秦美茵，孫秀峰，張飛龍,鐘小陽(yáng)

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635;(2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519000)

1 概述

廣東省河流眾多，以珠江流域及獨(dú)流入海的韓江流域和粵東沿海、粵西沿海諸河為主，集水面積占全省面積的99.8%，其余屬于長(zhǎng)江流域的鄱陽(yáng)湖和洞庭湖水系。全省流域面積在100 km2以上的各級(jí)干支流共614條。由于歷史原因，許多地區(qū)河湖管理范圍邊界不清，侵占河湖、破壞河湖問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響河湖生態(tài)空間管控。依法劃定河湖管理范圍，明確管理邊界線，是加強(qiáng)河湖管理的基礎(chǔ)性工作，也是《水法》《防洪法》《河道管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)作出的規(guī)定，更是中央全面推行河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制明確的任務(wù)要求。據(jù)測(cè)算，肇慶市德慶縣50 km2以上河道總長(zhǎng)為359 km，其中無(wú)堤河段總長(zhǎng)為238 km，占比66%，在河道管理范圍劃定工作中，無(wú)堤河段易受地形、岸坡植被、建筑物等影響，是劃界工作的重難點(diǎn)。

針對(duì)河道管理范圍劃定任務(wù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。在技術(shù)應(yīng)用方面，歐陽(yáng)顯良等[1]探索無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在中小河流劃界中的應(yīng)用，認(rèn)為該技術(shù)可獲得測(cè)區(qū)立體像對(duì)、高分辨率三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和正射影像圖，可較清晰地識(shí)別堤腳線等河道管理范圍的起算線；夏祖?zhèn)サ萚2]結(jié)合正射影像光譜信息豐富、地面分辨率高的特點(diǎn)，提出一種融合激光雷達(dá)點(diǎn)云和正射影像的管理與保護(hù)范圍線提取方法；殷丹[3]提出將ArcGIS應(yīng)用于有堤河段和有規(guī)劃設(shè)計(jì)資料無(wú)堤河段管理范圍劃界工作中；李青林等[4]提出應(yīng)用奧維互動(dòng)地圖提高河湖和水利工程管理范圍劃界工作效率。但以上技術(shù)應(yīng)用研究多集中于有堤河段管理范圍劃定，而山區(qū)中小河流大部分為無(wú)堤河段，針對(duì)無(wú)規(guī)劃設(shè)計(jì)資料的無(wú)堤河段，曹均昌[5]以紅柳河和新橋水庫(kù)為例就劃界過(guò)程中洪水分析計(jì)算進(jìn)行探討；趙巨偉[6]針對(duì)無(wú)堤河段劃界，提出基于洪水分析計(jì)算的技術(shù)流程，并結(jié)合遼寧省丹東市草河劃界案例，剖析了無(wú)堤段劃界的實(shí)施過(guò)程和技術(shù)要點(diǎn)；羅姍姍等[7]以貴州省某河道劃界案例，在開(kāi)展測(cè)量工作的基礎(chǔ)上分析了無(wú)堤河段劃界技術(shù)流程；以上無(wú)堤防河段管理范圍劃定研究多著重于洪水分析部分，鮮有將上述技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，劃界成果精度及生產(chǎn)效率有待提高，本文以德慶縣悅城河為例，結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)、無(wú)人船斷面測(cè)量技術(shù)，剖析無(wú)堤防河段管理范圍劃定的實(shí)施流程和技術(shù)方法，提出無(wú)堤河段設(shè)計(jì)水位與岸坡交線自動(dòng)化快速生成技術(shù)方案，以供技術(shù)人員交流和參考。

2 流域概況

悅誠(chéng)河屬西江一級(jí)支流，發(fā)源于德慶禾叉頂，流經(jīng)古有、莫村、永豐、播植、悅城等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于悅城鎮(zhèn)注入西江。悅城河全長(zhǎng)為82 km，集雨面積為877 km2，其中有43.4 km2由廣寧縣流入，9.97 km由高要市流入，總落差為798 m，平均坡降為1.62‰，多年平均流量為1.1 m3/s；流經(jīng)德慶縣河長(zhǎng)為66.61 km，河口位于德慶縣悅城鎮(zhèn)。流域水系見(jiàn)圖1所示。

