祁善勝

（黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧810000）

盡管從發(fā)生的頻率上來看，水庫極端洪水現(xiàn)象處在一個比較低的水平，但是一旦有這一現(xiàn)象出現(xiàn)，會在很大程度上威脅到水利工程的施工運行及其上下游人民的生命財產(chǎn)安全。近些年來，國內(nèi)外的學(xué)者針對極端洪水已經(jīng)展開了相應(yīng)的研究，也取得了一定的研究成果，在研究過程中，不少學(xué)者在統(tǒng)計極端洪水淹沒范圍或者是評估洪災(zāi)損失之時，都對傳統(tǒng)的歷史水文法或者是損失系數(shù)法加以采用[1]，這些方法雖然簡單，但是粗略性比較明顯，現(xiàn)如今已經(jīng)無法實現(xiàn)對極端洪水高精度以及高效率評估要求的有效滿足。出于對這一實際情況的考慮，本文對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)加以采用，將無人機(jī)傾斜模型應(yīng)用于水庫極端洪水演進(jìn)之中，從技術(shù)層面為水庫管理以及防汛等相關(guān)部門提供一定的參考。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 無人機(jī)技術(shù)

的設(shè)定，并保存KMZ文件，在飛行作業(yè)人員接收人工分派之后，將谷歌地球打開直接導(dǎo)入KMZ文件便可獲取指定的飛行區(qū)域。通常，航飛攝影作業(yè)有2類情況的劃分，一種并不需要控制點，另一種則需要。在將指定的飛行區(qū)域確定下來之后，若是飛行作業(yè)不需要控制點，便可以在區(qū)域直接進(jìn)行航線的規(guī)劃。其次，需針對指定的飛行作業(yè)目標(biāo)區(qū)域，執(zhí)行參數(shù)設(shè)置以及航線規(guī)劃任務(wù)。具體地，需要與選定區(qū)域的實際情況相結(jié)合，在完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定作業(yè)以后，自動進(jìn)行航線規(guī)劃。最后，要對飛行過程進(jìn)行操作，在起飛以前，在電臺的支持下聯(lián)調(diào)飛機(jī)和地面站，向飛機(jī)上傳事先規(guī)劃好的航線，之后進(jìn)行攝影，一直到完成對整個區(qū)域的攝影。②數(shù)據(jù)處理。該作業(yè)是無人機(jī)遙感系統(tǒng)的一項核心任務(wù)，所用技術(shù)比較多，對影像預(yù)處理、相機(jī)精度檢測、影像匹配等等均有涉及，圖1所示為數(shù)據(jù)處理流程。

圖1 無人機(jī)遙感處理流程

無人機(jī)是一種借助于無線電遙控與自動化程序控制而實現(xiàn)飛行、航測以及監(jiān)控等相關(guān)任務(wù)的無人飛機(jī)或飛行器，固定翼、多旋翼、飛艇以及直升機(jī)等很多機(jī)種都屬于無人機(jī)的范疇。從其特點與優(yōu)點上看，無人機(jī)因其機(jī)動性、快速性與經(jīng)濟(jì)性特征而得到了諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)體質(zhì)量通常都比較小、無需支付很高的使用成本，且表現(xiàn)出很高的數(shù)字化以及智能化程度，能高效地獲取國土資源、自然環(huán)境及應(yīng)急救災(zāi)等現(xiàn)勢數(shù)據(jù)和工程測繪數(shù)據(jù)，其應(yīng)用優(yōu)勢非常明顯。

無人機(jī)遙感處理需要做好以下工作：①獲取影像。首先，需要進(jìn)行飛行之前的準(zhǔn)備，一般情況下，作業(yè)人員會針對飛行區(qū)域事先在谷歌地球上進(jìn)行一個區(qū)域

1.2 傾斜攝影技術(shù)

與航空攝影技術(shù)的迅速發(fā)展及其不斷創(chuàng)新相伴隨，傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)了對遙感影像應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，它將傳統(tǒng)意義上航空攝影僅能以正攝角度進(jìn)行影像采集的攝影方式替代，通過對多角度相機(jī)的運用，可以在同一時間實現(xiàn)對地面物體諸多角度高分辨率航攝影像的獲取。在傾斜攝影測量技術(shù)的支持下，三維模型的構(gòu)建可以更加真實且準(zhǔn)確地將與人眼視覺相符的城市、建筑或是地質(zhì)等各類場景呈現(xiàn)出來，與全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，還能夠?qū)⑷S城市導(dǎo)入至城市地理信息框架之中，實現(xiàn)對全面而又豐富的地理信息的精確展現(xiàn)，不僅能夠大幅度提升用戶體驗度，還可以有效地節(jié)省三維城市建模支出，積極意義毋庸置疑[2]。

