楊 磊,劉郭陽(yáng),尤雪靜

[1.黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局(綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站),陜西 榆林 719000);2.黃土高原水土保持與生態(tài)修復(fù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 榆林 719000]

2019年9月18日,習(xí)近平總書(shū)記在河南鄭州主持召開(kāi)了黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì),將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略,并要求黃河中游突出抓好水土保持,有條件的地方要大力建設(shè)淤地壩。2021年,中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》,要求在晉陜蒙丘陵溝壑區(qū)積極推動(dòng)建設(shè)粗泥沙攔沙減沙設(shè)施。為此,水利部將黃河粗泥沙集中來(lái)源區(qū)攔沙工程一期項(xiàng)目列入150項(xiàng)重大水利工程。攔沙工程一期項(xiàng)目分布在1.88萬(wàn)km2的黃河粗泥沙集中來(lái)源區(qū),項(xiàng)目涉及黃河中游右岸的皇甫川、窟野河、禿尾河等9條黃河一級(jí)支流,行政區(qū)域涉及延安市、榆林市、鄂爾多斯市的13個(gè)縣(旗、區(qū))。

1 概況

神木市隸屬榆林市,位于黃河一級(jí)支流窟野河流域,是國(guó)家水土保持重點(diǎn)治理區(qū)和重點(diǎn)監(jiān)督區(qū),也是黃河中游粗泥沙集中來(lái)源區(qū)之一。區(qū)內(nèi)梁峁林立,溝壑縱橫,地表支離破碎,基巖出露,林草植被覆蓋率低,土壤抗侵蝕能力弱,生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴(yán)重,大量泥沙入河,導(dǎo)致下游河道淤積,嚴(yán)重影響行洪安全,因此開(kāi)展攔沙工程建設(shè)有著非常重要的意義。為攔蓄溝道泥沙、控制溝道侵蝕、集蓄利用洪水、減少入黃泥沙、保障黃河安瀾,2021年神木市計(jì)劃建設(shè)100余座攔沙工程,目前已完成建設(shè)任務(wù)。

無(wú)人機(jī)因具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),迅速地在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在對(duì)神木市攔沙工程設(shè)計(jì)時(shí),利用無(wú)人機(jī)航拍,提供了直觀、清晰的三維實(shí)景影像及模型,為攔沙工程的選址、“三大件”(壩體、溢洪道、放水建筑物)及配套設(shè)施的布設(shè)提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐,使初步設(shè)計(jì)深度達(dá)到了施工要求,確保了整個(gè)工程的建設(shè)地點(diǎn)、目標(biāo)任務(wù)和建設(shè)時(shí)序的合理性。無(wú)人機(jī)在神木市攔沙工程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用,形成了一套成熟、完整的技術(shù)路線,可為黃河中游粗泥沙集中來(lái)源區(qū)的攔沙工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 技術(shù)路線

在黃河粗泥沙集中來(lái)源區(qū)選取產(chǎn)沙量大的溝道,分析其地形、水文、地質(zhì)、氣象條件,歷史洪水記錄和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等,經(jīng)過(guò)綜合論證評(píng)比后,最終審定是否修建攔沙工程。先利用無(wú)人機(jī)航拍,獲取需修建攔沙工程的溝道控制范圍的影像,經(jīng)初步分析后確定可選址區(qū)域;再根據(jù)采集的影像數(shù)據(jù),提取選址區(qū)域水文、地形等數(shù)據(jù),進(jìn)一步選定“口小肚大”的區(qū)域,結(jié)合地形、交通等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),確定最優(yōu)選址范圍;最后提取溝道控制范圍的影像,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,生成1∶2 000實(shí)測(cè)地形圖,為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。根據(jù)無(wú)人機(jī)在攔沙工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用,其技術(shù)路線可分為設(shè)置航線、航拍、生成影像、修正地形圖、數(shù)據(jù)應(yīng)用5個(gè)主要技術(shù)環(huán)節(jié)。