圖1 悅城河流域水系示意

3 劃界技術(shù)流程

3.1 資料收集與分析

對(duì)劃界河道開(kāi)展調(diào)研工作，收集河道相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)資料、水利工程設(shè)計(jì)報(bào)告、河道所在流域水文站系列資料等，并對(duì)所采用的資料進(jìn)行合理性分析。

3.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)

對(duì)劃界河段進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)，航測(cè)作業(yè)開(kāi)展前，首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及資料收集情況確定航測(cè)范圍；然后利用TY-3垂起型航測(cè)無(wú)人機(jī)搭載LIDAR航拍系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)先確定的航攝范圍，執(zhí)行航測(cè)外業(yè)作業(yè)和像控布設(shè)；通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算，獲得劃界河段三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、1：2 000數(shù)字高程模型、1：2 000正射影像數(shù)據(jù)等工作底圖。

3.3 無(wú)人船河道斷面測(cè)量

采用基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量，由千尋CORS、船載GNSS和便攜式電腦組成導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航，采用船載測(cè)深儀自動(dòng)采集水深，后借助專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件和繪圖工具進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，獲取1：500河道斷面數(shù)據(jù)。

3.4 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

基于河道斷面測(cè)量成果，采用水文比擬法、綜合單位線法和新推理公式法3種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)資料可靠的河段，直接采用現(xiàn)有洪峰流量成果，或采用水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水；無(wú)可靠設(shè)計(jì)資料的河段采用綜合單位線法和新推理公式法分別進(jìn)行計(jì)算，并協(xié)調(diào)兩種方法算得的洪峰流量值相差不超過(guò)20%，然后選用綜合單位線法計(jì)算成果[8-9]。

3.5 確定管理區(qū)邊界

利用已有設(shè)計(jì)水位成果或建立河道一維數(shù)學(xué)模型推算劃界河段設(shè)計(jì)水位；利用Arcgis生成設(shè)計(jì)水位與岸坡交線并結(jié)合人工目視解譯獲得無(wú)堤河段管理范圍基準(zhǔn)線；然后根據(jù)劃界標(biāo)準(zhǔn)，分河段緩沖分析得到管理區(qū)邊界。

4 技術(shù)和方法

4.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)

1)外業(yè)航拍

外業(yè)航拍需對(duì)攝區(qū)的地點(diǎn)及設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察和調(diào)研，選擇攝區(qū)最有利的氣象條件，并要盡可能的避免或減少地表植被和其他覆蓋物對(duì)攝影和測(cè)圖的不良影響，確保航攝像片能夠真實(shí)地顯現(xiàn)地面細(xì)部。在避開(kāi)航攝范圍內(nèi)高壓電力線和軍民航空器的前提下，保證航攝飛行路線的直線性，并把項(xiàng)目區(qū)分成若干測(cè)段，每一測(cè)段再分為若干航帶。在航攝飛行中盡量保持飛機(jī)姿態(tài)的平穩(wěn)，轉(zhuǎn)彎半徑要大，飛機(jī)傾斜角不得大于15°，以防止GPS信號(hào)失鎖。

2)像控測(cè)量

在完成一定區(qū)域范圍的航攝，解算出影像數(shù)據(jù)后，即開(kāi)始選取控制點(diǎn)、刺點(diǎn)的工作。采用千尋網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)作為測(cè)區(qū)控制系統(tǒng)參考，利用1個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站，實(shí)時(shí)自動(dòng)地提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的GPS觀測(cè)值、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息。通過(guò)RTK獲得測(cè)區(qū)的平面坐標(biāo)信息，即國(guó)家2 000坐標(biāo)系統(tǒng)。采用RTK獲得大地高程數(shù)據(jù)，通過(guò)獲得的RTK數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)廣東省地理信息中心的后期結(jié)算，獲得測(cè)區(qū)準(zhǔn)確的國(guó)家85高程系統(tǒng)下的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3)內(nèi)業(yè)處理

對(duì)外業(yè)航拍及像控測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算處理，獲得劃界河段三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、1：2 000數(shù)字高程模型(DEM)、1：2 000正射影像(DOM)數(shù)據(jù)等工作底圖，悅城河某河段DEM及DOM成果示意分別見(jiàn)圖2～3。

