黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題及方法探討

張建國(guó)董亞維李晶晶左 強(qiáng)

(黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局,陜西 西安710021)

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民群眾在長(zhǎng)期同水土流失斗爭(zhēng)實(shí)踐中創(chuàng)造的一種行之有效的水土保持工程措施,在解決入黃泥沙問(wèn)題、確保黃河安瀾方面發(fā)揮了重要作用。根據(jù)水利部2019年開(kāi)展的黃土高原地區(qū)淤地壩專項(xiàng)調(diào)研評(píng)估結(jié)果,截至2019年11月,黃土高原地區(qū)共有淤地壩58 776座,其中大型壩5 905座、中型壩12 169座[1]。因此,無(wú)論從功能還是數(shù)量上看,淤地壩對(duì)黃土高原地區(qū)水土流失治理和管理工作都至關(guān)重要。攔沙淤地是淤地壩的主要功能之一,準(zhǔn)確估算淤地壩攔截泥沙量是科學(xué)評(píng)估淤地壩減沙效益和安全運(yùn)用的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)于流域淤地壩管理、水土流失治理和黃河水沙變化趨勢(shì)研究起到指導(dǎo)與支撐作用。

1 黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)的重要性

(1)科學(xué)評(píng)價(jià)淤地壩的減沙效益。淤地壩作為治理水土流失的關(guān)鍵措施之一,迫切需要人們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)淤地壩建設(shè)的實(shí)際效益,其中,淤地壩攔截泥沙量是衡量淤地壩減沙效益的重要指標(biāo)。以往的淤地壩或壩系建設(shè)大都在建設(shè)完成后進(jìn)行一次性驗(yàn)收或鑒定,很難全面評(píng)價(jià)其真實(shí)成效,尤其減沙效益需要長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)才可進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)建立科學(xué)、高效的淤地壩監(jiān)測(cè)體系,利用現(xiàn)代信息技術(shù)、3S技術(shù),快速獲取淤地壩攔沙淤積量及所在區(qū)域小流域徑流泥沙等信息,可為正確評(píng)價(jià)淤地壩建設(shè)的真實(shí)攔沙成效提供科學(xué)依據(jù)[2-3]。

(2)支撐水土流失綜合治理規(guī)劃的制定。黃土高原水土流失治理自20世紀(jì)80年代步入以小流域?yàn)閱卧木C合治理階段[4],并且將這一經(jīng)驗(yàn)沿用至今。水沙情勢(shì)、流域產(chǎn)沙模數(shù)一直是小流域綜合治理規(guī)劃的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)合理布局各類水土保持措施和控制流域土壤侵蝕的發(fā)生至關(guān)重要。淤地壩是記錄小流域侵蝕產(chǎn)沙信息與歷史過(guò)程的重要載體,通過(guò)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)可以摸清流域侵蝕產(chǎn)沙模數(shù),作為流域綜合治理規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù),同時(shí),對(duì)已建水土流失治理工程也能夠起到評(píng)價(jià)和指導(dǎo)作用[5]。已有研究發(fā)現(xiàn)由于土壤侵蝕模數(shù)調(diào)查值較淤地壩設(shè)計(jì)值顯著降低,造成淤地壩空壩率上升,使淤地壩長(zhǎng)期保持負(fù)效應(yīng)[6]。目前,有關(guān)水土保持專家呼吁基于黃河水沙與黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展新形勢(shì),實(shí)時(shí)調(diào)整黃土高原水土流失治理格局[7-8],因地制宜,精準(zhǔn)布局適宜措施類型和規(guī)模。因此,基于淤地壩攔沙情況,正確和實(shí)時(shí)了解流域產(chǎn)沙情況,及時(shí)調(diào)整規(guī)劃,對(duì)我們水土流失治理工作具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

