水庫極端洪水演進中的無人機傾斜模型應用研究

祁善勝

（黃河上游水電開發有限責任公司，青海 西寧810000）

盡管從發生的頻率上來看，水庫極端洪水現象處在一個比較低的水平，但是一旦有這一現象出現，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安全。近些年來，國內外的學者針對極端洪水已經展開了相應的研究，也取得了一定的研究成果，在研究過程中，不少學者在統計極端洪水淹沒范圍或者是評估洪災損失之時，都對傳統的歷史水文法或者是損失系數法加以采用[1]，這些方法雖然簡單，但是粗略性比較明顯，現如今已經無法實現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，本文對無人機傾斜攝影技術加以采用，將無人機傾斜模型應用于水庫極端洪水演進之中，從技術層面為水庫管理以及防汛等相關部門提供一定的參考。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 無人機技術

的設定，并保存KMZ文件，在飛行作業人員接收人工分派之后，將谷歌地球打開直接導入KMZ文件便可獲取指定的飛行區域。通常，航飛攝影作業有2類情況的劃分，一種并不需要控制點，另一種則需要。在將指定的飛行區域確定下來之后，若是飛行作業不需要控制點，便可以在區域直接進行航線的規劃。其次，需針對指定的飛行作業目標區域，執行參數設置以及航線規劃任務。具體地，需要與選定區域的實際情況相結合，在完成系統參數設定作業以后，自動進行航線規劃。最后，要對飛行過程進行操作，在起飛以前，在電臺的支持下聯調飛機和地面站，向飛機上傳事先規劃好的航線，之后進行攝影，一直到完成對整個區域的攝影。②數據處理。該作業是無人機遙感系統的一項核心任務，所用技術比較多，對影像預處理、相機精度檢測、影像匹配等等均有涉及，圖1所示為數據處理流程。

圖1 無人機遙感處理流程

無人機是一種借助于無線電遙控與自動化程序控制而實現飛行、航測以及監控等相關任務的無人飛機或飛行器，固定翼、多旋翼、飛艇以及直升機等很多機種都屬于無人機的范疇。從其特點與優點上看，無人機因其機動性、快速性與經濟性特征而得到了諸多領域的廣泛應用，其結構簡單、機體質量通常都比較小、無需支付很高的使用成本，且表現出很高的數字化以及智能化程度，能高效地獲取國土資源、自然環境及應急救災等現勢數據和工程測繪數據，其應用優勢非常明顯。

無人機遙感處理需要做好以下工作：①獲取影像。首先，需要進行飛行之前的準備，一般情況下，作業人員會針對飛行區域事先在谷歌地球上進行一個區域

1.2 傾斜攝影技術

與航空攝影技術的迅速發展及其不斷創新相伴隨，傾斜攝影測量技術實現了對遙感影像應用領域及應用范圍的擴大，它將傳統意義上航空攝影僅能以正攝角度進行影像采集的攝影方式替代，通過對多角度相機的運用，可以在同一時間實現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的支持下，三維模型的構建可以更加真實且準確地將與人眼視覺相符的城市、建筑或是地質等各類場景呈現出來，與全球衛星導航技術相結合，還能夠將三維城市導入至城市地理信息框架之中，實現對全面而又豐富的地理信息的精確展現，不僅能夠大幅度提升用戶體驗度，還可以有效地節省三維城市建模支出，積極意義毋庸置疑[2]。

傾斜攝影系統主要涉及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，工作人員是地面指揮人員，儀器則由傳感器以及姿態定位系統構成。進一步地，傳感器以多頭相機（其功能在于進行多角度的拍攝）與GPS定位裝置為主，姿態定位系統則主要用于對相機曝光瞬時姿態做記錄。總得來說，無人機傾斜攝影測量技術表現出以下特點與優勢：①通常，無人機都會在較低的高度飛行，借助于自帶的多角度向機組，可以實現對地物頂面以及側面影像數據的多方位以及高覆蓋獲取；②在無人機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內容的豐富程度提供保證；③無人機飛行過程中不需要過多的人為干預，可以借助于計算機完成自動化影像匹配、建模等工作；④實體側面紋理具有可見性，不同于傳統數字正射影像技術以對實體頂部紋理的獲取為主，無人機傾斜攝影還可以實現對側面紋理的同時映射；⑤具有較低的綜合成本優勢，在數據采集以及城市三維模型生成上，無人機傾斜攝影測量技術有較高的效率表現，對于時間與人力成本的減少均具有積極意義。