圖2 悅城河某河段DEM成果示意

圖3 悅城河某河段DOM成果示意

4.2 無(wú)人船河道斷面測(cè)量

1)導(dǎo)航定位

啟動(dòng)測(cè)量軟件，按軟件提示設(shè)定記錄間隔、船速檔位、通訊ip、船只吃水等，由導(dǎo)航人員引導(dǎo)測(cè)量船至測(cè)區(qū)后開(kāi)始作業(yè)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集定位、水深等數(shù)據(jù)，顯示到圖形界面。測(cè)量采用手動(dòng)自動(dòng)相結(jié)合的測(cè)量模式，測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄間隔按1 s/點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。作業(yè)過(guò)程中測(cè)量人員實(shí)時(shí)觀察RTK流動(dòng)站的衛(wèi)星信號(hào)鎖定、固定解情況。

2)外業(yè)測(cè)量

水深外業(yè)測(cè)量采用船載測(cè)深儀自動(dòng)采集，測(cè)量精度0.1%h。無(wú)人船的測(cè)量數(shù)據(jù)由無(wú)人船傳輸天線通過(guò)網(wǎng)橋傳輸?shù)降孛婀ぷ髡局?，無(wú)人船在工作中可以通過(guò)地面工作站和遙控器進(jìn)行控制。測(cè)深過(guò)程中，測(cè)量人員通過(guò)電臺(tái)實(shí)時(shí)查看測(cè)深數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整航速，使測(cè)深數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定、可靠[10]。

3)內(nèi)業(yè)處理

數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)改正和數(shù)據(jù)檢查，主要是借助專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件和繪圖工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括定位中心與測(cè)深中心的偏心改正、水深點(diǎn)采集時(shí)間延時(shí)檢測(cè)、對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)異常值檢測(cè)及修正以及水深數(shù)據(jù)異常值檢測(cè)及修正；數(shù)據(jù)改正主要包括水深數(shù)據(jù)的吃水改正、聲速改正和水位改正；數(shù)據(jù)檢查主要包括制作圖件，并采用等深線圖示法及三維顯示法對(duì)圖件中存在的殘留異常值進(jìn)行修正，最后輸出成果、制作成果圖件，斷面測(cè)量成果見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)人船河道斷面測(cè)量成果示意

4.3 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料可靠的河段，直接采用現(xiàn)有洪峰流量成果，或采用水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水；無(wú)設(shè)計(jì)資料的河段，采用綜合單位線法和推理公式法分別計(jì)算劃界河段各頻率設(shè)計(jì)洪水成果，并協(xié)調(diào)兩種方法算得的洪峰流量值相差不超過(guò)20%，然后選用綜合單位線法計(jì)算成果，悅城河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 悅城河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果

4.4 設(shè)計(jì)水位計(jì)算

獲得設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果后，建立河道一維數(shù)學(xué)模型推算悅城河設(shè)計(jì)水位[11-12]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 悅城河設(shè)計(jì)水位計(jì)算結(jié)果

4.5 設(shè)計(jì)水位與岸坡交線自動(dòng)化快速生成技術(shù)

利用Arcgis將設(shè)計(jì)水位計(jì)算結(jié)果與無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的高分辨率DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取劃界河段設(shè)計(jì)水位與岸坡交線。具體過(guò)程分析如下：

1)獲取設(shè)計(jì)水位數(shù)據(jù)后，利用Arcgis對(duì)水位數(shù)據(jù)沿河道中心線進(jìn)行二維插值，獲得二維水位數(shù)據(jù)。

2)將二維插值后的水位數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)數(shù)據(jù)集文件，具體操作步驟為：打開(kāi)ArcToolbox工具→3DAnalyst工具→數(shù)據(jù)管理→TIN→創(chuàng)建TIN。

3)將不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)數(shù)據(jù)集文件轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)文件，具體操作步驟為：打開(kāi)ArcToolbox工具→3DAnalyst工具→轉(zhuǎn)換→由TIN轉(zhuǎn)出→TIN轉(zhuǎn)柵格。完成柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到設(shè)計(jì)水位柵格圖層，設(shè)計(jì)水位柵格數(shù)據(jù)示意見(jiàn)圖5。

