楊 驍

(遼寧省撫順?biāo)木郑|寧 撫順 113006)

0 引 言

分析河岸侵蝕的程度和速率是河流系統(tǒng)研究的重要組成部分之一[1]。河岸侵蝕是一個非常重要的地貌變化過程，這種變化會影響河流的水質(zhì)和河流附近基礎(chǔ)設(shè)施的安全性。因此，河岸侵蝕的研究就顯得尤為重要。許多間接和直接的方法被用來測量和監(jiān)測不同時空尺度下的河岸侵蝕[2]。間接方法包括基于極限平衡法的分析性邊坡穩(wěn)定性建?；蚴褂糜嬎銠C(jī)程序進(jìn)行數(shù)值模擬。河岸監(jiān)測的直接方法包括光電感應(yīng)侵蝕針、激光掃描儀和遙感攝影。這些方法都難以經(jīng)濟(jì)和準(zhǔn)確地量化河岸侵蝕程度。

無人機(jī)系統(tǒng)(UAS)和無人機(jī)(UAV)的快速發(fā)展，解決了上述方法中存在的一些問題[3]。UAS的靈活性和相對較低的成本讓攝影測量在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。然而，到目前為止，無人機(jī)監(jiān)測航道變化的調(diào)查主要集中在短河段(<1 km)上，這與TLS等其它方法相比仍顯得不足。因此，在使用UAS對各種類型的河流環(huán)境測量得到的高分辨率地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估仍然需要進(jìn)一步的研究。

1 研究背景及方法

本項目的研究區(qū)域位于遼寧省撫順市渾河流域。UAS測量時覆蓋了約20 km的河流區(qū)域，其中包括7個長期河岸監(jiān)測點。在本研究中，討論了UAS在整個研究區(qū)域的應(yīng)用，并將結(jié)果與另一個詳細(xì)監(jiān)測點中使用TLS和RTK-GPS測量得到的結(jié)果進(jìn)行比較。

1.1 UAS測量

本研究使用具有固定翼的eBee無人機(jī)對河流研究區(qū)域進(jìn)行測量。研究中的兩種無人機(jī)模型分別為eBee無人機(jī)和eBee RTK無人機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)的eBee無人機(jī)有一個基本的GPS接收器，需要借助地面控制點來精確地與數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。eBee RTK無人機(jī)，具有更精確的GPS接收器，能夠使用虛擬或本地的GPS基站，因此不再需要地面控制點來進(jìn)行輔助參考。數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)地面圖像分辨率為3.6 cm，重疊率為70%。在較低高度拍攝圖像時會相應(yīng)地提高像素分辨率，這樣可以得到更精確的結(jié)果。

1.2 地面測量

本研究還使用了RIEGL TLS對每個河岸監(jiān)測點進(jìn)行詳細(xì)測量。TLS測量范圍和現(xiàn)場的條件有關(guān)，在河流區(qū)域測量范圍為50～300 m。當(dāng)需要對UAS數(shù)據(jù)進(jìn)行地理位置參考時，可以使用GPS接收機(jī)對地面控制點進(jìn)行輔助測量。在RTK模式下收集UAS和TLS測量中使用的地面控制點坐標(biāo)，并使用在線位置用戶服務(wù)(OPUS)校正GPS基站位置。同時還收集了每個河岸研究現(xiàn)場的地面測量點橫截面，以驗證TLS和UAS收集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

UAS和TLS方法中的數(shù)據(jù)均在WGS-84坐標(biāo)下生成真彩色點云，并在ArcGIS中進(jìn)行分析。將濾波法應(yīng)用于UAS點云數(shù)據(jù)中(圖1(a))，以生成近似的地面模型(DEM)(圖1(b))。相互減去不同日期的DEMs，以估算河岸沿線的侵蝕和沉積面積。在河岸監(jiān)測點，使用TLS和RTK-GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行橫斷面分析，以驗證UAS在測量河岸剖面方面的性能。從UAS和TLS的點云中提取數(shù)據(jù)點，并計算每個GPS測量點與TLS和UAS點云中最近點之間的平均差，以驗證TLS和UAS數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過應(yīng)用簡單的植被點去除程序，將提取的橫截面點用于推導(dǎo)“裸土”表面，并將其作為地面。在監(jiān)測期間，通過計算每個橫截面的河岸后退面積來計算侵蝕或沉積量，利用UAS和TLS的調(diào)查數(shù)據(jù)確定河岸侵蝕的單位寬度體積。

