斷面測量數據融合技術在水利水電工程勘測中的應用

張學超 劉文波 孫翊博

傳統斷面測量方法有水準儀“皮尺法”、方向架加“抬桿法”、經緯儀視距法、全站儀法等。這其中共包括兩部分工作內容，第一是野外數據采集；第二是內業整理。此方法周期長、精度低、費時費工。隨著科技的發展，測量儀器雖有更新，但對工作效率無明顯改善。

就目前項目開展情況來說，工期緊任務重是水利水電設計的常態。如何利用好前期有限的基礎資料，超前完成滿足精度的斷面測量是目前所面臨的難題。在項目開展的初期，我們能夠先搜集到一部分比較粗略或時間比較久遠的地形圖、谷歌影像圖、三維數據等。但所形成的斷面信息還遠不能滿足設計需求，仍需要測量人員深入到現場進行實地測量。這也造成了大量基礎資料的浪費。為解決這一現象，將各種測量數據融合，綜合分析形成斷面測量繪圖數據是至關必要的。

斷面測量數據融合技術，旨在軟件開發的基礎上，先對多形式的內業數據進行采集，再根據需要有針對性的對外業數據進行采集。這種方法，大大減少了斷面測量所需要的時間，使斷面測量成果數據及圖件輸出變得更高效、更便捷、更智能化，極大地降低人工干預出錯率，提高了成果質量及精度[1-3]。

1 研究思路

1.1 數據融合思路

實現斷面測量數據融合就是采用“先內業，后外業，再內業”的工作模式，對斷面信息上的數據進行融合處理，再綜合分析生成斷面圖。

“先內業”指針對前期搜集到的相關參考資料，如CAD地形圖件、三維實景模型、谷歌影像圖、數字高程模型（DEM）等，進行預分析處理，預先提取斷面點的預處理數據。

“后外業”指在野外利用測量儀器設備等對內業預處理數據進行復合驗證，并補充預處理過程中沒有采集到的信息，如地形地貌有變化部分、樹林遮擋部分、水下地形部分等。

“再內業”指在野外現場工作結束后，利用開發軟件，將預處理數據與野外采集數據進行融合，從而得到1套完整的斷面測量數據。

這樣的作業流程可有效解決內外業測量信息不對稱造成的重復性工作、數據轉換過程中的信息丟失等問題，使外業工作周期大幅度縮短，勞動強度大幅度降低。

1.2 軟件研發思路

數據處理主要利用Excel VBA 二次開發編程技術，開發“宇博斷面處理助手”軟件，將室內采集數據與野外采集數據導入軟件中，通過軟件對2組數據進行融合整理歸類，形成特定格式的繪圖數據。

再利用AutoCAD lisp 二次開發編程技術，開發“斷面圖繪制”插件，實現繪圖數據到“斷面圖”的轉換。

這種方法使內業數據的分析整理及圖件的成果處理與輸出變得更加標準化和智能化，提高了工作效率，降低了出錯率。

2 設計方案

2.1 內業數據采集方案

水利水電項目不同勘測階段，對斷面測量的精度要求不同，需要有選擇性地使用有效底圖。底圖來源可以有多種，例如CAD 圖件數據、谷歌影像圖、數字高程模型DEM、三維實景模型等。這些底圖數據的提取方法如下。

2.1.1 CAD圖件數據

可利用自主研發的斷面點提取插件或南方CASS等軟件，在CAD圖件上直接提取斷面點數據，并自動保存成*.dat格式。

2.1.2 谷歌數據

在缺乏地形圖資料的情況下，也可以通過下載工程區的谷歌影像數據和高程數據，通過配準糾正后疊加到AutoCAD中（如圖1所示），再利用斷面點提取插件或者南方CASS等軟件提取斷面點數據。

