[发明专利]河道水陆一体三维实景建模方法

说明书

本发明涉及一种河道水陆一体三维实景建模方法，步骤包括：主被动遥感数据融合的河道水下三维地形智能化反演方法、无人机机载LiDAR技术的河道陆上三维地形模型构建方法、基于BIM技术的水工建筑物规则化与结构化精细建模技术，以及水上水下一体化融合与场景构建技术等。本发明可形成河道水陆一体三维实景模型构建能力，拓展河长制信息化解决方案，支撑河湖库管理智能感知、水利工程全生命周期监测等对基础地理信息数据的需求，服务水利数字化、智能化建设。

技术领域

本发明涉及一种基于地形特征的自适应水深模型分区加权融合方法，该方法通过多源水深数据和模型预处理(包括海图矢量化、数学基础统一、数据清洗等步骤)、数字水深模型(DBM)质量验证与对比、多尺度地形分割与分区、最优空间域加权融合、实测点恢复和自适应邻域统计滤波的步骤，得到一个更高质量的无缝南海水深数据集，为大规模海底地形数据集的及时重建和更新提供了有价值的参考。

背景技术

自2016年河长制全面推行以来，在河湖库管理智能感知、水利工程全生命周期监测等方面，对实景基础地理信息数据的需求依然突出，无法适应水利数字化、智能化建设进程。

河道水下测量是一项基础性水下测绘工作，目的在于获得河道地形点的三维坐标，主要测量位置、水深、水位、声速、姿态和方位等信息，其核心是水深测量。目前普遍使用的是GNSS-RTK技术、多波束回声测深技术，获取水下三维坐标。近年来，光学反演与声学探测融合成为热点，主要集中在集成高光谱与声纳数据的水下地形反演算法优化，聚焦探索水深和高光谱数据存在的非线性关系(Cheng et al.,2014；Poursanidis et al.,2019)。在可见光遥感测深方面，随着机器学习、深度学习在遥感领域的渗透，BP神经网络算法等经验模型得到了广泛应用，且提取精度较高(Collin et al.,2017)。有效的数据融合能够克服单一观测数据的限制，可以提高数据的利用效率。

水陆一体三维地形过渡区数据空洞修复问题，是数字地形模型生产方面的热点之一。水上水下地形一体化生产水平、高保真三维场景快速构建能力依然有待提升，亟待利用不同类型、不同来源和不同精度的水陆地形数据互补信息，开展多源地形数据支持的水上水下一体化无缝融合方法等研究。当前，利用无人机、测深仪、BIM技术等手段已实现了项目信息与基础数据的结合，构建了信息共享、集成运用的管理平台(任诚等,2019；闫文娟等,2019)。针对建设工程项目管理中存在的“信息化程度低，监管手段落后”等问题，通过无人机倾斜摄影与BIM技术的无缝融合，建立水上水下一体化河道场景，一定程度提高了工程管理信息化水平(张晓庆等,2020)；利用无人机航测技术用于城市高架桥逆向建模工程中，可通过快速获构建和融合DEM、正射影像图、BIM模型等数据，建成高架桥数字表面模型(刘尚蔚等,2016)；无人机捕获图像与位置数据相结合，获得具有地理坐标的实景三维模型，可用于表面特征、面积测量等相关应用(张慧莹等,2019)。显然，水陆一体三维实景建模与遥感地理信息技术深度融合，才能实现真正的水陆三维实景建设，然而水利行业所需的水上水下一体化场景快速构建的研究和发明相对较少。

虚拟现实是模拟和反映真实世界的手段，而建模技术是虚拟现实中的核心技术(袁婷等,2021)。因此，面向水文感知水平提升、河道空间布局优化、水利监测功能完善等一系列数字水利工程的实际需求，推动水利“新基建”建设，亟待开展基于遥感与地理信息技术的河道水陆一体三维实景模型建设与应用示范。为了发挥水利工程中三维实景地形和单体化模型的优势，需要开展基于BIM技术的水工建筑物规则化与结构化精细建模，采用基于CityEngine的采取规则化建模方法为主，第三方BIM软件(Revit，3D Max，Blender等)结构化建模方法为辅，多种建模手段(如SFM摄影测量)相互配合的协同建模方法研究、发明与应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：河湖库管理智能化感知、水利工程全生命周期自动化监测等领域，亟需集成融合多源遥感、地理数据，形成水上水下地形一体化生产、精细三维场景快速构建能力，构建一套切实可行的河道水陆一体三维实景模型建设方法体系，技术流程如图1所示。