基于無人機(jī)航測技術(shù)的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測方法

魯華鋒

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518100)

0 引 言

隨著城市的快速發(fā)展，水利工程、城市建筑以及景觀等不斷占據(jù)自然土地，土地面積銳減、植被覆蓋率大幅度下降。同時(shí)為了獲取更多土地資源、各項(xiàng)能源，亂砍亂伐、填海造田、填湖造田等破壞生態(tài)的行為日漸增多，使土地水土保持率不斷下降，大量河流出現(xiàn)泥沙沉積問題，威脅下游生存安全。針對上述問題，文獻(xiàn)[1]以實(shí)驗(yàn)測試手段提取河道水質(zhì)，根據(jù)不同河道的水質(zhì)指標(biāo)，判定河道泥沙流動(dòng)情況[1]。本文利用無人機(jī)航測技術(shù)，研究全新的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測方法。無人機(jī)航測技術(shù)依靠無人機(jī)的無線飛行能力，將被攝對象的拍攝影像作為研究基礎(chǔ)，以此獲得存在感非常微弱的目標(biāo)[2]。此次研究的監(jiān)測方法，將提高監(jiān)測結(jié)果的精確程度作為目標(biāo)，為河道治理工作提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 基于無人機(jī)航測技術(shù)的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測方法

1.1 提取干流河道泥沙沉積規(guī)律

干流河道多位于山地、丘陵以及峽谷之間，這些區(qū)域的溝谷深度和密度較大，山體破碎程度嚴(yán)重，經(jīng)雨水沖刷會有大量的泥沙匯入干流河道中。若監(jiān)測的干流河道在不同的水文站、水電站附近，則可以依靠歷年來這些水電站收集的輸沙率、含沙量、懸移質(zhì)輸沙量以及輸沙模數(shù)等參數(shù)，提取附近干流河道泥沙沉積規(guī)律。若監(jiān)測的干流河道附近沒有水文站或水電站，則根據(jù)現(xiàn)有的單位徑流輸沙模數(shù)，估算干流河道單位徑流。單位面積上的河流年平均輸沙量計(jì)算公式為：

(1)

由于輸沙模數(shù)有自身的計(jì)算公式，所以參考該參數(shù)的一般計(jì)算方程，可以得到河流多年平均含沙量的一般計(jì)算表達(dá)式：

(2)

式中：C為河流多年平均含沙量；SC為單位徑流輸沙模數(shù)；d為流域多年平均年徑流深[3]。

根據(jù)上述公式得到的計(jì)算結(jié)果C，分析日平均流量與含沙量之間存在的關(guān)系。為了便于獲得干流河道泥沙沉積規(guī)律，利用下列公式描述二者之間的關(guān)聯(lián)：

(3)

式中：Ci為第i變化階段的河流多年平均含沙量；A為公式固定系數(shù)；Hi為第i變化階段的日平均流量；H0為含沙量為零的分界流量[4]。

通過上述計(jì)算公式，獲取日平均流量與含沙量之間在不同階段中的變化情況，結(jié)合監(jiān)測區(qū)域的地理概況、河流情況以及附近的觀測資料，提取干流河道泥沙沉積規(guī)律，并將該結(jié)果作為無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用下參考的監(jiān)測邊界限制條件，為無人機(jī)的監(jiān)測位置選點(diǎn)提供數(shù)據(jù)。

1.2 推算干流河道泥沙傳輸過程

監(jiān)測干流河道泥沙沉積量的過程中，除了從坡面匯入到河道中的泥沙，還包括隨徑流進(jìn)入到河道中的泥沙。當(dāng)兩種來源的泥沙總量超過河道水流的挾沙能力時(shí)，這些泥沙就會沉積在河道之中；當(dāng)兩種來源的泥沙總量小于河道水流的挾沙能力時(shí)，此時(shí)的泥沙會在水流的帶動(dòng)下，被分散到河道的各個(gè)段落之中，不會出現(xiàn)泥沙沉積或堆積的問題。這里提出的兩種泥沙被統(tǒng)稱為可供沙量，也就是隨著水流進(jìn)入到河道中的泥沙總量。利用上一節(jié)獲得的Ci值，設(shè)置侵蝕數(shù)學(xué)模型MUSLE的限制參數(shù)，計(jì)算干流河道中被攜帶卷入河道中的泥沙總量，公式為：