(3)服務(wù)淤地壩安全運(yùn)行管理工作。20世紀(jì)70年代以來(lái),隨著全球氣候變化和水土流失情勢(shì)變化,黃土高原地區(qū)典型的淤地壩水毀事故發(fā)生十余次,對(duì)下游群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大影響,淤地壩運(yùn)行管理和洪水風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題已受到了社會(huì)各界和各級(jí)政府的高度關(guān)注。淤地壩的攔沙淤地和防洪減災(zāi)功能與有效攔沙庫(kù)容密切相關(guān),隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),有效庫(kù)容減小,淤地壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)相應(yīng)增加[9-10]。近年來(lái),水土保持學(xué)術(shù)界和各級(jí)水行政主管部門著力推進(jìn)淤地壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析和汛期安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的開(kāi)發(fā)[11]。馬瑞等[12]構(gòu)建了甘肅省淤地壩工程的潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,經(jīng)分析水面/泥面距淤地壩高的距離、剩余淤積庫(kù)容是影響淤地壩安全風(fēng)險(xiǎn)的最大權(quán)重評(píng)價(jià)指標(biāo)。陳祖煜院士課題組通過(guò)“家譜法”算法以及壩系內(nèi)部洪水演進(jìn)程序等構(gòu)建淤地壩系連潰風(fēng)險(xiǎn)分析模型,引入攔沙淤積量概念,研究發(fā)現(xiàn)淤地壩潰壩的臨界雨量與自身淤積高程具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[13-15]。因此,科學(xué)合理的攔沙淤積數(shù)據(jù)是確保黃土高原地區(qū)淤地壩安全運(yùn)行和水土保持生態(tài)建設(shè)健康發(fā)展的必要基礎(chǔ)。

(4)推動(dòng)淤地壩相關(guān)水土流失科學(xué)研究。過(guò)去幾十年,由于黃土高原水土流失治理的緊迫性,人們更多關(guān)注淤地壩的建設(shè)、效益發(fā)揮和運(yùn)行管理等,有關(guān)淤地壩攔沙減沙等基礎(chǔ)理論研究還不夠深入[16-18]。隨著“有條件的地方要大力建設(shè)旱作梯田、淤地壩等”新建設(shè)思路的提出及在黃河水沙銳減新形勢(shì)的背景下,探索和研究淤地壩的相關(guān)理論機(jī)理顯得尤為重要。目前,淤地壩相關(guān)科學(xué)研究方面,關(guān)注點(diǎn)主要集中在淤地壩對(duì)流域徑流產(chǎn)沙和河道形態(tài)變化影響,泥沙淤積特征、減沙減蝕作用機(jī)理,以及量化流域泥沙來(lái)源中坡面泥沙和溝道泥沙指標(biāo),分析坡面侵蝕與溝道侵蝕間的相互聯(lián)系和作用等方面[18-19],科學(xué)合理的攔沙淤積量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是探索這些科學(xué)問(wèn)題的重要基礎(chǔ),也是客觀把握黃河產(chǎn)沙情勢(shì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

近年來(lái)雖然有關(guān)管理部門對(duì)黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積情況進(jìn)行了幾次普查,但是普查指標(biāo)多集中在淤地壩數(shù)量、分布、功能、效益和累計(jì)攔沙量等方面。由于淤地壩在黃土高原呈散點(diǎn)狀分布,開(kāi)展大區(qū)域攔沙淤積調(diào)查工作量較大,且快速、準(zhǔn)確獲取攔沙淤積的監(jiān)測(cè)方法還是一個(gè)難點(diǎn),目前關(guān)于大區(qū)域淤地壩淤積過(guò)程和逐年淤積量的監(jiān)測(cè)資料少之又少。因此,總結(jié)分析淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀,探索研究攔沙淤積監(jiān)測(cè)新技術(shù)新方法,對(duì)黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)具有重要意義。為此,本文系統(tǒng)分析和梳理了黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)中的存在問(wèn)題,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)提出了新時(shí)期適合淤地壩攔沙淤積的遙感監(jiān)測(cè)方法,以期為黃土高原地區(qū)科學(xué)開(kāi)展淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)存在問(wèn)題

2.1 攔沙淤積實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限,不能滿足科研和生產(chǎn)需要

