王慶平，王軼凡

(寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315033)

1 概述

水庫(kù)極端洪水發(fā)生頻率往往很低，但是一旦發(fā)生則對(duì)水利工程及其上下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于極端洪水的研究已有了一些成果，大多數(shù)研究工作采用傳統(tǒng)的歷史水文法或損失系數(shù)法對(duì)極端洪水淹沒(méi)范圍進(jìn)行粗略統(tǒng)計(jì)、洪災(zāi)損失評(píng)估。傳統(tǒng)評(píng)估方法雖應(yīng)用簡(jiǎn)單，卻不能滿足當(dāng)前對(duì)極端洪水評(píng)估的高精度、高效率的需求。

本文結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)[1]，采用高精度、高效率、一體化的自動(dòng)三維場(chǎng)景建模技術(shù)，建立水庫(kù)上下游地形地物三維模型，并結(jié)合實(shí)時(shí)洪水計(jì)算模型、二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)水庫(kù)上游來(lái)水、下游洪水演進(jìn)過(guò)程、洪水災(zāi)害評(píng)估等進(jìn)行精確模擬，建立適用于水庫(kù)極端洪水災(zāi)害評(píng)估的一體化應(yīng)用系統(tǒng)，為水庫(kù)管理部門及有關(guān)防汛部門提供技術(shù)參考。

2 模型介紹

2.1 無(wú)人機(jī)傾斜模型

無(wú)人機(jī)傾斜模型技術(shù)[2-5]是基于無(wú)人機(jī)飛行器、攝影設(shè)備(多鏡頭相機(jī))、線路規(guī)劃、空三建模、影像貼圖和數(shù)據(jù)提取等一體化三維空間信息服務(wù)技術(shù)。通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程能生成直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性的三維信息，相比傳統(tǒng)采用人工測(cè)繪方法大大提升了對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的獲取效率。

本文采用具有RTK模塊的多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，借助于其抗磁干擾能力與精準(zhǔn)定位能力，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)定位和圖像元數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度控制。人工控制無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭傳感器，從垂直、側(cè)視等不同角度對(duì)流域下墊面進(jìn)行影像采集，并結(jié)合數(shù)據(jù)集群方式快速實(shí)現(xiàn)精細(xì)的三維模型建模和測(cè)量結(jié)果的輸出。無(wú)人機(jī)三維建模方法技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)三維建模方法技術(shù)路線圖

2.1.1航線規(guī)劃及影像采集

航線規(guī)劃是無(wú)人機(jī)信息采集的第一步工作，考慮到對(duì)三維模型精度、飛行采集時(shí)間、作業(yè)起飛架次的要求，本文在優(yōu)先保證模型精度的前提下進(jìn)行航線規(guī)劃和影像采集。對(duì)流域內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域或重要阻水建筑物以降低飛行高度為手段進(jìn)行影像加密采集，同時(shí)在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中進(jìn)行分塊運(yùn)算，如圖2所示。

圖2 三維影像采集

按照式(1)確定飛機(jī)飛行高度，按照航向重疊度85%，旁向重疊度80%進(jìn)行影像采集。

(1)

式中，H—航攝高度，m；f—鏡頭焦距；α—像元尺寸；GSD—地面分辨率，m。

2.1.2傾斜模型建模

本文基于ContextCapture三維建模軟件，采用局域網(wǎng)內(nèi)多臺(tái)計(jì)算機(jī)集群方式進(jìn)行三維模型運(yùn)算，同時(shí)根據(jù)采集區(qū)域大小將區(qū)域分成不同區(qū)塊，將海量影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析運(yùn)算[6-11]，對(duì)房屋、建筑設(shè)施、農(nóng)田等進(jìn)行模型矢量單體化，以利于后期洪水災(zāi)害評(píng)估。

具體計(jì)算步驟：①加載影像圖并根據(jù)區(qū)域分成10個(gè)分區(qū)；②降低采樣率為30%，進(jìn)行空三計(jì)算，并將計(jì)算后的Block塊進(jìn)行合并；③生成OSGB、Cesium 3D Title兩種格式的三維模型；④生成Context Capture 3MX、Cesium 3D Title兩種格式的三維模型；⑤提取DEM數(shù)據(jù)并對(duì)模型進(jìn)行物理單體化處理。

2.2 洪水計(jì)算模型

為使洪水計(jì)算適用于不同水庫(kù)、不同流域，本文采用基于降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法(API模型)的水文模型[12]對(duì)水庫(kù)上游洪水進(jìn)行模擬計(jì)算。API模型作為一個(gè)多變量輸入、單數(shù)據(jù)輸出的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常被應(yīng)用于流域或水庫(kù)洪水徑流計(jì)算。由于其每一個(gè)等值線都存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上的關(guān)系線呈45°直線，這對(duì)流域極端暴雨所形成的洪水的外延有很好的相關(guān)性，適合于極端洪水的模擬分析。

流域匯流采用單位線進(jìn)行計(jì)算，單位線的倍比性、疊加性條件填補(bǔ)了流域內(nèi)無(wú)極端洪水資料驗(yàn)證的缺點(diǎn)，對(duì)流域內(nèi)極端洪水的匯流計(jì)算具有很好的適用性。同時(shí)，單位線推求簡(jiǎn)單、計(jì)算快速、通用性強(qiáng)。