傾斜攝影系統(tǒng)主要涉及3個部分：飛行平臺、工作人員、儀器。其中，飛行平臺指的便是無人機(jī)，工作人員是地面指揮人員，儀器則由傳感器以及姿態(tài)定位系統(tǒng)構(gòu)成。進(jìn)一步地，傳感器以多頭相機(jī)（其功能在于進(jìn)行多角度的拍攝）與GPS定位裝置為主，姿態(tài)定位系統(tǒng)則主要用于對相機(jī)曝光瞬時姿態(tài)做記錄。總得來說，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)表現(xiàn)出以下特點與優(yōu)勢：①通常，無人機(jī)都會在較低的高度飛行，借助于自帶的多角度向機(jī)組，可以實現(xiàn)對地物頂面以及側(cè)面影像數(shù)據(jù)的多方位以及高覆蓋獲??；②在無人機(jī)獲取的相鄰影像之間，一般會有較高的航向及旁向重疊度，這在較大程度上為其影像表達(dá)內(nèi)容的豐富程度提供保證；③無人機(jī)飛行過程中不需要過多的人為干預(yù)，可以借助于計算機(jī)完成自動化影像匹配、建模等工作；④實體側(cè)面紋理具有可見性，不同于傳統(tǒng)數(shù)字正射影像技術(shù)以對實體頂部紋理的獲取為主，無人機(jī)傾斜攝影還可以實現(xiàn)對側(cè)面紋理的同時映射；⑤具有較低的綜合成本優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)采集以及城市三維模型生成上，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)有較高的效率表現(xiàn)，對于時間與人力成本的減少均具有積極意義。

2 基于無人機(jī)傾斜模型的水庫極端洪水演進(jìn)模擬

2.1 技術(shù)研究路線

本文擬借助含實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（亦即RTK模塊）在內(nèi)的多旋翼高精度無人機(jī)執(zhí)行對水庫的航測任務(wù)，以此類無人機(jī)所具有的抗磁干擾與精準(zhǔn)定位能力為支持，達(dá)到厘米級定位以及圖像元數(shù)據(jù)絕對精度控制目標(biāo)[3]。通過人工干預(yù)的方式，為無人機(jī)搭載可以多角度收集數(shù)據(jù)的多鏡頭傳感器，從垂直以及側(cè)視等不同的角度針對流域下墊面執(zhí)行影像采集任務(wù)，同時，與數(shù)據(jù)集群方式相結(jié)合，在較短的時間內(nèi)完成三維模型的精細(xì)化構(gòu)建，并準(zhǔn)確輸出相應(yīng)的測量結(jié)果。圖2所示為基于無人機(jī)傾斜攝影測量的水庫極端洪水演進(jìn)三維建模技術(shù)研究路線。

圖2 基于無人機(jī)傾斜攝影測量的水庫極端洪水演進(jìn)三維建模技術(shù)研究路線

2.2 無人機(jī)航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)采集

在無人機(jī)執(zhí)行對水庫極端洪水演進(jìn)的信息采集任務(wù)之時，首先要做的工作便是進(jìn)行航線的規(guī)劃。出于對三維模型精度、飛行采集時間以及作業(yè)起飛架次等相關(guān)因素的考慮，需要以對模型精度的確保為前提開展航線規(guī)劃以及影像采集工作。針對水庫流域內(nèi)的重要區(qū)域，或是對于一些重要的阻水建筑物，需要通過將飛行高度降低等方式執(zhí)行影像加密采集任務(wù)，而在后期對數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)，還要實施分塊運算。

無人機(jī)的飛行高度可以根據(jù)公式（1）來確定，具體地，按照航向與旁向重疊度分別為85%與80%的標(biāo)準(zhǔn)實施對各個影像的采集。

式（1）中：H為無人機(jī)的實際航攝高度；f為鏡頭焦距；bGSD為地面的分辨率；α為像元尺寸。

2.3 基于無人機(jī)影像的傾斜模型構(gòu)建

借助ContextCapture軟件，通過對局域網(wǎng)內(nèi)部多臺計算機(jī)集群方式的采用，執(zhí)行三維模型運算任務(wù)，在此過程中，以采取區(qū)域的實際大小為依據(jù)對其進(jìn)行不同區(qū)塊的劃分，解析運算無人機(jī)采集到的各項影像數(shù)據(jù)，針對房屋、建筑設(shè)施以及農(nóng)田等，施以模型矢量單體化處理，為后期水庫極端洪水災(zāi)害評估工作的開展提供便利。

具體計算按以下步驟進(jìn)行：①對影像圖進(jìn)行加載，同時，按照區(qū)域?qū)嶋H大小對其進(jìn)行10個區(qū)塊的劃分；②適當(dāng)調(diào)整，并將采樣率降低至30%，執(zhí)行空三計算任務(wù)，合并處理計算所得Block塊；③生成三維模型；④進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)的提取，并在此基礎(chǔ)上執(zhí)行物理單體化處理操作。