2.1 設(shè)置航線

2.1.1 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)是航空傾斜攝影空三加密精度和測(cè)量解析的基礎(chǔ),其位置的選擇、平面位置的設(shè)定和高程的測(cè)定精度直接影響內(nèi)業(yè)成圖的精度。像控點(diǎn)布設(shè)要考慮測(cè)區(qū)地形條件和測(cè)量精度要求,若地形起伏較大、地貌復(fù)雜,則需增加像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)測(cè)量技術(shù)采集像控點(diǎn)坐標(biāo),作為航拍成果整體精度的驗(yàn)證點(diǎn)位。

2.1.2 校正航拍區(qū)域地圖

由于攔沙工程所在區(qū)域地形條件較復(fù)雜,流域內(nèi)信號(hào)弱,從無(wú)人機(jī)自帶的GPS定位系統(tǒng)中加載在線地圖速度緩慢且精度不高,所以為合理規(guī)劃所需航拍區(qū)域的航線,提高飛行區(qū)域航線的精準(zhǔn)度,需提前下載目標(biāo)區(qū)域的離線地圖,并規(guī)劃小面積區(qū)域進(jìn)行預(yù)飛行,對(duì)無(wú)人機(jī)所需航拍區(qū)域的離線地圖進(jìn)行校正。

2.1.3 設(shè)置航線

設(shè)置航線主要包括設(shè)置相機(jī)參數(shù)和規(guī)劃航線。①設(shè)置相機(jī)參數(shù)。根據(jù)攔沙工程設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)無(wú)人機(jī)航拍模式、飛行高度、起飛速度、航線速度和完成自動(dòng)返航等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。②規(guī)劃航線。根據(jù)設(shè)計(jì)的航拍范圍,利用DJI Pilot建立數(shù)據(jù)模型,在校正后的地圖上規(guī)劃航線。依據(jù)航拍精度要求,設(shè)計(jì)航線密集度,確保實(shí)測(cè)影像數(shù)據(jù)滿足需要。為了提高航測(cè)的精度,起飛前要對(duì)航線的覆蓋度進(jìn)行反復(fù)校正,直至將航線覆蓋到滿足設(shè)計(jì)要求的流域面積[1]。

2.2 航拍

航拍前需對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行指南針校準(zhǔn),設(shè)置航拍基本參數(shù),檢查無(wú)人機(jī)電池電量、無(wú)人機(jī)衛(wèi)星信號(hào)接收強(qiáng)度、攝像頭云臺(tái)清晰度、周?chē)h(huán)境及天氣狀況等。攔沙工程的壩址多處于黃土丘陵溝壑區(qū),地理環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,一般以垂直雙向交叉航飛為最佳。航拍時(shí)若控制流域面積相對(duì)較小,一個(gè)架次就能覆蓋到全部流域面積;若控制流域面積較大,則要多個(gè)架次飛行采集,須保證飛行前后參數(shù)一致,直至航線全部飛行完畢。航拍過(guò)程中要依據(jù)獲取的飛行器速度和位置信息,實(shí)時(shí)掌控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài),要控制在流域平整區(qū)域內(nèi)飛行,同時(shí)要合理控制飛行高度,以免發(fā)生觸山、觸林等碰撞事故。

2.3 生成影像

飛行結(jié)束后,及時(shí)檢查獲取的影像、POS數(shù)據(jù)是否達(dá)到要求,即檢查影像清晰度、曝光度是否達(dá)到要求,飛行軌跡是否按照設(shè)定航線、是否覆蓋所需區(qū)域等。在確保影像、POS數(shù)據(jù)合格后,將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入Pix4D軟件,然后根據(jù)攔沙工程設(shè)計(jì)圖的要求,選擇合理的重疊度,進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,經(jīng)過(guò)像控點(diǎn)精度配準(zhǔn)、密集點(diǎn)生成、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理著色等環(huán)節(jié)后,生成流域數(shù)字正射影像與三維實(shí)景影像,并評(píng)估生成的影像精度和誤差。