2 基于無人機傾斜模型的水庫極端洪水演進模擬

2.1 技術研究路線

本文擬借助含實時動態載波相位差分技術（亦即RTK模塊）在內的多旋翼高精度無人機執行對水庫的航測任務，以此類無人機所具有的抗磁干擾與精準定位能力為支持，達到厘米級定位以及圖像元數據絕對精度控制目標[3]。通過人工干預的方式，為無人機搭載可以多角度收集數據的多鏡頭傳感器，從垂直以及側視等不同的角度針對流域下墊面執行影像采集任務，同時，與數據集群方式相結合，在較短的時間內完成三維模型的精細化構建，并準確輸出相應的測量結果。圖2所示為基于無人機傾斜攝影測量的水庫極端洪水演進三維建模技術研究路線。

圖2 基于無人機傾斜攝影測量的水庫極端洪水演進三維建模技術研究路線

2.2 無人機航線規劃與影像數據采集

在無人機執行對水庫極端洪水演進的信息采集任務之時，首先要做的工作便是進行航線的規劃。出于對三維模型精度、飛行采集時間以及作業起飛架次等相關因素的考慮，需要以對模型精度的確保為前提開展航線規劃以及影像采集工作。針對水庫流域內的重要區域，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行影像加密采集任務，而在后期對數據的處理環節，還要實施分塊運算。

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

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

2.3 基于無人機影像的傾斜模型構建

借助ContextCapture軟件，通過對局域網內部多臺計算機集群方式的采用，執行三維模型運算任務，在此過程中，以采取區域的實際大小為依據對其進行不同區塊的劃分，解析運算無人機采集到的各項影像數據，針對房屋、建筑設施以及農田等，施以模型矢量單體化處理，為后期水庫極端洪水災害評估工作的開展提供便利。

具體計算按以下步驟進行：①對影像圖進行加載，同時，按照區域實際大小對其進行10個區塊的劃分；②適當調整，并將采樣率降低至30%，執行空三計算任務，合并處理計算所得Block塊；③生成三維模型；④進行DEM數據的提取，并在此基礎上執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驗為基礎的水文模型加以采用，針對水庫上游洪水執行模擬計算任務。作為一個多變量輸入，同時，伴隨單數據輸出的系統數學模型，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用。該模型所涉及到的各個等值線全部有一個對應的轉折點存在，在轉折點以上的部位，其關系線以45°直線為表現，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性，因而在水庫極端洪水演進模擬分析作業中有較好的適用性。

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建對表現出守恒特點的二維非恒定流淺水方程組加以采用，實現對水流流動具體情況的模擬，模型方程組的數值求解任務通過對有限體積法與黎曼近似解的采用來實現。

應用于二維水流模擬之時，有限體積法可將傳統有限差分以及有限單元的共同特點體現出來，另外，該方法還可以實現對無結構網格的積分離散處理，這亦決定著其能夠對復雜邊界水體的運動情況進行模擬。

具體地，模型先以無人機采集到并生成的高精度地形資料為依據執行無結構網格劃分處理，為了對復雜邊界網格分布均勻性以及貼合性不理想的狀況加以規避，借助四邊形與三角形網格混合模式實施相應的處理；在此基礎上，在有限體積法的支持下針對各個劃分好的單元網格按照相應的時段順序完成對水量以及動量平衡的循環化建立；最后，與黎曼近似解相結合將相互單元網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 水庫極端洪水演進模擬實現流程

具體流程如圖3所示。

圖3 基于無人機傾斜模型的水庫極端洪水演進模擬實現流程

首先，在無人機完成對水庫大壩及其下游區域的傾斜攝影之后，結合影像執行傾斜模型三維建模任務，針對一些重要的設施，還需完成高精度建模，此外，執行對下游區域DEM數據提取工作，將無結構網格圖層獲取出來；接著，借助實時洪水模型對水庫入庫洪峰、水位等數據進行模擬，與水庫閘門開閘信息相結合，針對下游區域進一步開展二維水動力學演進模擬工作；然后，借助三維模型可視化處理洪水計算數據，針對淹沒區域，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行對建筑物以及農田等的統計分析任務，將淹沒深度、時長以及面積等作為指標，用于對洪水災害情況的評估，在此基礎之上完成對極端洪水模擬管理系統的搭建。

4 結語

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生頻率比較高，這對水庫產生較大的影響，很容易使其出現洪水潰壩的狀況，嚴重的甚至會造成人員傷亡以及財產損失。本文借助無人機傾斜模型進行水庫極端洪水演進的模擬與分析，可以為防洪決策的制定提供參考與支持。