陈冠英
郑州市常庄水库库区管理处
摘要：水库库容、水库水位是水库运行管理的重要指标，受制于泥沙淤积、水库周边建设的影响，水库库容在运行若干年后会发生特征变化，其变化会影响到水库日常管理及调度运行的准确性。本次库容测量采用了多种测绘新技术，包括机载激光雷达航测、GPS RTK测量、无人测量船搭载双频单波束测深仪测深等，利用这些新技术精确获取了水上、水下一体的库区三维地形数据，通过提取库区各个水位的水体面积和体积，计算出了本次的库容曲线。这些新技术的应用极大地提高了库容复核的效率和精度，为水库运行管理工作奠定了坚实的基础。
关键词：无人机航测；机载激光雷达；双频单波束测深仪；无人测量船
水库库容曲线是水库运行调度的重要数据，库容曲线精度关系到水库防洪和运行管理工作的成效。受当时基本条件、测量仪器及技术限制，存在水库库容曲线数据偏差，加上水库运行期间受到库区建设、淤积、周边土地利用等变化因素的影响，水库库容曲线或多或少会存在变化，它将影响到水库防洪计算及后续治理开发的运行，因而库容曲线复核是水库精细化运行管理中亟需解决的重要实际问题。
近年来，随着测绘新技术的飞速发展，无人机激光雷达航测、无人船测深等测绘新技术得到了普及，这些新方案、新手段，使测绘模式趋于多样化、立体化，极大地提高了外业工作效率和测量精度，降低劳动强度。采用这些新技术使得水库库容曲线复核变得简单、高效，今后在建立水库库容变动数据方面具有较广的应用前景，以下是本次采用新方法进行库容曲线复核的主要技术流程。
一、控制测量和测量方法的选择
根据水库测量工作需要，首先收集以下测区资料：2000国家大地坐标系控制点、1985国家高程基准的D级控制点3个，分别为DA33、DA35和DA37。其次进行实地踏勘检查，DA33、DA35和DA37均保存良好。然后对DA33、DA35和DA37这3个控制点进行检核以判断是否可以作为控制网的起算点。利用GPS接收机通过静态观测进行边长检测，得出控制点准确无误，可以作为本次测量的起算点。
库区库容曲线复核分水面以上地形测量和水面以下地形测量两个部分，水上部分采用GPS RTK结合机载激光雷达的方法进行测量，水下部分深水区采用有人船只搭载测深仪进行测量，浅水区采用无人船搭载测深仪进行测量。
建议在枯水期和丰水期分别施测一次让两次测量有一部分重叠以提高库容计算的精度。
二、机载激光雷达、无人船测量系统简介
本文采用的无人船和无人机机载激光雷达测量系统主要由载荷平台、自动驾驶仪、传感器等部分组成。采用的测量工具及方法高效、安全、轻便等特点，是大中型水库、江河等水利工程水上、水下地形测量的最佳技术方案。无人系统除了装备有正常的航行设备外，还配置了自主导航、无线电通信和自动数据采集等功能，实现全自动测量，减少了人工干预、可以更加准确、客观地测量库区的地形地貌。
1.机载激光雷达工作原理
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机载激光雷达是激光探测及测距系统的简称，它集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定地面区域三维模型。
它最大的优势是可以全天候作业，尤其在植被覆盖区域有独特优势，其发射的激光脉冲可以透过植被缝隙从地面返回到传感器，从而获取真实的地面高程。
激光雷达植被过滤后模型效果图
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2.无人船测深工作原理
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水深=H2+H3
采用无人船模式计算水库水下地形点的高程的优点: ①不用测量水面高程；②由于 GPS 随无人船同升同落，无人船模式可以有效消除波浪上下起伏的影响，提高测量精度； ③无人船可以有效消除水深测量中动态吃水的影响；④可以在浅水区进行作业，不容易搁浅。
三、水库库区地形测量
水库库区地形测量分水面以上地形测量和水面以下地形测量两个部分，水上地形和水下地形可以同时进行，在测量过程中我们避开汛期，提高了库容测量数据精度。
1.水上地形测量
利用激光雷达获取的三维模型直接生成等高线，并内业采集各种地物数据，对内业判读不准确的地物进行外业补测、抽检，以求准确无误。
内业测量完毕后利用RTK对图面精度进行检查，并对发现的问题进行处理，确保测量数据准确无误。
2.水下地形测量
