基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的潮灘形態(tài)演變研究

周 巖，任玉忠，王瑋涵

( 濰坊市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濰坊 261000 )

0 引言

全球氣候變化導(dǎo)致我國海平面高度發(fā)生變化，嚴(yán)重危害我國沿海潮灘覆蓋生態(tài)環(huán)境[1-3]。因此，研究氣候影響下潮灘地貌演變的情況及規(guī)律對維護生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定與社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

目前，我國專家已大范圍展開針對潮灘地貌演變的研究。胡成飛等[4]根據(jù)杭州灣近60年來的水文地形監(jiān)測資料，深入研究了人類活動對區(qū)域灘涂地貌變化的影響，并指出圍涂工程是導(dǎo)致杭州灣南岸灘涂近期淤漲速率加快、潮灘寬度減小的主要原因。付桂等[5]以南匯邊灘為研究對象，基于近3年水文監(jiān)測資料，指出區(qū)域新建的圈圍工程和平面環(huán)流輸沙系統(tǒng)是導(dǎo)致沖淤變化的主要因素。張長寬等[6]基于2007年江蘇海岸潮灘剖面高程測量資料，指出潮灘剖面往往呈現(xiàn)上凸形，且隨著泥沙供應(yīng)量的增加，其剖面會逐漸發(fā)展為“斜坡形+上凸形”的組合形狀?，F(xiàn)有關(guān)于江蘇淤泥質(zhì)潮灘地貌演變的研究較少，張長寬等[7]基于2007年江蘇海岸潮灘剖面高程測量資料和數(shù)值模擬結(jié)果深入研究了動力泥沙對潮灘地貌的影響，發(fā)現(xiàn)泥沙供應(yīng)量越大，則潮灘越平緩。張媛媛等[8]則基于遙感監(jiān)測技術(shù)研究了近年來江蘇淤泥質(zhì)潮灘面積的變化規(guī)律，并指出潮灘面積受海水侵蝕嚴(yán)重的問題。

綜上可知，現(xiàn)有針對江蘇淤泥質(zhì)潮灘地形地貌演變的研究多是基于水文監(jiān)測站歷史數(shù)據(jù)或遙感數(shù)據(jù)，具有精度低、數(shù)據(jù)量少、可視性差等局限性，而無人機技術(shù)具有精度高、效果好、易操作等優(yōu)勢，能夠克服上述缺陷，被廣泛應(yīng)用到公路勘察、植被監(jiān)測、數(shù)字化地形測量甚至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中[9-10]，因此可見，利用無人機展開潮灘地貌演變過程研究具有高度的可行性。

本文以江蘇某近海潮灘為研究對象，通過引入無人機高光譜成像系統(tǒng)并采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行實地拍攝，基于SFM算法及Smart3D軟件，成功重建了該潮灘的三維地形地貌影像，實現(xiàn)了對該潮灘1年間基本高程及潮溝形態(tài)演化規(guī)律的系統(tǒng)研究。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 技術(shù)設(shè)備

為探討無人機技術(shù)在河湖污染水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用，本次研究主要采用了兩種新型設(shè)備，分別為大疆M600 Pro型無人機及北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的Gaiasky-mini-VN型高光譜成像儀。大疆M600 Pro型無人機的最大飛行速度可達65 km/h，最大飛行高度為2500 m，最大可傾斜角度為25°，垂直懸停精度為-0.5 m～+0.5 m。機載高光譜成像系統(tǒng)GaiaSky-mini設(shè)備采用集成一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，其探測光譜范圍為400～1000 nm，光譜分辨率為3.5 nm，光學(xué)傳感器采用CCD Sony ICX285，像素間距為6.45 μm，可完美搭載于M600 Pro和S1000+型無人機。上述設(shè)備能夠較好地配合使用，在短時間內(nèi)實現(xiàn)對湖面的全面監(jiān)測。

1.2 技術(shù)手段

圖1為無人機高光譜成像技術(shù)主要工作流程。由圖1可知，無人機高光譜成像技術(shù)主要包括三項工作：前期準(zhǔn)備工作、外業(yè)施測及內(nèi)業(yè)處理。其中，前期準(zhǔn)備工作主要寶庫區(qū)域定位、氣象條件確定及起降區(qū)域選擇三項工作；外業(yè)施測主要包括測量區(qū)域劃定、航線規(guī)劃、高光譜設(shè)備相機調(diào)整、信號覆蓋查詢及飛行作業(yè)；內(nèi)業(yè)處理則是設(shè)計后期成像及分析工作，主要包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建和導(dǎo)出及成果交付3項工作[11-13]。

