魯華鋒

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，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自然土地，土地面積銳減、植被覆蓋率大幅度下降。同時為了獲取更多土地資源、各項能源，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，大量河流出現泥沙沉積問題，威脅下游生存安全。針對上述問題，文獻[1]以實驗測試手段提取河道水質，根據不同河道的水質指標，判定河道泥沙流動情況[1]。本文利用無人機航測技術，研究全新的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測方法。無人機航測技術依靠無人機的無線飛行能力，將被攝對象的拍攝影像作為研究基礎，以此獲得存在感非常微弱的目標[2]。此次研究的監(jiān)測方法，將提高監(jiān)測結果的精確程度作為目標，為河道治理工作提供可靠的數據。

1 基于無人機航測技術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，山體破碎程度嚴重，經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、懸移質輸沙量以及輸沙模數等參數，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，則根據現有的單位徑流輸沙模數，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算公式為：

(1)

由于輸沙模數有自身的計算公式，所以參考該參數的一般計算方程，可以得到河流多年平均含沙量的一般計算表達式：

(2)

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

根據上述公式得到的計算結果C，分析日平均流量與含沙量之間存在的關系。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；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，并將該結果作為無人機航測技術應用下參考的監(jiān)測邊界限制條件，為無人機的監(jiān)測位置選點提供數據。

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，還包括隨徑流進入到河道中的泥沙。當兩種來源的泥沙總量超過河道水流的挾沙能力時，這些泥沙就會沉積在河道之中；當兩種來源的泥沙總量小于河道水流的挾沙能力時，此時的泥沙會在水流的帶動下，被分散到河道的各個段落之中，不會出現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，也就是隨著水流進入到河道中的泥沙總量。利用上一節(jié)獲得的Ci值，設置侵蝕數學模型MUSLE的限制參數，計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為進入干流河道的泥沙總量；sed*、sedt-1分別為MUSLE模型在延遲時間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；T為泥沙完全匯入到干流河道所需的時間[5]。

泥沙每次進入干流河道時，其匯入濃度以及每次匯入時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公式：

(5)

各個來源的泥沙匯入干流河道后，產生泥沙輸移，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。結合上述計算分析結果，計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算公式為：

(7)

式中：u1、u2分別為單位時間內的泥沙流出量以及水量[6]。

按照上述計算過程，實現對干流河道泥沙傳輸過程的推算與分析。

1.3 布設無人機監(jiān)測航高和航線

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

(8)

式中：j為安裝的相機拍攝鏡頭焦點距離；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，將該結果與航測條件下的影像地面分辨率進行比較，當衛(wèi)星地圖的比例尺為1∶500時，則要求o值滿足o≤5的條件；當衛(wèi)星地圖的比例尺為1∶1 000時，要求o滿足o∈[8,10]的條件；當衛(wèi)星地圖的比例尺為1∶10 000時，要求o滿足o∈[15,20]的測量條件。

通過現場人工檢驗的方式確定干流河道的泥沙沉積監(jiān)測點，根據式(8)的計算結果，減去該點處的高程，得到無人機的監(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，所以選擇無人機監(jiān)測航線時，將監(jiān)測區(qū)域的邊界線進行局部外延處理，然后將這些數據上傳到遙控器內，通過攝影測量模塊掃描干流河道泥沙傳輸過程，以此選擇無人機航測過程中的最優(yōu)航線。在監(jiān)測過程中，要實時觀察周圍的自然環(huán)境，當出現突發(fā)問題時要盡快調整飛行線路，避免監(jiān)測任務中出現航測事故[8]。

1.4 自動生成泥沙沉積量監(jiān)測數據表

在布設無人機監(jiān)測航高和航線的前提下，利用無人機航測技術監(jiān)測干流河道泥沙沉積量，自動生成泥沙沉積量監(jiān)測數據表。無人機航測技術獲得河道四周的坡度、河道與地表之間的距離，利用三角函數計算原理，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]。

無人機航測技術根據該公式的計算結果，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，設置整個三維剖面圖的高度為K，則該影像的體積為：

(10)