水深数据利用动态RTK采集测点的平面坐标，测深仪测量测点的深度，在测量过程中利用导航软件控制测量船航行轨迹、航速和测线的间距，使测船按预设测线航行。在数据采集中GPS RTK作业的有效卫星数不少于5个，PDOP值小于6；采用GPS RTK数字测图方式来进行岸边区域、小岛测量，动态GNSS外业数据采集时利用一到两个已知点进行检查，确保数据采集无误后进行测量。
三、机载激光雷达点云测量
在一个已知点点位上架设静态模式的GPS接收机，采集相同作业时段内的GPS数据，基站理论覆盖距离为25公里，依据本项目测区范围，考虑到安全性、方便性、高效性、准确性等多个因素，选取测区中间区域的已知点架设基站。采用机载激光扫描飞行平台和机载激光扫描仪，根据本次作业精度要求，为保证作业精度我们设计离地航高为100米左右，每个架次覆盖面积约为0.6km2，为保障飞行安全，每高差落差40米需要选择一个起飞点进行飞行任务，在山区需选择区域内最高点作为起飞点。参考原始文件测区内地形，同时参考OpenCycle等高线地图测区内地形地貌起伏情况，对测区内高差起伏有初步认识后，开始规划航线及做航飞计划。
通过对飞行设备上GPS模块的GNSS数据，联合基准站静态GPS数据进行解算。在Inertial Explorer中将GPS基站、GPS流动站、IMU数据进行组合导航解算，得到航迹文件。首先需要计算GPS流动站天线到IMU中心的偏心矢量，并在软件设置（每一套硬件有一个固定参数，定期进行检校）；其次，为每一个GPS基站输入控制点坐标，输入的坐标系为WGS84坐标系；最后，解算完成后，查看处理精度报告，包括姿态、位置精度、IMU处理状态、姿态、位置分离等，确认无误后输出航迹文件。
四、内业数据处理
SZT-R250设备集成的为Rigel品牌的扫描头，其默认的原始点云格式为RXP格式，在PointProcess软件进行点云分类处理，通过加载激光原始数据RXP文件、以及航迹文件，设置系统检校参数、坐标变换矩阵，可设置根据激光点反射率及距离进行粗滤波来过滤噪点，我们在此项目中为了确保点云精度，将扫描角度120度以外的角度进行滤波，把植被、建筑物精确过滤掉，保留真实的三维地面数据，输出LAS点云格式文件。
将无人船测量的水下地形和全站仪测量的水上地形进行接边融合，按地物、地貌要素，以点、线、面符号进行分类作业。编辑时均处理好了各要素的关系，各要素之间关系表示完整、合理、清晰，分层，将融合后的数据生成 CASS 展点格式的数据文件。
把精确采集的水上、水下三维地面点数据导入专业的绘图软件，进而生成DLG 线画图，结合不同的水位线计算出水库库容曲线。
五、精度检测及质量评价
在激光雷达航测结束后，采用GPS RTK 测量技术，对测区的特征点进行抽检，经过大量特征点抽检数据对比验证，最大检测地物点点位中误差为±6.5cm、最大地物点间距中误差为±5.6cm、最大高程注记点中误差为±9.1cm，检测精度满足规范要求，保证了较强的可靠性。
六、优势对比
1、测量效率的提高
（1）效率方面
本次测量水面以上部分占了近70%的工作量，采用机载激光雷达技术，从开始作业到内业成果提交换算成人/天的话，传统测量方式大约需要60人/天，新技术大约需要20人/天，效率是传统测量方式的3倍，总体效率提升约2倍。
（2）精度方面
传统测图的平均高程点间距约为20米，机载激光雷达的平均点间距可以达到0.5米，高程精度优于10cm，在计算体积的过程中更加精细化，根据其他项目的对比资料，在类似库区地形破碎区域，两种方法测量的体积测量误差在20%左右，点位密度越大，测出的体积成果越精确，由此可见采用激光雷达会显著提高体积测算的精度。
采用无人船技术可以测量到很多有人船只无法到达的地形复杂区域和浅水区，这些区域水下地形点的缺失会很大程度上影响水下体积的测算，而无人船则很好地弥补了这一缺点，做到应测尽测，最大限度地保证了水下地形的真实性，提高了水体体积的准确性。
综上，所用方法具有节约成本、节省人力、物力的特点，能快速、高效、准确地提取水库库容曲线，建议在以后的测量工作中推广使用。
七、结束语
随着测绘新技术的发展，将会有更多的新方法应用于水利工程测绘。针对水库库容复核测绘采用机载激光雷达和无人船相结合的地空协同立体测绘新模式，极大的提高了测量效率和测量精度。相信在不久的将来，架构将会更丰满、更高效，可以在不同的行业推广使用。
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