自1990年代以來(lái),淤地壩一直是水土保持研究的重要課題。歷史上,黃土高原地區(qū)大規(guī)模的淤地壩調(diào)查主要有1989年陜北淤地壩調(diào)查、黃河上中游管理局組織實(shí)施的黃土高原地區(qū)水保措施調(diào)查(截至1999年),2011年全國(guó)水利普查骨干壩普查等,分別通過(guò)人工調(diào)查的方法獲取了截止相應(yīng)年份的淤地壩數(shù)量、分布和淤積情況等。此外,2015年延安市、2016年鄂爾多斯市、2012年和2016年寧夏回族自治區(qū)等也曾分別對(duì)境內(nèi)相關(guān)市縣進(jìn)行了淤地壩調(diào)查,相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)分析淤地壩攔沙效益、區(qū)域土壤侵蝕、泥沙來(lái)源等起到關(guān)鍵支撐作用[19-20]。但因黃土高原淤地壩數(shù)量眾多,每次調(diào)查范圍有限,且難以每年對(duì)其攔沙量進(jìn)行調(diào)查,目前已獲得的淤地壩攔沙量都是累計(jì)到調(diào)查年份的淤積量,關(guān)于淤地壩次降雨或逐年攔沙量的數(shù)據(jù)更是少之又少[21]。在黃河水沙變化具有時(shí)段特征的情況下,分析次/逐年的攔沙量特征對(duì)建立小流域產(chǎn)沙模型和揭示環(huán)境變化的侵蝕泥沙響應(yīng)尤為重要。因此,相對(duì)黃土高原眾多淤地壩的規(guī)模和運(yùn)行情況,現(xiàn)有調(diào)查成果的范圍、內(nèi)容、時(shí)效等遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足科研與生產(chǎn)活動(dòng)的需要。

2.2 監(jiān)測(cè)方法不適于大面積推廣且精度較低

目前淤地壩攔沙淤積量獲取方法主要可分為兩大類:①推算法。常見(jiàn)的方法主要有放射性核素137Cs示蹤技術(shù)[22]、數(shù)學(xué)建模[21]、泥沙淤積體概化模型[23]、水文比擬法估算[24]或典型淤地壩調(diào)查等[25]。張信寶等[26]利用放射性核素137Cs示蹤技術(shù)和黏粒含量變化,估算了黃土丘陵區(qū)云臺(tái)山溝小流域淤地壩1960—1970年年均產(chǎn)沙模數(shù)為12 696 t/(km2·a),該技術(shù)能夠獲取暴雨場(chǎng)次的淤積量,但受地表環(huán)境中137Cs元素沉降的影響,更適用于獲取1963年以后新建壩的歷史淤積數(shù)據(jù)[22],同時(shí)137Cs存在量計(jì)算時(shí)背景值的采樣點(diǎn)的條件比較苛刻,對(duì)結(jié)果影響較大。在建模方法中,有研究通過(guò)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法,建立降雨資料和淤積信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)行攔沙淤積預(yù)測(cè)和模擬[21];楊吉山等人[27]通過(guò)引入壩控流域面積、平均侵蝕強(qiáng)度、攔沙率等因素建立了淤地壩逐年攔沙量計(jì)算公式,獲取了清水河流域1971—2012年淤地壩的逐年攔沙量。這些方法多數(shù)基于某種理想的均一條件假設(shè)進(jìn)行的推算分析,且需要有較為詳細(xì)的降雨、流域水文站實(shí)測(cè)泥沙資料等,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值有一定偏差,實(shí)際應(yīng)用中受地域、基礎(chǔ)資料等條件限制。②實(shí)測(cè)法。通過(guò)人工野外調(diào)查淤積剖面或淤積高度/高程、淤積面積等,計(jì)算分析攔沙淤積量。在科學(xué)研究中,應(yīng)用較多的有利用壩庫(kù)中泥沙的沉積旋迴層,區(qū)分每次侵蝕產(chǎn)沙事件的淤積厚度進(jìn)而獲得攔沙淤積量。該方法可以獲取次侵蝕性降雨的產(chǎn)沙信息,結(jié)合降雨資料,可定量研究流域土壤侵蝕機(jī)理和壩地沉積物組成,但該方法要求采樣者有較為豐富的經(jīng)驗(yàn),受主觀性影響較大[28]。在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)用較為廣泛的是壩高—庫(kù)容曲線法,利用差分GPS技術(shù)或者全站儀實(shí)測(cè)淤積面實(shí)際高程,查找設(shè)計(jì)文件中的壩高—庫(kù)容曲線確定淤積量[29-30],在庫(kù)容曲線缺失時(shí),也可以利用壩控范圍內(nèi)的1∶10 000地形圖重構(gòu)淤地壩庫(kù)容曲線。此外也有人們通過(guò)布設(shè)監(jiān)測(cè)標(biāo)尺以獲取當(dāng)年的淤積厚度與淤積量,但無(wú)法獲取歷史數(shù)據(jù)。

