基于多尺度DEM 一体化融合技术构建水利枢纽三维地形技术研究与应用

阿曼·热夏提A MAN·Rexiati；董改改DONG Gai-gai

（①新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理局，和田 848000；②中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300202）

0 引言

研究背景和意义：

水利部党组贯彻落实习近平总书记关于治水重要论述精神和党中央、国务院重大决策部署，将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，将数字孪生流域作为数字孪生水利的核心和关键，先后印发《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》《“十四五”数字孪生流域建设总体方案》《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》等系列文件，组织行业内外有关单位编制了《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》等技术文件，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，在算据方面，要求建成覆盖全国的L1 级数据底板，主要江河流域重点区域建成L2 级数据底板，重点水利工程建成L3 级数据底板，监测数据自动采集率明显提升，智能感知技术广泛应用，为数字孪生流域提供全面及时“算据”支撑。乌鲁瓦提水利枢纽作为国家重点工程，为其建设了L2、L3 级数据底板。本文研究的技术就是数据底板的其中一种数据类型，为数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽提供“算据”支撑，并为构建三维可视化场景提供数据底座。

本文技术研究的意义有以下几点：①通过对不同尺度的DEM 数据融合试验，提出了一种一体化融合方法，提高了水陆一体化三维地形模型的准确性，为乌鲁瓦提数字孪生工程L3 级数据底板提供支撑数据。②利用不同尺度水陆的DEM 进行融合，实现了三维地形模型实用性，为乌鲁瓦提数字孪生工程库区计算库容曲线以及洪水淹没范围计算提供了数据基础。③利用不同期DEM 进行比对分析，获得淤积严重和冲淤变化明显区域的情况，为乌鲁瓦提管理局管理提供数据支撑。④水陆一体化三维地形模型的可视化展示为乌鲁瓦提管理局管理提供直观地形数据，方便管理人员做出判断决策。总之，本研究的意义在于提出了一种有效的方法，可以提高DEM 数据的精度和准确性，并为水利枢纽的规划和设计提供重要的参考依据。未来可以进一步探索该技术在其他领域的应用潜力，并完善其在实际应用中的细节和操作流程。

研究现状：

随着水利工程的发展，对水利枢纽的地形信息需求越来越大。传统的DEM 数据处理方法存在着缺陷，例如数据质量不高、缺乏准确性等问题。因此，研究人员开始探索新的技术来构建水利枢纽的三维地形模型。多尺度DEM 一体化融合技术是一种新兴的方法，其基本思想是将高分辨率和低分辨率的DEM 数据进行结合，以得到更全面、准确的地形信息。这种技术通过分析不同尺度上的地形特征，能够提取出更丰富的地貌信息，为水利工程的规划和设计提供了重要的参考。在实际应用中，可以进一步完善该技术，并探索其在其他领域的应用潜力。

研究目的和方法：

本文的研究目的是通过应用多尺度DEM 一体化融合技术构建水利枢纽的三维地形模型，并深入研究该技术在水利工程中汛期模拟、汛期预演、汛期预警的应用。

为了实现这一目标，本研究首先对制作DEM 的数据进行噪声点滤除、分类等处理，以提高DEM 数据的精度和准确性，再利用频率域通常采用傅里叶（Fourier）变换，应用不同的滤波器去除频域中的高频或低频部分，并将滤波后的频域部分相加，实现频域融合同时综合利用小波多分辨分析的时频细分与遍历寻优，从而能够得到准确可靠的融合解，为水利枢纽的建设和管理提供了可靠的基础数据。

1 多尺度DEM 一体化融合技术

1.1 技术原理

数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM，是通过有限的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。

DEM 的空间域融合一般是在DEM 数据的数值层面进行，加权平均融合是一种简单、直接的数据融合方法。

由于制作DEM 的数据有机载LIiDAR 获取的数据，无人船获取的数据、有人船获取的数据，还有高分7 立体像对获得的数据，不同源的多尺度的数据，制作DEM 的误差也有所不同，由此表现出不同的频率特性。由空间域变换到频率域通常采用傅里叶（Fourier）变换，应用不同的滤波器去除频域中的高频或低频部分，并将滤波后的频域部分相加，实现频域融合。最后，通过Fourier 逆变换将融合后频域转换到空间域，得到融合DEM。