2.4 獲取水庫極端洪水模型

為了確保洪水計算在不同的水庫以及流域均有較好的適用性，此處對以將于徑流經(jīng)驗為基礎(chǔ)的水文模型加以采用，針對水庫上游洪水執(zhí)行模擬計算任務(wù)。作為一個多變量輸入，同時，伴隨單數(shù)據(jù)輸出的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，API模型在流域或是水庫洪水的徑流計算中有較為廣泛的應(yīng)用。該模型所涉及到的各個等值線全部有一個對應(yīng)的轉(zhuǎn)折點存在，在轉(zhuǎn)折點以上的部位，其關(guān)系線以45°直線為表現(xiàn)，這對于水庫在遇到極端暴雨天氣之時形成的洪水外延有較為理想的相關(guān)性，因而在水庫極端洪水演進(jìn)模擬分析作業(yè)中有較好的適用性。

流域匯流的計算對單位線計算方式加以采用，該方法的倍比性以及疊加性條件可以對水庫流域內(nèi)沒有極端洪水資料驗證這一不足加以彌補，此外，采用此方法表現(xiàn)出推求簡便、計算速度快以及通用性強等特點。

2.5 獲取二維水流模型

二維水流模型的計算與構(gòu)建對表現(xiàn)出守恒特點的二維非恒定流淺水方程組加以采用，實現(xiàn)對水流流動具體情況的模擬，模型方程組的數(shù)值求解任務(wù)通過對有限體積法與黎曼近似解的采用來實現(xiàn)。

應(yīng)用于二維水流模擬之時，有限體積法可將傳統(tǒng)有限差分以及有限單元的共同特點體現(xiàn)出來，另外，該方法還可以實現(xiàn)對無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的積分離散處理，這亦決定著其能夠?qū)?fù)雜邊界水體的運動情況進(jìn)行模擬。

具體地，模型先以無人機(jī)采集到并生成的高精度地形資料為依據(jù)執(zhí)行無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分處理，為了對復(fù)雜邊界網(wǎng)格分布均勻性以及貼合性不理想的狀況加以規(guī)避，借助四邊形與三角形網(wǎng)格混合模式實施相應(yīng)的處理；在此基礎(chǔ)上，在有限體積法的支持下針對各個劃分好的單元網(wǎng)格按照相應(yīng)的時段順序完成對水量以及動量平衡的循環(huán)化建立；最后，與黎曼近似解相結(jié)合將相互單元網(wǎng)格之間存在的水量交互情況計算出來[4]。運用該計算方法，不僅能夠確保水量計算是守恒的，還可以為水流計算的精度提供可靠保證。

3 水庫極端洪水演進(jìn)模擬實現(xiàn)流程

具體流程如圖3所示。

圖3 基于無人機(jī)傾斜模型的水庫極端洪水演進(jìn)模擬實現(xiàn)流程

首先，在無人機(jī)完成對水庫大壩及其下游區(qū)域的傾斜攝影之后，結(jié)合影像執(zhí)行傾斜模型三維建模任務(wù)，針對一些重要的設(shè)施，還需完成高精度建模，此外，執(zhí)行對下游區(qū)域DEM數(shù)據(jù)提取工作，將無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖層獲取出來；接著，借助實時洪水模型對水庫入庫洪峰、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，與水庫閘門開閘信息相結(jié)合，針對下游區(qū)域進(jìn)一步開展二維水動力學(xué)演進(jìn)模擬工作；然后，借助三維模型可視化處理洪水計算數(shù)據(jù)，針對淹沒區(qū)域，通過Cesium貼圖水特效將其展示出來，同時模擬與渲染水流的流動效果以及具體的淹沒過程；最后，借助三維矢量單體化模型執(zhí)行對建筑物以及農(nóng)田等的統(tǒng)計分析任務(wù)，將淹沒深度、時長以及面積等作為指標(biāo)，用于對洪水災(zāi)害情況的評估，在此基礎(chǔ)之上完成對極端洪水模擬管理系統(tǒng)的搭建。

4 結(jié)語

中國有很多的水庫，它們中有部分水庫在一定程度上存在著安全隱患。近年來，極端惡劣天氣在中國發(fā)生頻率比較高，這對水庫產(chǎn)生較大的影響，很容易使其出現(xiàn)洪水潰壩的狀況，嚴(yán)重的甚至?xí)斐扇藛T傷亡以及財產(chǎn)損失。本文借助無人機(jī)傾斜模型進(jìn)行水庫極端洪水演進(jìn)的模擬與分析，可以為防洪決策的制定提供參考與支持。