有研究[23]表明實(shí)測(cè)法相較通過(guò)放射性核素、淤積體概化等推算法獲取的攔沙淤積量更為可靠,魏艷紅等[31]利用差分GPS技術(shù)或者全站儀得到淤積高程,并結(jié)合大比例尺地形圖獲取攔沙淤積量,被認(rèn)為是估算淤地壩泥沙淤積量較為準(zhǔn)確成熟的方法,應(yīng)用較多。但在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的新形勢(shì)下,淤地壩攔沙淤積量逐年減小,每年或次降雨淤積厚度可能為厘米級(jí)甚至毫米級(jí),我們基于1∶10 000地形圖建立的庫(kù)容曲線,高程精度僅為1 m,遠(yuǎn)不能滿足監(jiān)測(cè)需求。因此通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn),目前方法獲取的泥沙精度相對(duì)較低,且多用于科學(xué)研究和小流域尺度,在宏觀尺度上展開(kāi)調(diào)查通常耗費(fèi)大量人力物力,效率較低,對(duì)宏觀尺度的淤積調(diào)查支撐不足,不適宜大范圍生產(chǎn)推廣。

3 淤地壩攔沙淤積遙感監(jiān)測(cè)

近年來(lái),隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)人機(jī)航空遙感和航天遙感技術(shù)為解決淤地壩傳統(tǒng)淤積監(jiān)測(cè)方法精度低、效率低、大區(qū)域調(diào)查難以推廣等問(wèn)題提供了可能。從廣義的角度講,淤地壩攔沙淤積過(guò)程,是地表形變的一種,目前,礦區(qū)沉降、滑坡、大壩變形等地表形變監(jiān)測(cè)采用的遙感技術(shù)主要有無(wú)人機(jī)傾斜攝影、無(wú)人機(jī)載LiDAR和INSAR技術(shù)等,通過(guò)監(jiān)測(cè)高程變化進(jìn)而分析地表變形的空間特征。因此,本文借鑒地表形變常用遙感監(jiān)測(cè)方法,重點(diǎn)分析遙感技術(shù)在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的原理、關(guān)鍵影響因素,對(duì)比分析傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)正射測(cè)量、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、無(wú)人機(jī)載LiDAR和衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)差分干涉(DInSAR)等測(cè)量方法的監(jiān)測(cè)精度、工作量和可行性等,針對(duì)淤地壩攔沙淤積不同監(jiān)測(cè)需求,探索可復(fù)制可推廣的遙感監(jiān)測(cè)方法。

3.1 攔沙淤積遙感監(jiān)測(cè)方法與關(guān)鍵影響因素

3.1.1 攔沙淤積遙感監(jiān)測(cè)方法 淤地壩攔沙淤積量的獲取主要基于淤地壩淤積區(qū)域內(nèi)多期高精度數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、DEM等測(cè)量成果,通過(guò)DOM勾繪淤地壩淤積體范圍,對(duì)淤積體范圍內(nèi)多期DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加求差運(yùn)算,生成淤積體數(shù)字高程變化模型,從而精確獲取每座壩攔沙淤積量。因此,DOM地面像元分辨率和DEM高程精度是影響攔沙量精度的主要指標(biāo)。目前,根據(jù)無(wú)人機(jī)航攝技術(shù),水平平面精度可達(dá)到厘米或毫米級(jí),能夠滿足監(jiān)測(cè)精度需求,因此,如何提高航測(cè)高程精度成為準(zhǔn)確計(jì)算攔沙淤積的關(guān)鍵[32]。

