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。