圖5 設(shè)計(jì)水位柵格數(shù)據(jù)示意

4)應(yīng)用設(shè)計(jì)水位柵格數(shù)據(jù)與相應(yīng)河道高分辨DEM數(shù)據(jù)相減，獲得水深數(shù)據(jù)，具體操作步驟為：打開(kāi)ArcToolbox工具→3DAnalyst工具→柵格計(jì)算→減。完成設(shè)計(jì)水位柵格圖層與相應(yīng)河道高分辨DEM數(shù)據(jù)處理，得到水深數(shù)據(jù)文件，河道高分辨DEM數(shù)據(jù)示意見(jiàn)圖6，水深數(shù)據(jù)示意見(jiàn)圖7。

圖6 河道高分辨DEM數(shù)據(jù)示意

圖7 水深數(shù)據(jù)示意

5)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)，便可獲得設(shè)計(jì)水位與岸坡交線，具體操作步驟為：將水深圖層載入ArcMap→右鍵圖層屬性→符號(hào)系統(tǒng)→已分類(lèi)→分類(lèi)。對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)，數(shù)值小于零表示地面高程高于設(shè)計(jì)水位的區(qū)域，數(shù)值大于零表示設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)范圍，設(shè)置區(qū)間-0.5～0作為緩沖區(qū)，此數(shù)值可根據(jù)數(shù)據(jù)分辨率設(shè)定。將無(wú)物理意義區(qū)間-247.38～-0.5設(shè)置為無(wú)顏色區(qū)域，緩沖區(qū)-0.5～0與設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)范圍區(qū)0～141.14分別設(shè)置不同顏色，便可獲得設(shè)計(jì)水位與岸坡清晰交線，同時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置亦可直觀表現(xiàn)地勢(shì)的陡緩。水位岸坡交線成果圖見(jiàn)圖8。

圖8 水深數(shù)據(jù)重分類(lèi)后獲取水位岸坡交線成果示意

獲得設(shè)計(jì)水位與岸坡交線圖層后，基于高分辨率無(wú)人機(jī)航攝正射影像和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況結(jié)合人工目視解譯繪制設(shè)計(jì)水位與岸坡交線獲得無(wú)堤河段管理范圍基準(zhǔn)線；然后根據(jù)劃界標(biāo)準(zhǔn)，分河段緩沖區(qū)分析得到管理區(qū)邊界。根據(jù)《廣東省河湖管理范圍劃定技術(shù)指引(試行)》，無(wú)堤河段劃界分為無(wú)堤山區(qū)河段和無(wú)堤平原河段，無(wú)堤山區(qū)河段以設(shè)計(jì)水位與岸坡交線作為管理區(qū)邊界，無(wú)堤平原河段以設(shè)計(jì)水位與岸坡交線為管理范圍基準(zhǔn)線，根據(jù)劃界標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合護(hù)堤地寬度要求外延一定距離作為管理區(qū)邊界。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取劃界河段三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)字高程模型、正射影像數(shù)據(jù)等工作底圖，通過(guò)無(wú)人船河道斷面測(cè)量獲取1：500河道斷面數(shù)據(jù)，采用水文比擬法、綜合單位線法和新推理公式法3種方法分析計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，然后建立河道一維數(shù)學(xué)模型推算劃界河段設(shè)計(jì)水位；最后利用Arcgis將設(shè)計(jì)水位計(jì)算結(jié)果與無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的高分辨率DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)水位與岸坡交線的自動(dòng)化快速生成。

在運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的地形數(shù)據(jù)確定設(shè)計(jì)洪水位的過(guò)程中，受岸坡植被、建筑物等影響，存在生成的設(shè)計(jì)水位與岸坡交線與實(shí)際地形誤差，對(duì)于河岸建筑物較多的敏感河段應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，RTK定點(diǎn)測(cè)量等方式進(jìn)行修正，提高劃界成果的精度。另外，應(yīng)用設(shè)計(jì)水位確定河道管理范圍較適用于山區(qū)河道或者地勢(shì)較高的平原河道，對(duì)于地勢(shì)較低的平原河道，計(jì)算的淹沒(méi)范圍普遍偏大，而中小河流一般河寬較窄，應(yīng)用設(shè)計(jì)水位與岸坡交線作為河道管理區(qū)邊界易導(dǎo)致管理范圍偏大。

文章提出無(wú)堤河段設(shè)計(jì)水位與岸坡交線自動(dòng)化生成的技術(shù)方案，讀者后續(xù)通過(guò)Python語(yǔ)言或Arcgis自定義工具箱可簡(jiǎn)化操作步驟，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。