3.1.2 影響遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵因素

(1)植被、水域等地表要素。淤地壩通過(guò)攔截泥沙形成壩內(nèi)淤積區(qū),由于淤積區(qū)內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平整,水肥條件優(yōu)越,通常建成短期內(nèi)即可恢復(fù)植物生長(zhǎng)。通過(guò)遙感手段獲取的第一手影像成果為數(shù)字地表模型(digital surface model,DSM),通常是包含植被、地表建筑物和移動(dòng)物體等非地面數(shù)據(jù)的高程模型,需進(jìn)行非地面數(shù)據(jù)剔除才可生成DEM。目前,DSM生成DEM一直是一個(gè)難點(diǎn),尤其植被因素的剔除,傳統(tǒng)方法是人工識(shí)別植被覆蓋區(qū)域,然后從DSM的高程中減掉與植被類型無(wú)關(guān)的均勻植被高度偏差,但植被的高度不是完全均勻,這一過(guò)程既增加了工作量,又降低了DSM精度,對(duì)攔沙淤積量的計(jì)算影響較大;另外,在黃土高原地區(qū)淤地壩不宜長(zhǎng)期蓄水但確有蓄水需求的地區(qū)[33],在非汛期有蓄水情況,且新建成淤地壩中,低于放水建筑物的淤積區(qū),即“死庫(kù)容”會(huì)存在一定水量,由于水面掩蓋淤積面而無(wú)法開(kāi)展無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)。因此,如何排除植被、水域等影響是遙感監(jiān)測(cè)需要考慮的關(guān)鍵因素。

(2)精度要求較高,且重點(diǎn)關(guān)注相對(duì)精度。黃土高原地區(qū)降雨年際變化大,年內(nèi)分布不均,多集中于汛期,且以暴雨形式為主,攔沙淤積多發(fā)生在少數(shù)的幾場(chǎng)暴雨中,多數(shù)降雨不會(huì)產(chǎn)沙或少量產(chǎn)沙,因而淤地壩攔沙淤積厚度會(huì)波動(dòng)在毫米至米之間[34]。魏艷紅等[35]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)延河流域典型壩2014—2016年年淤積厚度在0.2～2.5 cm之間;另外,根據(jù)2016年鄂爾多斯地區(qū)淤地壩攔沙效益調(diào)查結(jié)果,現(xiàn)狀淤地壩(建壩10 a內(nèi))年均淤積厚度為14.36 cm,其中年均淤積厚度20 cm以內(nèi)的淤地壩數(shù)量占到74.97%,10 cm以內(nèi)的占到49.93%。因此,綜合考慮年均和最小淤積厚度,淤地壩攔沙淤積高程方向精度應(yīng)達(dá)到厘米級(jí)。目前,國(guó)家現(xiàn)行比例尺成圖精度要求最高為1∶500,DOM精度要求為30 cm,高程1級(jí)精度平地為20 cm,可見(jiàn)攔沙淤積監(jiān)測(cè)要求的精度高于國(guó)家現(xiàn)行比例尺的最高精度要求。此外,在精度方面,大多數(shù)DEM評(píng)估都關(guān)注絕對(duì)垂直精度,將建模的高程與相對(duì)于已建立的垂直基準(zhǔn)(地理參考)的真實(shí)高程相關(guān)聯(lián),但在淤地壩淤積厚度監(jiān)測(cè)中,主要通過(guò)兩期DEM的高程差獲取,更多關(guān)注高程的相對(duì)精度,在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中,可根據(jù)不同需求適量布設(shè)相控點(diǎn)。

(3)滿足“技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)合理”的總原則。目前,通過(guò)遙感手段開(kāi)展淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)尚處于技術(shù)探索階段,相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段,具有省時(shí)省力的優(yōu)勢(shì),但同時(shí)成本、技術(shù)要求也較高。此外,不同遙感監(jiān)測(cè)手段獲取的數(shù)據(jù)類型、精度、經(jīng)濟(jì)成本等不同,因此,應(yīng)根據(jù)淤積監(jiān)測(cè)需求選擇科學(xué)、合理的遙感監(jiān)測(cè)手段,在技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上合理。