當河道水流第一次挾沙傳輸時，會在河道內形成一個沉積旋回層，同時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，所以整個挾沙傳輸運動形成的泥沙沉積量可通過下列公式獲得：

(11)

式中：n為固定時段內的河道水流挾沙次數；Zi為第i個節(jié)點處的泥沙沉積體積[10]。

通過上述過程實現對干流河道的實時監(jiān)測，每當河道的挾沙傳輸指數超過限定值時，航測技術根據式(11)得到泥沙沉積量。河道水流是一直運動的，為了得到清晰的監(jiān)測結果，無人機航測技術每間隔一段時間，就利用式(11)生成實時泥沙沉積量數據，并以表格的形式反饋給監(jiān)測中心。至此，基于無人機航測技術實現干流河道泥沙沉積量監(jiān)測。

2 實驗與分析

2.1 實驗準備

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

組裝圖1顯示的設備，利用無人機航測技術監(jiān)測干流河道泥沙沉積量。為了保證實驗測試結果真實可靠，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。預設的測試時間為2020年12月，由于社會大環(huán)境限制，將實驗時間調整至2021年3月。進行現場監(jiān)測任務之前，選取一段干流河道作為實驗測試對象，利用在線徑流泥沙監(jiān)測儀，測量河道中的泥沙實際沉積量。圖2為泥沙實際沉積量測試階段中應用到的測量設備，圖3是為此次實驗選擇的測試對象。

圖1 無人機與五通道多光譜相機

圖2 監(jiān)測儀與遠程顯示設備

圖3 實驗測試對象

實驗從每天上午的8點50分正式開始，第一階段利用圖2所示的設備，測試當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果。

根據圖4顯示的真實測量結果可知，兩次測試下的干流河道泥沙沉積量高度近似，說明該測量結果真實可信，可用于衡量3組監(jiān)測方法的監(jiān)測結果。由于監(jiān)測任務是為了獲取泥沙沉積量，所以在實驗開始之前，對多光譜傳感器進行校正，獲取絕對的反射率數據。準備完畢后，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際測量結果

2.2 結果分析

在同一實測時間段內，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顯示的無人機與五通道多光譜相機，進行泥沙沉積量監(jiān)測；3組傳統(tǒng)方法各自采用不同的技術，監(jiān)測河道泥沙沉積量。圖5為3組監(jiān)測方法與實際值的比較結果。

圖5 不同方法的監(jiān)測值與實際值比較結果

根據圖5顯示的測試結果可知，只有實驗組方法得到的監(jiān)測結果接近圖4所示的真實值。而3組傳統(tǒng)方法的監(jiān)測結果與圖4所示的真實值之間，存在極大的監(jiān)測數據誤差。為了進一步說明實驗結果之間的差異性以及不同方法之間的監(jiān)測效果，利用公式計算4組方法得到的泥沙沉積量監(jiān)測值，與真實測量值之間的平均相對誤差，根據得到的計算結果，論證不同方法的數據監(jiān)測效果。計算公式為：

(12)

式中：λ為平均相對誤差；M為數據總數量；Q1為不同方法的泥沙沉積量監(jiān)測結果；Q2為圖4所示干流河道的實際泥沙沉積量。

利用上述公式，計算4組監(jiān)測數據與真實測量值之間的平均相對誤差，得到的計算結果通過表1進行比較。

表1 平均相對誤差統(tǒng)計表

計算4組平均相對誤差的平均值，按照表1所示的先后順序，保留小數點后4位分別為1.006 7%、6.806 7%、10.766 7%及18.146 7%。根據上述實驗測試結果可知，基于無人機航測技術的監(jiān)測方法得到的干流河道泥沙沉積量監(jiān)測數據更準確。

3 結 語

此次研究結合現有的監(jiān)測方法，將無人機航測技術作為創(chuàng)新點，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可靠的技術。但綜合此次整體研究過程來看，提出的監(jiān)測方法試用的次數太少，當監(jiān)測條件存在大風、雷雨或者是霜雪氣候時，該監(jiān)測方法的應用效果還有待驗證。今后在社會大環(huán)境允許的前提下，可以挑選適當的天氣，在保證安全的前提下，通過多組條件測試該方法，及時調整存在的不足。