(4)

式中：sed為進(jìn)入干流河道的泥沙總量；sed*、sedt-1分別為MUSLE模型在延遲時(shí)間t-1下，獲得的河道泥沙總量；a為受到約束的地表徑流延遲系數(shù)；T為泥沙完全匯入到干流河道所需的時(shí)間[5]。

泥沙每次進(jìn)入干流河道時(shí)，其匯入濃度以及每次匯入時(shí)水流的挾沙能力都是不同的，下列公式為泥沙匯入濃度與水流挾沙能力評價(jià)公式：

(5)

各個(gè)來源的泥沙匯入干流河道后，產(chǎn)生泥沙輸移，而干流河道泥沙傳輸過程，也就是泥沙輸移過程，直接影響干流河道泥沙的沉積位置。結(jié)合上述計(jì)算分析結(jié)果，計(jì)算河道的懸浮泥沙量，公式為：

sed′=(F-P)×V2×γ×φ

(6)

式中：V2為河道水流總流量；γ、φ分別為河道可蝕性因子和覆蓋因子。

最終的河道泥沙傳輸過程計(jì)算公式為：

(7)

式中：u1、u2分別為單位時(shí)間內(nèi)的泥沙流出量以及水量[6]。

按照上述計(jì)算過程，實(shí)現(xiàn)對干流河道泥沙傳輸過程的推算與分析。

1.3 布設(shè)無人機(jī)監(jiān)測航高和航線

結(jié)合上述影響干流河道泥沙沉積的數(shù)據(jù)，布設(shè)無人機(jī)監(jiān)測航高和航線。無人機(jī)飛行航高與航線的設(shè)定，均可以利用自身攜帶的軟件，通過起點(diǎn)、終點(diǎn)以及地面分辨率等參數(shù)綜合獲得。但根據(jù)該技術(shù)的使用發(fā)現(xiàn)，干流河道的地面高低起伏較大，設(shè)定的起點(diǎn)、終點(diǎn)位置不在同一水平線，導(dǎo)致監(jiān)測航高、航線和控制點(diǎn)等參數(shù)降低無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的精確程度。為此，以航攝影像平均分辨率為監(jiān)測前提條件，改進(jìn)無人機(jī)監(jiān)測航高的確定過程。該改進(jìn)方法的第一步利用衛(wèi)星地圖獲取待監(jiān)測區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)；第二步利用軟件導(dǎo)出待監(jiān)測區(qū)域的*kml數(shù)據(jù)包，并裁剪數(shù)據(jù)包中的DEM數(shù)據(jù)；第三步統(tǒng)計(jì)裁剪后的數(shù)據(jù)，得到干流河道監(jiān)測區(qū)域的平均航測高程；第四步結(jié)合航空攝影規(guī)范中提到的具體要求，利用下列公式計(jì)算獲得無人機(jī)航測高度：

(8)

式中：j為安裝的相機(jī)拍攝鏡頭焦點(diǎn)距離；o為通過衛(wèi)星地圖顯示的影像地面分辨率；θ為獲得的像元規(guī)格[7]。

完成第四步操作后，將該結(jié)果與航測條件下的影像地面分辨率進(jìn)行比較，當(dāng)衛(wèi)星地圖的比例尺為1∶500時(shí)，則要求o值滿足o≤5的條件；當(dāng)衛(wèi)星地圖的比例尺為1∶1 000時(shí)，要求o滿足o∈[8,10]的條件；當(dāng)衛(wèi)星地圖的比例尺為1∶10 000時(shí)，要求o滿足o∈[15,20]的測量條件。