圖1 疊加至CAD中的谷歌數據

2.1.3 三維實景模型數據

隨著科技的發展，越來越多的水電項目會借助三維實景模型了解工程區的工程地質條件。通過無人機傾斜攝影測量建立的三維實景模型，能夠很好地實現“把野外現場搬回家”的作業模式。三維實景模型成圖后如圖2所示。有了實景模型后，利用中水北方勘測設計研究有限責任公司自主開發的HydroGeo3D 軟件可在三維模型上提取斷面線和斷面點三維數據。但需注意的是，HydroGeo3D 軟件提取的三維數據為Excel 文件格式，還需要將其轉換為*.dat格式才能成為數據融合的基礎數據。

圖2 某工程三維實景模型

2.2 外業數據采集方案

基于數據融合的目的，在外業數據采集中主要可以采用碎部點測量的方法。水利水電工程多數位于高山峽谷地區，橫剖面方向地形變化大，山體陡峭，測量難度較高。按碎部點的模式采集數據，具有以下明顯優勢：

（1）一次架基站可以測量多條斷面，減少了多次架設基站所需要的時間。

（2）可以多人分小組同時進行，在斷面線上可不按順序隨意采集數據，避免了障礙物阻擋（比如跨河測量時）等造成的不便。

（3）斷面測量點平面誤差和高程誤差均是獨立的，避免了測量點多次轉點造成的誤差積累。

（4）斷面測量點可為測繪帶狀地形圖提供測圖數據或為后期的內業質量檢驗提供檢驗數據，做到一測多用。

3 融合處理軟件的開發與操作

利用Excel VBA 與AutoCAD lisp 語言，對Excel和CAD 進行二次開發，得到“宇博斷面助手軟件”與“斷面圖繪制”的插件。操作方法主要分為以下幾步[4-5]：

（1）分群數據的編輯。

（2）分群數據導入“宇博斷面助手軟件”。

（3）融合處理，異常點判斷。

（4）生成準確的繪圖數據。

（5）將繪圖數據導入CAD之中，利用“斷面圖繪制”插件形成標準化的斷面圖。

3.1 分群文件編輯格式

剖面的分群文件格式是固定的，命名有以下幾個原則：

（1）斷面名由標識符“DM”和“斷面名稱”組成，且單獨成行。

（2）數據信息的編寫方法為“點名，編碼，橫坐標，縱坐標，高程”的順序文件，不能錯亂編寫。

（3）為校正剖面方向是否準確，在每個斷面分群數據中，定義一個“基點”和一個“定向點”，數據編號用“jd”和“dx”來表示。

（4）為驗證內業數據采集的準確性，可在外業數據采集過程中對斷面上高程突變的陡坎、水邊線等位置采集數據信息，并在編號上進行標記，來驗證斷面數據的準確性。

（5）編輯后的數據文件格式必須為*.dat格式。

3.2 斷面成果及圖件輸出

經過融合、異常點判斷后，得到繪圖數據。這其中包含了斷面的名稱、方位、基點坐標、已經融合處理后的斷面高程、水平距離等信息。其中，還在斷面上的一些界線點做了標記，這對后期地質人員進行地質測繪有著重要的意義。完整的斷面繪圖數據輸出后，將其導入AutoCAD中，利用“斷面圖繪制”插件生成滿足使用需求的斷面測量圖，如圖3所示。

圖3 斷面圖件

4 結 語

（1）采用斷面測量數據融合技術，變革傳統的斷面測量數據采集依賴野外現場的作業方式，將多種手段獲得的斷面數據融合在一起，提高了斷面測量的工作效率與準確率。

（2）利用Excel VBA 與AutoCAD lisp 二次開發編程技術，開發“宇博斷面處理助手”軟件與“斷面圖繪制”插件，實現了斷面繪圖數據的批量輸出，并能在CAD中生成符合《水利水電工程制圖標準》要求的圖件。

（3）斷面測量融合后的數據成果對地質人員的現場測繪工作有著指導意義

（4）斷面測量數據融合技術，大大減少了測量人員的外業工作成本，實現了斷面測量內外業一體化的操作模式。