圖1 無人機高光譜成像技術(shù)主要工作流程示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用SFM(Structure from motion)算法進行數(shù)字高程模型(DEM)的成像和重構(gòu)，實現(xiàn)該算法需要采用多個高精度相機同時工作，并根據(jù)相同時刻下多個相機對同一目標(biāo)不同角度的拍攝結(jié)果，再利用Smart3D軟件實現(xiàn)三維地形的數(shù)字化重構(gòu)，具有高度的可靠性。對于潮灘中潮溝的觀測，由于寬深比是決定潮溝抗沖刷能力的關(guān)鍵參數(shù)，需要具體統(tǒng)計其寬度及深度。采用Leopole等學(xué)者提出的潮溝寬度、深度判別方法，即以潮溝基準(zhǔn)面為標(biāo)準(zhǔn)，基準(zhǔn)面到潮溝底的深度為潮溝深度；基準(zhǔn)面以下潮溝的橫截面積與潮溝深度之比即為潮溝的標(biāo)準(zhǔn)化寬度，最終可得潮溝的寬深比。

2 應(yīng)用分析

2.1 研究區(qū)域概況

擬研究區(qū)域位于東部沿海某地區(qū)(圖2)，是我國典型的淤泥質(zhì)潮灘，潮溝發(fā)育較多。潮灘沿海平均寬度為3.53 km，潮灘坡度在0.01%～0.03%之間，區(qū)域內(nèi)主要以砂、砂質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土為主。根據(jù)區(qū)域水文局及生態(tài)環(huán)境相關(guān)研究單位研究結(jié)果反映，受氣候變化及人類活動影響，在過去的10年內(nèi)，該潮灘的基本形態(tài)發(fā)生了交大的變化，主要表現(xiàn)為海平面上升導(dǎo)致潮灘濕地生態(tài)面積減小及部分區(qū)域污染，進而導(dǎo)致潮灘生態(tài)環(huán)境遭到一定程度的破壞。

圖2 研究區(qū)域示意圖

2.2 高程演化分析

基于無人機航拍圖像監(jiān)理了該潮灘在不同時期內(nèi)的DEM影像圖(圖3)，由于研究區(qū)域內(nèi)存在潮灘光灘和互花米草灘，因此需要綜合分析兩種區(qū)域的高程變化，以深入潮灘在2019年3月—2020年3月之間的地形變化基本規(guī)律。圖3為不同時間段內(nèi)潮灘光灘和互花米草灘兩種區(qū)域的變化圖，由圖3可知，該潮灘上光灘主要在潮灘東側(cè)，而互花米草灘則主要位于潮灘西側(cè)，潮灘高度受季節(jié)氣候影響明顯。

圖3a展示了2019年3月—7月間該潮灘的高程變化情況，在該區(qū)域內(nèi)潮灘出現(xiàn)了近0.5 m的抬升，因此在潮灘表面產(chǎn)生了大范圍的淤積；相較于潮灘，互花米草灘的區(qū)域高程變化更加明顯，其抬升高度接近1.5 m。分析認為，由于海平面高度受季節(jié)影響較大，因此在冬季海平面高度回退，潮灘高程抬升，暴露面積增大；此外，由于互花米草在春、夏季生長較快，因此互花米草灘頂部高程在2019年7月—12月間產(chǎn)生了更大的提升。

圖3b展示了2019年7月—12月間潮灘的高程變化情況，由圖3b可知，光灘區(qū)北部淤積面積進一步增大，潮灘相對高程提升了0.5～1.0 m；潮灘的南部區(qū)域出現(xiàn)大面積沖刷，導(dǎo)致區(qū)域高程降低約0.1 m。此外，相對于光灘區(qū)域，互花米草灘區(qū)域的高程則平均降低近0.3 m，分析認為，這是由于氣候從夏季過渡到冬季，互花米草開始枯萎。

圖3c展示了2019年12月—2020年3月潮灘的高程變化情況，在該時間段內(nèi)，海平面出現(xiàn)一定程度的抬升，但潮灘光灘仍有大部分區(qū)域淤積，相較于2019年7月潮灘整體高程仍有約為0.5 m的抬升；潮灘中間部分沖刷，高程降低約0.2 m；互花米草灘區(qū)域高程進一步降低，整體降低約0.5 m，這是由于互花米草在冬季停止生長，之前枯萎的互花米草也會慢慢消亡。

圖3d展示了2019年3月—2020年3月期間該潮灘的整體高程變化，由圖3d可知，在1年內(nèi)，該潮灘的光灘區(qū)域面積有所增大，整體表現(xiàn)為增加大范圍淤積場，且較集中在北部，北部光灘整體高程抬升近1 m；南部淤積場較少，光灘高程抬升小于0.5 m。然而，互花米草灘的高程變化則呈現(xiàn)出局部增大、局部減小的情況，其中，互花米草前緣近海部分的高程提升，而遠海區(qū)域則整體降低。根據(jù)統(tǒng)計計算結(jié)果，該潮灘整體高程年內(nèi)變化較大，潮灘高程提升近0.5 m。

圖3 2019年3月—2020年3月間潮灘高程變化過程

2.3 潮溝演化分析

由圖4可見，潮灘上分布有明顯的潮溝結(jié)構(gòu)，該潮溝位于潮間帶中上部，退潮以后潮溝內(nèi)水深小于10 cm，能夠根據(jù)無人機拍攝結(jié)果重建該潮溝三維影像圖。圖4為該潮溝在2019年3月—2020年3月間不同時期的正射影像圖。由圖4可知，自2019年3月開始，該潮溝由近海區(qū)域逐漸向內(nèi)陸(自東向西)發(fā)育，且表現(xiàn)出明顯的溯源侵蝕特征，因此形成比較順直的潮溝。