通過現(xiàn)場人工檢驗(yàn)的方式確定干流河道的泥沙沉積監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)式(8)的計(jì)算結(jié)果，減去該點(diǎn)處的高程，得到無人機(jī)的監(jiān)測航高。而選擇最優(yōu)航線能降低監(jiān)測區(qū)域影像的重疊率，所以選擇無人機(jī)監(jiān)測航線時(shí)，將監(jiān)測區(qū)域的邊界線進(jìn)行局部外延處理，然后將這些數(shù)據(jù)上傳到遙控器內(nèi)，通過攝影測量模塊掃描干流河道泥沙傳輸過程，以此選擇無人機(jī)航測過程中的最優(yōu)航線。在監(jiān)測過程中，要實(shí)時(shí)觀察周圍的自然環(huán)境，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)問題時(shí)要盡快調(diào)整飛行線路，避免監(jiān)測任務(wù)中出現(xiàn)航測事故[8]。

1.4 自動(dòng)生成泥沙沉積量監(jiān)測數(shù)據(jù)表

在布設(shè)無人機(jī)監(jiān)測航高和航線的前提下，利用無人機(jī)航測技術(shù)監(jiān)測干流河道泥沙沉積量，自動(dòng)生成泥沙沉積量監(jiān)測數(shù)據(jù)表。無人機(jī)航測技術(shù)獲得河道四周的坡度、河道與地表之間的距離，利用三角函數(shù)計(jì)算原理，獲取沉積層寬度，得到干流河道沉積層在垂直方向上的沉積面積，公式為：

(9)

式中：x、y為上層、下層沉積層兩坡之間的距離；R為上層沉積層與下層沉積層之間的距離[9]。

無人機(jī)航測技術(shù)根據(jù)該公式的計(jì)算結(jié)果，生成沉積層剖面圖，利用I描述剖面圖的上底面面積，利用I′描述剖面圖的下底面面積，設(shè)置整個(gè)三維剖面圖的高度為K，則該影像的體積為：

(10)

當(dāng)河道水流第一次挾沙傳輸時(shí)，會在河道內(nèi)形成一個(gè)沉積旋回層，同時(shí)河道水流的挾沙傳輸存在不同的挾沙能力，不存在靜止條件，所以整個(gè)挾沙傳輸運(yùn)動(dòng)形成的泥沙沉積量可通過下列公式獲得：

(11)

式中：n為固定時(shí)段內(nèi)的河道水流挾沙次數(shù)；Zi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)處的泥沙沉積體積[10]。

通過上述過程實(shí)現(xiàn)對干流河道的實(shí)時(shí)監(jiān)測，每當(dāng)河道的挾沙傳輸指數(shù)超過限定值時(shí)，航測技術(shù)根據(jù)式(11)得到泥沙沉積量。河道水流是一直運(yùn)動(dòng)的，為了得到清晰的監(jiān)測結(jié)果，無人機(jī)航測技術(shù)每間隔一段時(shí)間，就利用式(11)生成實(shí)時(shí)泥沙沉積量數(shù)據(jù)，并以表格的形式反饋給監(jiān)測中心。至此，基于無人機(jī)航測技術(shù)實(shí)現(xiàn)干流河道泥沙沉積量監(jiān)測。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選擇瑞士的無人機(jī)EBEE PLUS作為監(jiān)測工具，將該設(shè)備與五通道多光譜相機(jī)之間建立連接，監(jiān)測不同條件下的干流河道泥沙沉積量。圖1為應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)而選擇的監(jiān)測硬件。

組裝圖1顯示的設(shè)備，利用無人機(jī)航測技術(shù)監(jiān)測干流河道泥沙沉積量。為了保證實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果真實(shí)可靠，引入3種傳統(tǒng)監(jiān)測方法作為對照A組、對照B組和對照C組，比較不同監(jiān)測方法之間的差異性。預(yù)設(shè)的測試時(shí)間為2020年12月，由于社會大環(huán)境限制，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間調(diào)整至2021年3月。進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測任務(wù)之前，選取一段干流河道作為實(shí)驗(yàn)測試對象，利用在線徑流泥沙監(jiān)測儀，測量河道中的泥沙實(shí)際沉積量。圖2為泥沙實(shí)際沉積量測試階段中應(yīng)用到的測量設(shè)備，圖3是為此次實(shí)驗(yàn)選擇的測試對象。