DEM 融合更多的是要求高程数据的精度提高以及地形描述准确性的提升，由于不同数据源在低频和高频特性上的表现不同，其融合权重不能单纯地取大或者求加权平均，对低频系数与高频系数作不同权重下的融合，综合利用小波多分辨分析的时频细分与遍历寻优，从而能够得到准确可靠的融合解。融合流程如图1 所示。

图1 DEM 频率域加权最优融合流程图

所给出的低频系数与高频系数的加权因子计算步长为0.01，通过加权系数由0 到1 的遍历计算求得每一步对应的融合DEM 与中误差，从而得到遍历过程中的融合最优解与权重系数。

1.2 实验过程和结果

以数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽及库区的数据为背景进行了实验过程。乌鲁瓦提水利枢纽位于新疆维吾尔自治区境内和田河西支流喀拉喀什河中游河段，是一座具有灌溉、发电、防洪、改善生态等综合效益的大（Ⅱ）型水利枢纽工程，是国家“九五”重点工程，该工程具有灌溉、防洪、发电、改善生态等综合效益，工程兴建后对解决和田地区“四害一缺”即春旱、夏洪、盐碱、风沙和能源短缺，促进国民经济的发展具有重要作用。

乌鲁瓦提水利枢纽位于新疆维吾尔自治区境内和田河西支流喀拉喀什河中游河段，和田河主要发源于和田地区南部的喀喇昆仑山，是中国新疆维吾尔自治区和田地区境内一条典型的高山融雪补给型河流。和田河是塔里木盆地西南部最大河流，也是塔里木河现今的四大源流之一，玉龙喀什河和喀拉喀什河是和田河上游的东西两条支流。地理坐标为：东经79°06′18″～79°45′02″，北纬36°38′09″～37°01′53″。

实验区乌鲁瓦提水利枢纽及库区四周被干燥侵蚀的低山环绕，高俊挺拔，形态奇异，远观“银装素裹，原驰蜡象”莽莽昆山的风姿，近看湛蓝色的湖水，水清浪静，湖光倒影，景色十分秀丽，但交通不便，只有一条小路可行走，其中还有一段为无人区，无路可行。

考虑到乌鲁瓦提水利枢纽上游库区地理条件和地形特点，分别获取了陆地和水下地形数据，并进行预处理、DEM 制作，最后融合成水陆一体化DEM。

1.2.1 数据获取 陆地DEM 数据源采用无人机搭载激光LIDAR 系统和高分7 立体像对进行获取，水下DEM数据源采用有人船搭载双频单波束测深仪进行获取和无人船搭载便携单波束及RTK 配合专用测深杆进行获取。（图2-图4）

图2 无人机搭载激光LIDAR 系统

图3 有人船搭载双频单波束测深仪

图4 无人船搭载便携单波束

1.2.2 数据预处理 对获取的点云数据进行噪声点滤除、分类等处理，对高分7 立体像对进行空中三角测量、DSM 匹配，DEM 噪声点编辑等处理，对双频单波束测深仪、便携单波束及RTK 配合专用测深杆获取的点云数据进行汇总编辑，剔除粗差点，同时保证点间距满足要求。

1.2.3 DEM 制作 利用预处理后的地形数据点构建不规则三角网TIN，再按规则格网内插，生成指定格网间距的DEM。

1.2.4 DEM 融合 通过一体化融合算法，将不同尺度DEM 数据进行融合，生成新的DEM 数据。

1.3 实验结果

为乌鲁瓦提水利枢纽上游库区范围内陆地制作5m和15m 格网间距DEM、水下库区回水区制作2.5m 格网间距DEM、淤积严重区域制作0.5m 格网间距DEM，最后将这些不同尺度数据融合成水陆一体5m 格网间距DEM。融合后成果如图5 所示。

图5 融合后DEM 成果

图6 5m 格网间距DEM 调用

2 水利工程中的应用

2.1 规划和设计

数据高程模型（DEM）在汛期模拟、汛期预演、汛期预警和人员转移安置方面提供了“算据”支撑，基于数据底板中DEM、倾斜摄影数据等构建乌鲁瓦提洪水溃坝模型，计算乌鲁瓦提水利枢纽发生溃坝后，下游淹没情况。特别是模拟在极端工况条件下，基于DEM 可以模拟洪水的发生和发展过程，从而提前做好防范和应对措施。