2.3 二維水動(dòng)力學(xué)模型

二維水流模型計(jì)算采用守恒的二維非恒定流淺水方程組來(lái)模擬水流流動(dòng)，應(yīng)用有限體積法及黎曼近似解對(duì)模型方程組進(jìn)行數(shù)值求解[13-16]。

有限體積法(FVM)在二維水流模擬中的應(yīng)用具備了傳統(tǒng)的有限差分(FDM)和有限單元(FEM)法共同的特點(diǎn)，同時(shí)有限體積法可對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行積分離散，這也滿足了其可以模擬復(fù)雜邊界水體的運(yùn)動(dòng)。

模型首先根據(jù)無(wú)人機(jī)所采集和生成的高精度地形資料進(jìn)行無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，為規(guī)避復(fù)雜邊界網(wǎng)格分布不均、貼合性差的缺點(diǎn)，本文采用四邊形及三角形網(wǎng)格混合模式；繼而采用有限體積法對(duì)每一個(gè)劃分單元網(wǎng)格逐時(shí)段循環(huán)建立水量、動(dòng)量平衡；最后結(jié)合黎曼近似解計(jì)算相互單元網(wǎng)格間的水量交互。該計(jì)算方法即保證了水量計(jì)算的守恒性，也保證了水流計(jì)算精度。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本文選取浙江省某水庫(kù)作為分析研究對(duì)象，該水庫(kù)上游及下游流域面積627km2，其中大壩以上流域面積255km2，大壩以下河道兩側(cè)分布有農(nóng)田、居住區(qū)。流域內(nèi)每年遭受多次臺(tái)風(fēng)襲擊，降雨大、突發(fā)性強(qiáng)、防汛形勢(shì)嚴(yán)峻。

系統(tǒng)應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用流程圖

首先通過(guò)對(duì)水庫(kù)大壩及下游區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜模型三維建模，對(duì)個(gè)別重要設(shè)施進(jìn)行高精度建模，同時(shí)對(duì)下游區(qū)域DEM數(shù)據(jù)提取，并生成無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖層(網(wǎng)格數(shù)15萬(wàn)個(gè))。

其次采用實(shí)時(shí)洪水模型模擬水庫(kù)入庫(kù)洪峰、水量、水位等數(shù)據(jù)，結(jié)合水庫(kù)閘門開(kāi)閘信息對(duì)下游區(qū)域進(jìn)行洪水二維水動(dòng)力學(xué)演進(jìn)模擬。

第三步，將洪水計(jì)算數(shù)據(jù)在三維模型中進(jìn)行可視化展示，對(duì)淹沒(méi)區(qū)域采用Cesium逼真貼圖水特效進(jìn)行展示，并將水流流動(dòng)效果、淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行模擬渲染。

最后，針對(duì)三維矢量單體化模型對(duì)淹沒(méi)建筑物、農(nóng)田等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以淹沒(méi)深度、淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)、淹沒(méi)面積評(píng)估該場(chǎng)次洪水受災(zāi)情況[17-18]，搭建極端洪水模擬管理系統(tǒng)。

本文通過(guò)對(duì)水庫(kù)歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)及100年一遇洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)合三維傾斜模型，對(duì)水庫(kù)下游洪水淹沒(méi)情況、災(zāi)情信息進(jìn)行展示分析，模擬計(jì)算受災(zāi)情況見(jiàn)表1。

表1 不同臺(tái)風(fēng)洪水受災(zāi)情況統(tǒng)計(jì)

臺(tái)風(fēng)洪水的三維淹沒(méi)分析結(jié)果如圖4所示，通過(guò)加載不同時(shí)段的淹沒(méi)圖層，可以對(duì)洪水淹沒(méi)過(guò)程從開(kāi)始到結(jié)束進(jìn)行滾動(dòng)播放，從而使整個(gè)淹沒(méi)過(guò)程更加直觀、清晰。同時(shí)根據(jù)三維傾斜模型，系統(tǒng)可以快速獲取淹沒(méi)面積、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)建筑物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料，進(jìn)而計(jì)算出受災(zāi)人口以及經(jīng)濟(jì)損失情況[7]。本次研究表明將三維傾斜模型與極端洪水淹沒(méi)分析進(jìn)行結(jié)合，可以為水庫(kù)極端洪水的研究提供一種新的思路。

圖4 不同重現(xiàn)期的洪水三維淹沒(méi)展示

4 結(jié)語(yǔ)

(1)水庫(kù)極端洪水的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與災(zāi)害評(píng)估需要完整的洪水預(yù)報(bào)模型與高精度的地理信息數(shù)據(jù)，但極端洪水發(fā)生概率小、范圍廣、資料收集難，構(gòu)建基于API、單位線的洪水預(yù)報(bào)模型以及結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景模型，為解決極端洪水資料短缺、地理信息數(shù)據(jù)精度差提供了技術(shù)支撐，對(duì)洪水淹沒(méi)過(guò)程結(jié)合Cesium三維引擎生動(dòng)展示，便于管理人員對(duì)災(zāi)害結(jié)果進(jìn)行整體把握，提升認(rèn)知水平。

(2)無(wú)人機(jī)傾斜模型技術(shù)對(duì)極端洪水演進(jìn)的災(zāi)害性預(yù)測(cè)和評(píng)估具有快速、準(zhǔn)確等特性，為更好地服務(wù)于水庫(kù)及流域防災(zāi)減災(zāi)工作，還需要經(jīng)過(guò)多場(chǎng)景多區(qū)域的應(yīng)用和實(shí)踐。