圖1 無人機(jī)與五通道多光譜相機(jī)

圖2 監(jiān)測儀與遠(yuǎn)程顯示設(shè)備

圖3 實(shí)驗(yàn)測試對象

實(shí)驗(yàn)從每天上午的8點(diǎn)50分正式開始，第一階段利用圖2所示的設(shè)備，測試當(dāng)天的干流河道泥沙沉積量。圖4是為期22天的干流河道泥沙沉積量測量結(jié)果。

根據(jù)圖4顯示的真實(shí)測量結(jié)果可知，兩次測試下的干流河道泥沙沉積量高度近似，說明該測量結(jié)果真實(shí)可信，可用于衡量3組監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果。由于監(jiān)測任務(wù)是為了獲取泥沙沉積量，所以在實(shí)驗(yàn)開始之前，對多光譜傳感器進(jìn)行校正，獲取絕對的反射率數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備完畢后，分別利用3組方法圍繞圖4開始測試。

圖4 干流河道泥沙沉積量實(shí)際測量結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

在同一實(shí)測時(shí)間段內(nèi)，分別利用文中的監(jiān)測方法及選擇的3組傳統(tǒng)監(jiān)測方法，監(jiān)測圖3河道的泥沙沉積量。其中，文中方法組合圖1顯示的無人機(jī)與五通道多光譜相機(jī)，進(jìn)行泥沙沉積量監(jiān)測；3組傳統(tǒng)方法各自采用不同的技術(shù)，監(jiān)測河道泥沙沉積量。圖5為3組監(jiān)測方法與實(shí)際值的比較結(jié)果。

圖5 不同方法的監(jiān)測值與實(shí)際值比較結(jié)果

根據(jù)圖5顯示的測試結(jié)果可知，只有實(shí)驗(yàn)組方法得到的監(jiān)測結(jié)果接近圖4所示的真實(shí)值。而3組傳統(tǒng)方法的監(jiān)測結(jié)果與圖4所示的真實(shí)值之間，存在極大的監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差。為了進(jìn)一步說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異性以及不同方法之間的監(jiān)測效果，利用公式計(jì)算4組方法得到的泥沙沉積量監(jiān)測值，與真實(shí)測量值之間的平均相對誤差，根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果，論證不同方法的數(shù)據(jù)監(jiān)測效果。計(jì)算公式為：

(12)

式中：λ為平均相對誤差；M為數(shù)據(jù)總數(shù)量；Q1為不同方法的泥沙沉積量監(jiān)測結(jié)果；Q2為圖4所示干流河道的實(shí)際泥沙沉積量。

利用上述公式，計(jì)算4組監(jiān)測數(shù)據(jù)與真實(shí)測量值之間的平均相對誤差，得到的計(jì)算結(jié)果通過表1進(jìn)行比較。

表1 平均相對誤差統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算4組平均相對誤差的平均值，按照表1所示的先后順序，保留小數(shù)點(diǎn)后4位分別為1.006 7%、6.806 7%、10.766 7%及18.146 7%。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知，基于無人機(jī)航測技術(shù)的監(jiān)測方法得到的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

3 結(jié) 語

此次研究結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測方法，將無人機(jī)航測技術(shù)作為創(chuàng)新點(diǎn)，提出全新的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測方案，為河道泥沙治理以及上游水土保持工作提供更加科學(xué)可靠的技術(shù)。但綜合此次整體研究過程來看，提出的監(jiān)測方法試用的次數(shù)太少，當(dāng)監(jiān)測條件存在大風(fēng)、雷雨或者是霜雪氣候時(shí)，該監(jiān)測方法的應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。今后在社會大環(huán)境允許的前提下，可以挑選適當(dāng)?shù)奶鞖?，在保證安全的前提下，通過多組條件測試該方法，及時(shí)調(diào)整存在的不足。