3.2 不同遙感監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

3.2.1 無(wú)人機(jī)正射測(cè)量 低空無(wú)人機(jī)正射測(cè)量是由飛行平臺(tái)搭載相機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行垂直攝影,通過(guò)單一垂直影像數(shù)據(jù)生成DOM,DSM等測(cè)繪產(chǎn)品,并制作數(shù)字高程模型DEM,具有方便靈活、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)成本低的優(yōu)勢(shì)。目前,無(wú)人機(jī)正射測(cè)量已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)不同的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[36],由于其能獲取高分辨率的DOM光學(xué)影像,平面精度通?？蛇_(dá)到厘米級(jí),紋理信息豐富,因而應(yīng)用主要集中在農(nóng)業(yè)、林草業(yè)、電力、自然災(zāi)害、水利等地表活動(dòng)監(jiān)測(cè)。但在應(yīng)用時(shí),受測(cè)區(qū)地形條件、無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)、設(shè)備性能、控制點(diǎn)布設(shè)等因素影響,獲取的DEM高程精度通常難以保證,結(jié)果差異較大[37],且生成DEM成果時(shí)受植被干擾較大,高程精度偏低,優(yōu)于1∶500的DEM數(shù)據(jù),最高的垂直精度為0.1 m左右。在外界控制條件相對(duì)理想的情況下,高程平均誤差能達(dá)到±(0.05～0.2)m[38]。

3.2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量 無(wú)人機(jī)傾斜攝影是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多鏡頭相機(jī),在飛行過(guò)程中從垂直、傾斜等多個(gè)角度同時(shí)采集影像,通過(guò)內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等處理獲得具有地物全方位信息數(shù)據(jù)的技術(shù),可同時(shí)獲得DOM,DSM和實(shí)景三維建模數(shù)據(jù)等。相較傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)正射測(cè)量,傾斜攝影技術(shù)由于采集影像多角度、高重疊度,有更加豐富的側(cè)面紋理信息,因而在真三維模型制作和高程精度提升方面凸顯優(yōu)勢(shì),且后期處理軟件相對(duì)較為成熟,可兼容大型固定翼飛機(jī)、大中小型無(wú)人機(jī)、街景車、手持式數(shù)碼相機(jī)等各種硬件采集的數(shù)據(jù)源,具有高性價(jià)比、高精度、高效率等優(yōu)勢(shì),但同樣在生成DEM成果時(shí)無(wú)法排除植被因素的影響。目前國(guó)內(nèi)傾

斜攝影測(cè)量技術(shù)仍處于快速發(fā)展的推廣階段,初期主要應(yīng)用在智慧城市、城市規(guī)劃、國(guó)土資源等方面[36],近年來(lái)逐漸在廢棄礦山、土方量等有所應(yīng)用,但淤地壩攔沙淤積測(cè)量中還未見(jiàn)報(bào)道。已有的研究表明在實(shí)際應(yīng)用中傾斜攝影技術(shù)高程精度可達(dá)到0.06 m左右[39]。有研究對(duì)比分析了傳統(tǒng)正射模式與五鏡頭傾斜攝影測(cè)量在是否使用機(jī)載PPK、地面控制點(diǎn)及其密集程度等不同模式下的高程精度發(fā)現(xiàn),在嚴(yán)格統(tǒng)一的外部數(shù)據(jù)采集條件和參數(shù)基礎(chǔ)上,傾斜攝影的高程精度相較傳統(tǒng)的低空正射模式可提高0.23%～97.83%,絕對(duì)定位精度能達(dá)到亞米級(jí)[40]。

