融合等多技术协同，完成了多源实景三维数据的高效建模，示范性构建了包括流域大场景地形、重点水利工程精细、复杂河道三维等模型的快速构建。构建了月塘水库流域范围内约 4.4 km2的大场景地形模型；实现了流域范围内 12 个地点的水利工程、跨河建筑倾斜三维实景建模；重点对月塘水库溢洪闸及附属 5 孔闸门进行单体化建模与下游胥浦河河道快速建模，为水库预报调度与洪水风险分析决策提供更加直观、高效的三维场景辅助支持。

研究的不足之处在于实景模型主要展示数字高程模型、倾斜摄影影像、河道断面等地理场景，没有将建筑、植被、土壤类型等基础地理实体纳入建模体系。随着数字孪生流域建设的不断推进，今后可通过构建精度更高、要素更全的可视化模型，更好地实现不同类型、尺度数字的场景智能化模拟。