2.1.1 完成乌鲁瓦提汛期模拟 随着科技的发展，地形地貌已经成为了我们理解和预测自然灾害的重要工具。特别是在汛期，通过利用地形地貌数据为基础的模拟和预演，我们可以更好地理解极端工况条件下的洪水情况，从而提前做好防范和应对措施。

2.1.2 完成乌鲁瓦提汛期预演 在汛期，我们利用收集和分析历史洪水数据，包括洪水的发生时间、地点、水位、流速等信息。通过对这些数据的分析，我们可以找出洪水发生的规律和趋势，从而预测未来可能发生洪水的时间和地点。在极端工况条件下，我们利用DEM 数据可以模拟洪水的发生和发展过程。例如，模拟乌鲁瓦提水利枢纽发生溃坝现象后的下游淹没情况，预演未来发生类似洪水时，可能会给下游造成的影响状况。通过汛期模拟、汛期预演这种方式，我们可以更好地理解洪水的破坏力，从而提前做好防范和应对措施。基于数据底板中DEM、倾斜摄影数据等构建乌鲁瓦提洪水溃坝模型，计算乌鲁瓦提水利枢纽发生溃坝后，下游淹没情况。根据模拟和分析，乌鲁瓦提水利枢纽溃坝后，涉及下游墨玉县的10 个乡镇、和田县的6 个乡镇。淹没人口25.05 万人，淹没面积542.89km2，其中和田县淹没面积为257km2、墨玉县淹没面积为286km2。

2.1.3 完成乌鲁瓦提汛期预警和人员转移安置 通过对历史洪水数据的分析和模拟，我们可以预测未来场次洪水可能发生的时间和涉及的村庄。通过模型计算，我们就可以提前发布预警，让下游人们有足够的时间进行疏散和防范。总的来说，数据高程模型（DEM）在汛期的制作历史极端条件下的模拟和预演中可发挥重要的作用。它不仅可以帮助我们理解洪水的规律和趋势，还可以帮助我们进行洪水预警，从而减少洪水带来的损失。随着科技的发展，我们相信数据高程模型（DEM）在未来的防洪工作中将发挥更大的作用。

2.2 建设和管理

通过利用数据高程模型（DEM）在汛期的模拟和预演，可判断水利工程以及下游人员财产等在什么情况下的安全情况，为管理者提示预警信号，管理者通过数据判断下一步方案，以保障水利工程以及下游人员财产等的安全。同时数字高程模型（DEM）在三维可视化搭建方面也是非常重要的数据之一，通过构建基于GIS+BIM 的三维可视化场景，对三维可视化数据进行分析和统计，并生成相应的报表为管理者决策提供数据支撑。提高管理者管理工作效率和质量，为水利工程建设和管理等领域的发展提供有力支持。

3 结论

3.1 总结研究工作

本文旨在研究和应用基于多尺度DEM 一体化融合技术构建水利枢纽三维地形模型，为水利工程的规划和设计提供可靠的参考依据。该技术的核心是利用多分辨率空间频域融合方法将高分辨率DEM 数据与低分辨率DEM 数据相结合。通过分析不同尺度上的地形特征，可以提取更丰富的地貌信息，并对DEM 数据进行改进的插值处理，从而得到更精细、准确的地形表面。实验结果表明，采用多尺度DEM 一体化融合技术构建的水利枢纽三维地形模型具有较高的精度和全面性。数字孪生乌鲁瓦提建设中DEM 数据的构建，不仅提供了高精度的地形信息，构建更加真实、准确的数字孪生模型，还为库容曲线计算、洪水淹没范围计算、冲淤变化分析、汛期模拟、汛期预演、汛期预警等提供数据基础，这些都是领导远程判断和分析强有力的数据支撑。

3.2 展望未来研究方向

在数字孪生乌鲁瓦提水利枢纽建设中，开展了基于多尺度DEM 一体化融合技术构建水利枢纽三维地形关键技术研究，取得创新和突破，为库容曲线计算、洪水淹没范围计算提供数据基础，在防汛调度指挥决策方面发挥重要作用。未来可在防汛调度指挥决策方面再深入研究DEM 的应用方向以及应用价值。