3.2.3 無(wú)人機(jī)載LiDAR 無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR是將無(wú)人機(jī)與激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合形成無(wú)人機(jī)載LiDAR系統(tǒng),通過(guò)位置、距離、角度等觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取對(duì)象表面點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),形成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)濾波和地面點(diǎn)插值形成DSM和DEM,反映地表空間的變化。該技術(shù)已在礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)、大壩變形、城鎮(zhèn)規(guī)劃、事故調(diào)查、林業(yè)調(diào)查、國(guó)土資源調(diào)查等方面有所應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是能穿透植被縫隙獲取高密集地表點(diǎn)云數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)獲取效率高,產(chǎn)品生產(chǎn)周期短,相對(duì)測(cè)繪型無(wú)人機(jī)精度更高,但無(wú)法同時(shí)獲取DOM數(shù)據(jù),難以表達(dá)目標(biāo)表面的紋理信息,且技術(shù)費(fèi)用相對(duì)昂貴,在大區(qū)域應(yīng)用中存在局限;目前對(duì)點(diǎn)云的后處理過(guò)程基本是基于現(xiàn)有的商業(yè)軟件,對(duì)于地形復(fù)雜獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,濾波方法和模型去噪等還不是很成熟,使得處理過(guò)程中DEM包含顯著誤差,耗時(shí)較大,限制了實(shí)際應(yīng)用[41]。根據(jù)《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范(CH/T8024-2011)》在1∶500比例尺丘陵區(qū)高程中誤差為0.4 m,但在實(shí)際應(yīng)用中,隨著無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性、設(shè)備性能的提高,高程精度可達(dá)到0.03 m左右[42]。張永庭等[43]采用無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取寧東煤炭基地馬蓮臺(tái)煤礦采煤沉陷區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)和GPS自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,點(diǎn)云數(shù)據(jù)平均誤差分別為0.044 3和0.043 4 m。湯伏全等[44]人對(duì)比分析不同激光點(diǎn)云的礦區(qū)沉陷建模方法,發(fā)現(xiàn)專業(yè)化數(shù)字高程模型插值及三角網(wǎng)漸進(jìn)加密濾波算法的效果相對(duì)較優(yōu),獲取的DEM高程誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.046和0.013 m。

3.2.4 衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR)測(cè)量 InSAR

技術(shù)是利用同一地區(qū)不同時(shí)相的SAR影像,通過(guò)差分干涉獲取該地區(qū)地表形變信息的技術(shù)手段。該技術(shù)具有覆蓋面廣、垂向精度高、可回溯和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表變形的能力,在我國(guó)應(yīng)用起步較晚,目前多應(yīng)用于地面沉降、滑坡、壩體變形等原地表形變的監(jiān)測(cè),精度可達(dá)到毫米級(jí)。應(yīng)用效果取決于諸多因素,主要包括:SAR影像空間分辨率、影像數(shù)量及時(shí)間采樣頻率、雷達(dá)波長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)區(qū)地物特征等,受這些因素影響,在利用SAR影像進(jìn)行干涉處理時(shí),易產(chǎn)生失相干現(xiàn)象,如無(wú)法得到地表沉陷盆地內(nèi)大梯度變形信息。一些學(xué)者采用偏移量追蹤技術(shù)(offset tracing)雖然有助于解決上述問(wèn)題,但所需的高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)獲取成本高,難以推廣應(yīng)用。黃土高原地區(qū)淤地壩大區(qū)域點(diǎn)狀分布特征顯著,由于InSAR技術(shù)的覆蓋面廣和可回溯性等在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)中具有的較大優(yōu)勢(shì),但目前由于淤積區(qū)原地表覆沙、植被生長(zhǎng)等會(huì)引起空間失相干及InSAR自身成像條件受大氣效應(yīng)、時(shí)間失相關(guān)和空間失相關(guān)影響的苛刻性,在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)應(yīng)用存在局限,尚未開(kāi)展。隨著SAR衛(wèi)星及傳感器的迭代更新及InSAR技術(shù)方法的不斷發(fā)展,其在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)并發(fā)揮突出作用,是未來(lái)發(fā)展較好的方向。

4 不同淤地壩遙感監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用場(chǎng)景

通過(guò)以上分析可知,不同的遙感監(jiān)測(cè)方法在成果形式、監(jiān)測(cè)精度、工作量和經(jīng)濟(jì)成本等方面具有較大差異,基于目前淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)的不同需求,提出每種監(jiān)測(cè)手段適宜的應(yīng)用場(chǎng)景。