圖4 1年時間內(nèi)潮溝生長發(fā)育圖

基于潮溝三維正射影像圖及相關(guān)數(shù)據(jù)，并選取該潮溝的4個斷面(A、B、C、D斷面)展開研究，深入分析勒該潮溝的寬度和深度隨時間變化規(guī)律。由圖5可知，該潮溝的4個斷面表征了潮溝發(fā)育不同階段的4種形態(tài)。其中，潮溝在的斷面A處是自2019年3月出現(xiàn)，且在當(dāng)年3—7月時間段內(nèi)逐漸變寬，但之后受氣候影響，在當(dāng)年12月時已基本消亡；對于斷面B，其在同年7月發(fā)育成為二級潮溝，同樣在當(dāng)年12月消亡；對于斷面C，在展開研究前該潮溝便已經(jīng)存在，而從2019年3月至7月逐漸發(fā)育并變寬，于12月消亡；對于斷面D，其在潮溝發(fā)育過程中變化幅度最大，其寬度由當(dāng)年3月的1 m發(fā)育至7月的8 m，且出現(xiàn)了顯著的彎曲擺動。

圖5 潮溝不同斷面高程和斷面寬度圖

為研究潮溝的具體形態(tài)特征變化規(guī)律，表1展示了該潮溝在一年內(nèi)總長度、潮溝密度和主潮溝曲率的變化情況。由表1可知，自2019年3月至當(dāng)年7月間，該潮溝的主潮溝的長度持續(xù)增大。2019年3月該潮溝總長為648.15 m，當(dāng)年7月時已相對增長91.31%，7月時總長度已達2160.26 m，是同年3月總長度的3.33倍。此外，潮溝長度增長的同時，其逐漸發(fā)育出若干個樹枝狀分支結(jié)構(gòu)，因此潮溝密度亦不斷增大，由當(dāng)年3月的0.0074增長到7月時的0.0246，增長幅度十分顯著。

表1 2019年3—7月潮溝主要形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

潮溝曲率是反映潮溝彎曲程度的物理量，也是表征潮溝形態(tài)的重要參數(shù)。結(jié)合圖3和圖4可知，自2019年3月至5月，潮溝的主潮溝前沿持續(xù)向互花米草灘邊緣延伸，而延伸出的潮溝分支區(qū)段較為順直，主潮溝的曲率變化較小。然而，自當(dāng)年5月至7月，新生的潮溝分支開始延伸進入到互花米草灘，但由于互花米草對潮灘的地面圖有較強的防流失破壞作用，因此潮溝的生長受到影響并進一步改變了潮溝的發(fā)育走向，導(dǎo)致潮溝的整體曲率變大。

3 討論

江蘇近海淤泥質(zhì)潮灘受氣候影響較大，潮灘高程呈先增大后減小的變化趨勢，但在1年內(nèi)，潮灘的高程整體呈增大趨勢，整體高程增長約0.5 m。在研究區(qū)域監(jiān)測到了潮溝完整的生長發(fā)育過程，潮溝由海向陸生長，經(jīng)歷了溯源侵蝕和彎曲擺動，且形態(tài)擺動較為劇烈。此外，綜上所述，基于無人機傾斜測量技術(shù)能夠有效監(jiān)測淤泥質(zhì)潮灘上潮灘高程變化、面積變化以及植物生長規(guī)律，還可以準(zhǔn)確觀察到潮灘上潮溝的生長發(fā)育過程，有效彌補了遙感技術(shù)在潮灘地形地貌變化監(jiān)測中的不足[14-16]。此外，由于植被的遮擋，無人機的三維重建技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)實際上為植物的頂高程，不能真實反映植被覆蓋區(qū)域潮灘的潮灘真實高程，具有一定的局限性。因此，使用無人機結(jié)合地面機器人的使用，對研究潮灘高程的真實變化規(guī)律具有一定的研究意義。

4 結(jié)論

1)我國近海潮灘受氣候影響明顯，海平面呈季節(jié)性波動，潮灘高程呈先增大后減小的變化趨勢，但在一年內(nèi)，潮灘的高程整體呈增大趨勢，整體高程增長約0.5 m。

3)潮灘主潮溝的長度持續(xù)增大，且逐漸發(fā)育出若干個樹枝狀分支結(jié)構(gòu)，潮溝密度的亦不斷增大。其中，2019年3月該潮溝總長為648.15 m，當(dāng)年7月時已相對增長91.31%，7月時總長度已達2160.26 m，是同年3月總長度的3.33倍。

4)在當(dāng)年3—5月期間，主潮溝的曲率變化較小。但隨著潮溝的發(fā)育和生長，新生的潮溝分支延伸進入互花米草灘，互花米草對潮灘土體有較強的防流失破壞作用，改變了潮溝的發(fā)育走向，導(dǎo)致潮溝的整體曲率變大。