面向中小型水利工程（河道／塘坝）的三维建模技术应用前景与技术适配研究

1 引言

1.1 研究背景与意义

我国中小型水利工程（河道、塘坝）总量超 2200 万处，其中河道总长超 30 万公里，塘坝总库容达 500 亿立方米，承担着全国 60% 以上的农田灌溉和 90% 的乡村防洪任务，其治理水平直接关系美丽乡村建设质量。当前传统治理模式存在明显短板：断面测量法在弯道区域易因采样点不足导致地形失真，某丘陵地区河道清淤中曾因测量误差过大，造成返工成本超标；全站仪测绘需专业人员操作，基层单位往往因技术力量不足导致工期延误。三维建模技术虽能突破这些局限，但现有方案多服务于大型工程，其设备投入远超中小型工程的预算承受能力。因此，研究适配中小型场景的 “低成本、轻量化” 三维建模技术，对提升基层水利治理能力具有重要现实意义。

1.2 国内外研究现状

三维建模技术在大型水利工程中已形成成熟体系，如长江三峡工程采用 BIM 技术实现坝体施工高精度控制，黄河小浪底水库通过激光扫描定期监测坝体变形量。但中小型工程领域存在显著研究缺口：国际上，德国巴伐利亚州在乡村河道治理中虽已推广消费级无人机建模，但其设备适配性未考虑我国山区复杂地形；国内研究多集中于技术引进，对 “中小工程” 的流程简化、成本控制研究不足。值得关注的是，消费级设备技术进步为适配提供可能 —— 大疆 Mavic 3 系列无人机的 RTK 定位精度达较高水平，流形科技留形机激光扫描速率较快，这些设备在中小场景的应用潜力尚未被充分挖掘。

1.3 研究内容与技术路线

研究内容涵盖三方面：一是构建设备选型矩阵，根据河道长度、塘坝面积推荐最优技术组合；二是开发轻量化流程，简化建模步骤；三是验证技术在清淤核算、水毁修复等多类场景的应用效果。技术路线采用 “四阶段循环”：首先通过多省份实地调研，梳理出 “预算有限”“地形复杂” 等核心需求；其次基于需求分析无人机、激光扫描等技术的适配参数；再选取典型工程进行技术验证；最后结合验证结果优化技术方案并推演推广路径。

2 中小型水利工程三维建模的核心技术与场景需求

技术原理方面：无人机倾斜摄影通过多视角采集影像，经运动恢复结构算法生成三维模型；手持激光扫描利用激光脉冲测距，生成高精度点云数据；GNSS 辅助通过实时差分定位补充控制点；BIM 轻量化则通过模型简化，减少数据量。

2.2 中小型水利工程的治理场景与建模需求

河道治理中，清淤需快速建模，精度需满足工程要求（传统方法误差较大）；生态护岸设计需精度控制在 0.5m 内以保障景观与功能协调。塘坝治理中，库容复核需小范围高精度数据，手持激光扫描可满足需求；坝体变形监测需低成本动态更新。共性需求可归纳为 “三易”：设备易携带、操作易上手、成果易应用。

3 面向中小型水利工程的三维建模技术适配性研究

3.1 低成本设备选型与组合策略

单一技术适配验证：在河南某河道清淤中，采用消费级无人机，建模成本较行业级设备显著降低，土方量核算精度较传统方法明显提升。技术协同适配在四川山区沟道中效果显著：无人机获取整体地形，手持激光补充细节，两者数据融合后模型完整度较高，较单一技术有明显优势。设备匹配矩阵明确：不同长度河道、不同面积塘坝及复杂地形分别对应适宜的技术组合。

3.2 简化数据处理流程与轻量化建模方法

数据处理流程优化体现在三方面：一是采用自动化建模功能，减少人工干预；二是开发点云精简算法，根据地形复杂度动态调整点密度，减少数据量；三是输出格式适配基层软件，便于直接应用。基层适配措施包括：制作操作演示视频，开发误差自检工具，经短期培训后技术人员可独立完成操作。

3.3 与中小型工程治理流程的融合适配

设计阶段：模型关联水利设计规范数据库，减少设计偏差。施工阶段：轻量化模型导入移动端设备，提升现场放样效率。验收阶段：通过施工前后模型对比，量化工程指标，替代人工主观判断。

4 三维建模技术在中小型水利工程中的应用前景分析

4.1 生态治理与景观提升领域前景

在生态修复中，三维模型可耦合水文动力学模拟，优化植物种植布局，提升存活率。景观设计方面，塘坝周边 “三生空间” 规划可通过模型可视化，提高方案认可度。预计未来几年，生态类项目应用率将逐步提高。

4.2 水毁修复与安全监测领域前景

水毁应急场景中，无人机可快速完成坍塌区域建模，为应急方案提供数据支持，较传统勘察效率提升明显。安全监测形成定期扫描模式，通过对比多期模型，及时发现坝体变形并采取措施，保障工程安全。该技术在水毁频发区推广潜力巨大。

4.3 技术推广的制约因素与突破方向

制约因素具体表现为：基层单位设备预算有限、专业技术人员不足、数据标准不统一导致成果复用率低。突破路径包括：建立设备共享平台，提高设备利用率；编制标准化培训材料，提升基层技术能力；制定数据标准，规范建模要求。

5 典型场景技术应用模式

5.1 中小型河道清淤工程

部分河道存在多处弯道，传统断面法因采样不足导致淤泥量核算偏差较大，造成成本浪费。技术适配采用消费级无人机，规划合理航线获取影像，快速生成模型。应用效果：淤泥量核算精度提升，节约成本，缩短施工周期。

5.2 小型塘坝水毁修复

某塘坝汛期坝体局部坍塌，传统目测判断修复范围有限，采用 “无人机 + 手持激光” 建模后，发现深层裂缝。技术实施：无人机获取坝体全貌，手持激光扫描裂缝细节，数据经专业软件处理。修复方案优化后，工程稳定性提升，延长使用寿命。

5.3 流域生态修复工程

某流域需兼顾防洪与生态，传统设计护岸硬质化率高，影响生态环境。技术适配采用无人机航测生成高精度水下地形，耦合水文模型模拟水流场，优化护岸设计。实施后，岸坡侵蚀减少，生物多样性提升。

6 结论与展望

6.1 主要结论

三维建模技术通过 “设备轻量化”“流程傻瓜化”“成本可控化”，有效适配中小型水利工程需求。在多类典型场景中，精度与效率较传统方法有明显提升，成本与耗时得到有效控制，且基层技术人员可掌握操作技能，具备大规模推广条件。

6.2 未来展望

技术创新可向三个方向突破：一是开发 AI 辅助建模系统，提升自动识别能力；二是构建数字孪生平台，实现动态模拟；三是推广便捷建模模式，满足应急需求。政策层面建议将三维建模纳入相关管理办法，逐步提高县域覆盖率。