(1)無(wú)人機(jī)正射測(cè)量方式適宜大區(qū)域范圍內(nèi)精度要求較低的淤地壩攔沙淤積量普查,如新一輪全國(guó)水利普查、各省區(qū)階段性典型淤地壩攔沙淤積普查等,該項(xiàng)工作由于調(diào)查區(qū)域面積大,且主要針對(duì)一定時(shí)期內(nèi)累計(jì)攔沙淤積量,精度要求相對(duì)較低,可選擇傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)正射測(cè)量,通過(guò)獲取平均淤積高程,查庫(kù)容曲線方法,或?qū)Ρ缺镜譊EM數(shù)據(jù)獲取攔沙淤積量。

(2)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)方法適宜精度要求較高,重點(diǎn)關(guān)注年或次攔沙淤積量,監(jiān)測(cè)成果要求更豐富的應(yīng)用情形,如水行政主管部門開(kāi)展的淤地壩安全運(yùn)行管理、淤地壩重點(diǎn)工程攔沙淤積調(diào)查或數(shù)字孿生流域中淤地壩相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化等。在這些工作中,無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以對(duì)當(dāng)前淤地壩和淤積區(qū)實(shí)現(xiàn)全角度的數(shù)據(jù)采集,不僅可以從宏觀角度對(duì)淤積量進(jìn)行分析,同時(shí)也可以從局部角度出發(fā),掌握淤地壩運(yùn)行,消除傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)下測(cè)繪結(jié)果的局限性,展示淤地壩三維真實(shí)場(chǎng)景。

(3)無(wú)人機(jī)LiDAR相較無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量精度更高,外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率更高,且具有穿透植被的優(yōu)勢(shì),但相對(duì)經(jīng)濟(jì)成本較高,適宜有更高精度要求,關(guān)注年或次攔沙淤積量,且植被生長(zhǎng)較為茂盛地區(qū)的典型淤地壩攔沙淤積測(cè)量。如淤地壩攔沙淤積暴雨應(yīng)急調(diào)查評(píng)估、植被茂盛區(qū)典型壩調(diào)查等。

(4)在實(shí)際工作中,建議根據(jù)不同監(jiān)測(cè)需求和條件,將淤地壩攔沙淤積遙感測(cè)量與傳統(tǒng)方法,如斷面測(cè)量、標(biāo)尺等方法的結(jié)合,通過(guò)天空地一體化手段更好地發(fā)揮遙感監(jiān)測(cè)的作用。

5 結(jié)論

探索淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)高新技術(shù)是推動(dòng)淤地壩監(jiān)測(cè)的重要工作。相對(duì)傳統(tǒng)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)手段,遙感測(cè)量技術(shù)具有高精度、高時(shí)效性、安全可控、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì),可滿足不同精度和監(jiān)測(cè)需求的淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè),是未來(lái)淤地壩攔沙淤積測(cè)量應(yīng)用技術(shù)的重要發(fā)展方向,對(duì)黃土高原淤地壩攔沙效益發(fā)揮和水土流失治理具有重要意義。隨著水利信息化與遙感技術(shù)的發(fā)展,水保相關(guān)部門(機(jī)構(gòu))應(yīng)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支撐下,積極試行無(wú)人機(jī)遙感、航空遙感等新技術(shù)、新方法在黃土高原淤地壩攔沙淤積監(jiān)測(cè)中的推廣應(yīng)用。筆者認(rèn)為無(wú)人機(jī)正射測(cè)量方法可在精度要求較低的大區(qū)域范圍淤地壩攔沙淤積普查中推廣應(yīng)用;無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)方法適宜在精度要求較高、重點(diǎn)關(guān)注年或次攔沙淤積量、監(jiān)測(cè)成果要求更豐富的攔沙淤積調(diào)查中推廣應(yīng)用;無(wú)人機(jī)LiDAR適宜有更高精度要求(高程精度優(yōu)于0.05 m),可開(kāi)展年或次攔沙淤積量,且植被生長(zhǎng)較為茂盛地區(qū)典型淤地壩攔沙淤積調(diào)查中推廣應(yīng)用。通過(guò)攔沙淤積不同遙感監(jiān)測(cè)高新技術(shù)的大力推廣可為黃河流域水沙關(guān)系提供更為準(zhǔn)確的攔沙量數(shù)據(jù),助力黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。