任志明1 邓中俊1 杨玉波1 智斌1 李春风1
中国水利水电科学研究院（北京100038）
摘要：水面边界线为当前库水位下水体与岸坡的交界线，对精确测量水下库容计算起到至关重要的作用。基于GPS的无人船测深系统作为一种新型的水下库容测量技术， 受水面边界线与自动控制平台间差异大、人工远距离控制难度大、水面以下深度过小以及其他不可控制因素影响，无法到达水面边界区域，进而影响水下库容测量结果的精确度。通过三维激光扫描系统测量得相应水位的水面边界线，依据GPS融合水面边界线点云数据与水下地形测量原始数据，能够较为准确地测算当前库水位水下库容值，进一步提高了水库淤积分析成果的可靠度。
关键词：无人船测量系统；三维激光扫描系统；水面边界线；下库容测量
水库工程经过数十年的运行过程中，受入库水流携带泥沙淤积的影响，改变了水库库底地形，导致了不同程度的泥沙淤积。为了保证水库工程的安全运行，并发挥水库工程的正常效益，需要对水库库底地形进行全面测量，对当前库容曲线进行复核，分析水库工程的淤积现状，依据库容曲线复核结果与淤积现状客观评价水库工程当前的运行状态。
1.无人船测量系统在水库库容测算中的应用概述
水库工程在运行期间需对水面以下地形进行实地测量，无人船测量系统作为一种新型的测量技术基本能够满足工程要求。无人船测量系统既能够避免工作人员水上作业，又能够实现水下地形测量作业的自动化与测量数据的信息化。无人船测量系统具有环境适应性强、测量效率高、自动化程度高等特点，在水库地形测量、库容计算与库容曲线复核、河道与湖泊水下地形测绘等工程领域得到了广泛应用。与传统测量方法相比，三维激光扫描系统可适用于野外工作环境恶劣、无法到达或攀爬的特定区域，能够很好地解决水库水面边界线测量难题，并在各地形测量项目中予以实践。
虽然无人船测量系统在水库库容测算中得到了应用，但是在水下地形测量过程中，无人船受到水面边界线与自动控制平台间差异大、人工远距离控制难度大、水面以下深度过小以及其他不可控制因素影响，无人船不能接近水面边界区域，无法采集相关区域的水下地形数据，由此推求计算的水库库容值小于实际库容值。本文将应用三维激光扫描系统测量得水面边界线点云数据，基于GPS融合水面边界线点云数据与水下地形原始数据，计算水下库容实测值，提高水库工程水下库容测量结果的精确度，绘制较为真实的水下地形等高线图，进而提升水库淤积分析结论的可靠度。
2.三维激光扫描系统
三维激光扫描系统采用非接触式扫描测量技术，能够快速高效的获取被测量目标区域的点云数据，通过不同测站之间点云数据拼接技术构建水库工程水面以上地形的整体点云数据模型，为水面边界线的选取奠定了基础。其工作原理如下：通过扫描系统得到扫描测站点之间到被扫描物体表面任一目标点的距离s，并获得测量瞬间激光脉冲的横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ，进而得到激光角点在物体表面的三维坐标值表达式如下（1），三维激光扫描仪的内部坐标系统如图1所示。
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3.水面边界线测量
三维激光扫描系统集成了多种高新技术，经过一定时期的发展，无论在硬件方面还是数据处理分析方面均取得了很大的突破，且在地形测量等工程领域得到了广泛应用，为水利工程水面边界线的测量奠定了基础。结合水库工程实例，确定水面以上岸坡地形测量控制网，均匀布置若干个测点，依次获取水库岸坡完整的地形数据信息，构建水库岸坡的空间三角形单元模型，能够抽取得不同库水位下的水面边界线。
以某一水库工程为例，该水库上游由两支流汇集，水库两岸分别布置了交通道路，并同支流水流方向反向延伸，两支流中间山体无法正常通行。在当前水位岸坡地形测量中，工程现场沿交通道路布置了156个三维激光扫描站点，共获取了约700.27万个点云数据信息，三维空间分布如图2所示。与当前库水位相应的水面边界线约2.54万个数据点，三维空间分布如图3所示。基于GPS全球定位系统，将水面边界线点云数据引入水下地形测量点云数据，构建了当前库水位相对完善的水下地形点云数据，三维空间分布如图4所示。
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分别计算不含水面边界线水下地形、含水面边界线水下地形相应的等高线面积~水深关系曲线分布如图5所示。由图可知：不含水面边界线下计算得当前库水位水面面积为1.97×106m2，含水面边界线下计算得当前库水位水面面积为2.69×106m2，不同工况下当前库水位水面面积差值为0.72×106m2，比率为26.62%。因此，在水下地形测量的面积计算中引入当前库水位水面边界线，增加了水下地形测量计算得面积值，提高了水下地形测量面积计算的精确度。
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图5 是否结合水面边界线不同等高线面积-水深关系曲线
分别计算不含水面边界线水下地形、含水面边界线水下地形对应的等高线库容-水深关系曲线分布如图6所示。由图可知：不含水面边界线下计算得当前库水位库容为40.21×106m3，含水面边界线下计算得当前库水位库容为44.78×106m3，不同工况下当前库水位库容差值为4.57×106m3，比率为10.21%。因此，在水下地形测量的库容计算中引入当前库水位水面边界线，增加了水下地形测量计算得库容值，提高了水下地形测量库容计算的精确度。
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图6 是否结合水面边界线不同等高线库容——水深关系曲线
5.结论
以水库工程为研究对象，在水下地形测量及其库容计算过程中，引入当前库水位对应的水面边界线，可得出如下结论：（1）严格控制不同测站的有效量程，优化库区各测站布置网络，应用地面三维激光扫描系统获取库区岸坡的点云数据信息，能够较为准确地抽取当前库水位水面边界线对应的三维空间点云分布状态；（2）在水下地形测量、等高线面积及其库容计算过程中，引入当前库水位水面边界线能够相对客观地计算无人船测深系统无法测量的盲区，提高了水下地形测量结果的精确度，提升了水下淤积分析的可靠度。
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【作者简介】任志明（1986.12-），男，汉族，山西省吕梁市人，博士研究生学历，中国水利水电科学研究院工程师，主要研究方向：水工建筑物检测与评价。
【基金项目】中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（项目编号EM0145B172020、EM0145B452019）；国家海洋局“海洋经济创新发展示范工作”项目。