圖1 調(diào)查區(qū)域的圖像及高程模型

2 結(jié)果和討論

在UAS測量過程中數(shù)據(jù)輸出的規(guī)范見表1。單次飛行可覆蓋的河流長度為1.0～1.2 km。每天的飛行次數(shù)通常在5～7次之間，每天可收集4～5 km的河流數(shù)據(jù)。在研究區(qū)域內(nèi)，使用UAS對連續(xù)12 km的河段進(jìn)行測量。通過收集的UAS數(shù)據(jù)來產(chǎn)生平均點間距為0.12 m的點云數(shù)據(jù)。最后驗證地理參考的正確性和對數(shù)據(jù)進(jìn)行定性評價。

表1 單個UAS飛行的數(shù)據(jù)輸出的規(guī)范

本文通過河岸沿線的橫截面數(shù)據(jù)來分析UAS的性能，并與TLS和RTK-GPS的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較。圖2為研究現(xiàn)場XS-1(位置見圖1(a))處用UAS和TLS得到的原始點云數(shù)據(jù)，以及用UAS和TLS測得的河岸剖面和利用RTK-GPS測量的河岸剖面的對比。雖然觀察到用UAS得到的河岸剖面圖與用RTK-GPS得到的剖面圖之間存在差異，但可以看出UAS能夠準(zhǔn)確地捕捉0.5 m范圍內(nèi)的河岸剖面圖。這些差異可能是由草和植被覆蓋住一部分河岸區(qū)域造成的。

圖2 XS-1處的點云數(shù)據(jù)及河岸面

在測量期間，XS-1處未觀察到任何河岸后退趨勢。但是，在XS-2處觀察到約1 m的河岸后退。通過比較，可以清楚地顯示河岸侵蝕的區(qū)域(圖3)。XS-2處侵蝕的單位寬度體積為1.20 m3，在河岸坡腳處觀察到0.06 m3的沉積。將這些結(jié)果與TLS調(diào)查的測量值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，侵蝕和沉積的誤差在4%以內(nèi)。

圖3 不同日期下利用UAS在XS-2現(xiàn)場捕獲的河岸面的對比

使用UAS測量方法生成的地形數(shù)據(jù)會受到來自UAS的可見性和視線的限制。由于測量區(qū)域的幾何形狀和侵蝕過程可能不明顯，UAS可能無法完全識別河岸及其侵蝕狀況。雖然TLS可以通過穿透一些灌木叢和植被來獲取地面信息，但衍生的UAS測量河岸剖面時仍然可能會受到密集植被的影響。因此，在植被茂密的地區(qū)，如果使用UAS觀測河岸侵蝕，這可能導(dǎo)致觀察到的侵蝕有一定偏差，使得UAS很難在全年植被覆蓋區(qū)域準(zhǔn)確地進(jìn)行河岸侵蝕監(jiān)測。

3 在河網(wǎng)尺度分析河岸侵蝕的展望

將河岸后退測量和侵蝕量估算應(yīng)用到流域尺度對于整個河流系統(tǒng)的分析來說是必要的。在本研究中，在多個日期對20 km以上的河流區(qū)域進(jìn)行測量調(diào)查。這些監(jiān)測點處得到的數(shù)據(jù)可以通過UAS和DEMs進(jìn)行各種河岸特征的驗證，以了解沿河流區(qū)域捕獲河岸剖面時產(chǎn)生的誤差和誤差來源。在流域尺度上，可使用計算DEM之間的差異等方法來將這些誤差納入到河岸侵蝕估算中。圖4為不同日期下利用UAS得到的不同的DEM。負(fù)值表示在測量期間該處高程有所下降，可解釋為測量期間內(nèi)該處發(fā)生了侵蝕。兩個河岸侵蝕區(qū)域在圖4中用深紅色區(qū)域來表示，顯示為較小負(fù)值的區(qū)域可能是受到植被影響而引起高程發(fā)生微小的變化。在河網(wǎng)規(guī)模上對河岸侵蝕進(jìn)行量化的方法研究是后續(xù)相關(guān)工作的重點。

圖4 不同日期下利用UAS得到的DEM的對比

4 結(jié) 論

本文分析了衍生的UAS測量得到的地形數(shù)據(jù)在監(jiān)測和量化河岸侵蝕方面的適用性。將UAS得到的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的地面測量方法(包括RTK-GPS和TLS)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗證UAS方法的適用性和優(yōu)越性。盡管該方法可能會在測量過程中因為植被遮擋而存在一些限制，但對于一個確定研究地點的侵蝕量來說，UAS和TLS得到的結(jié)果是非常相似的?？紤]到在河網(wǎng)層面上收集UAS數(shù)據(jù)方案的可行性，使用UAS數(shù)據(jù)檢測或監(jiān)測每隔幾年發(fā)生一次侵蝕的區(qū)域或在重大侵蝕后再發(fā)生一次侵蝕的區(qū)域是有效且必要的。