2.4 修正地形圖

根據(jù)三維實(shí)景影像中呈現(xiàn)的溝道左右岸現(xiàn)狀、流域周邊狀況,判斷是否適合修建攔沙工程。對(duì)適合修建攔沙工程的區(qū)域影像加密生成1∶2 000地形圖,再將生成的地形圖導(dǎo)入CAD或者南方CASS軟件,剔除影響等高線數(shù)據(jù)的干擾因素,主要包括大石塊、樹(shù)林、漩渦、地面附屬建筑物等,生成精度高、清晰完整的地形圖,為整個(gè)設(shè)計(jì)提供最關(guān)鍵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),將RTK測(cè)量的溝道斷面點(diǎn)剖面與航測(cè)生成的同坐標(biāo)位置地形圖斷面點(diǎn)剖面進(jìn)行對(duì)比分析,誤差需滿足最大限差。若誤差超過(guò)最大限差,則需再次對(duì)地形圖源文件進(jìn)行修正,比對(duì)同區(qū)域影像資料,進(jìn)一步剔除干擾因素,修正補(bǔ)充等高線,直至誤差滿足最大限差。

2.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用

以2021年神木市窟野河流域常峁山溝攔沙工程為例,該工程處于黃土丘陵溝壑區(qū),平均土壤侵蝕模數(shù)為2.93萬(wàn)t/(km2·a)。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜,不便于對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地勘察,因此應(yīng)用了無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍,獲取溝道控制范圍的影像,生成流域數(shù)字正射影像與三維實(shí)景影像。結(jié)合1∶10 000地形圖及流域?qū)崪y(cè)影像,綜合論證,選定適合修建攔沙工程的區(qū)域,勾勒出大致的壩控流域面積為0.75 km2,將壩控流域范圍的三維實(shí)景影像加密生成1∶2 000實(shí)測(cè)地形圖[2](見(jiàn)圖1)。依托獲取的數(shù)字正射影像,提取坐標(biāo)、等高線等數(shù)據(jù);利用生成的實(shí)測(cè)地形圖等高線,提取攔沙工程設(shè)計(jì)中需要的溝道長(zhǎng)度、平均比降、斷面剖面等參數(shù)(見(jiàn)圖2);通過(guò)提取的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算溝道洪峰流量、洪水總量、庫(kù)容,推算輸沙量及“三大件”的尺寸,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制水位—庫(kù)容—面積關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)、攔沙工程“三大件”及配套設(shè)施的布設(shè)位置(見(jiàn)圖4)。

圖1 無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)地形圖(1∶2 000)

圖2 實(shí)測(cè)地形圖上提取的溝道斷面數(shù)據(jù)

圖3 攔沙壩水位—庫(kù)容—面積曲線

圖4 “三大件”和配套設(shè)施布設(shè)位置示意

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)在攔沙工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,給設(shè)計(jì)者和專家提供了直觀、清晰的三維實(shí)景影像,可身臨其境地觀察溝道情況,為攔沙工程的精準(zhǔn)選址、科學(xué)布局提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,既解決了前期選址過(guò)程中因溝深山陡、設(shè)計(jì)人員視野受限而無(wú)法全方位實(shí)地勘測(cè)的難題,又提高了設(shè)計(jì)前期作業(yè)的工作效率,降低了前期作業(yè)的成本。數(shù)據(jù)的精確性是攔沙工程設(shè)計(jì)的重要影響因素,在地形圖解析過(guò)程中應(yīng)避免人為因素對(duì)POS數(shù)據(jù)重疊度的影響,在制圖過(guò)程中應(yīng)避免對(duì)等高線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的誤移、誤刪、漏測(cè)等錯(cuò)誤操作。