無人機系統在特定地點和河網尺度量化河岸侵蝕的應用

楊 驍

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113006)

0 引 言

分析河岸侵蝕的程度和速率是河流系統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和河流附近基礎設施的安全性。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定性建模或使用計算機程序進行數值模擬。河岸監測的直接方法包括光電感應侵蝕針、激光掃描儀和遙感攝影。這些方法都難以經濟和準確地量化河岸侵蝕程度。

無人機系統(UAS)和無人機(UAV)的快速發展，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域都得到了應用。然而，到目前為止，無人機監測航道變化的調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境測量得到的高分辨率地形數據的基礎上，對該數據進行綜合評估仍然需要進一步的研究。

1 研究背景及方法

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

1.1 UAS測量

本研究使用具有固定翼的eBee無人機對河流研究區域進行測量。研究中的兩種無人機模型分別為eBee無人機和eBee RTK無人機。標準的eBee無人機有一個基本的GPS接收器，需要借助地面控制點來精確地與數據進行對比。eBee RTK無人機，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行輔助參考。數據采集的目標地面圖像分辨率為3.6 cm，重疊率為70%。在較低高度拍攝圖像時會相應地提高像素分辨率，這樣可以得到更精確的結果。

1.2 地面測量

本研究還使用了RIEGL TLS對每個河岸監測點進行詳細測量。TLS測量范圍和現場的條件有關，在河流區域測量范圍為50～300 m。當需要對UAS數據進行地理位置參考時，可以使用GPS接收機對地面控制點進行輔助測量。在RTK模式下收集UAS和TLS測量中使用的地面控制點坐標，并使用在線位置用戶服務(OPUS)校正GPS基站位置。同時還收集了每個河岸研究現場的地面測量點橫截面，以驗證TLS和UAS收集的數據的準確性。

1.3 數據處理和分析

UAS和TLS方法中的數據均在WGS-84坐標下生成真彩色點云，并在ArcGIS中進行分析。將濾波法應用于UAS點云數據中(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。在河岸監測點，使用TLS和RTK-GPS數據進行橫斷面分析，以驗證UAS在測量河岸剖面方面的性能。從UAS和TLS的點云中提取數據點，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數據的準確性。通過應用簡單的植被點去除程序，將提取的橫截面點用于推導“裸土”表面，并將其作為地面。在監測期間，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的調查數據確定河岸侵蝕的單位寬度體積。

圖1 調查區域的圖像及高程模型

2 結果和討論

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

表1 單個UAS飛行的數據輸出的規范

本文通過河岸沿線的橫截面數據來分析UAS的性能，并與TLS和RTK-GPS的調查結果進行比較。圖2為研究現場XS-1(位置見圖1(a))處用UAS和TLS得到的原始點云數據，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能夠準確地捕捉0.5 m范圍內的河岸剖面圖。這些差異可能是由草和植被覆蓋住一部分河岸區域造成的。

圖2 XS-1處的點云數據及河岸面

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。將這些結果與TLS調查的測量值進行比較發現，侵蝕和沉積的誤差在4%以內。

圖3 不同日期下利用UAS在XS-2現場捕獲的河岸面的對比

使用UAS測量方法生成的地形數據會受到來自UAS的可見性和視線的限制。由于測量區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，如果使用UAS觀測河岸侵蝕，這可能導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域準確地進行河岸侵蝕監測。

3 在河網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用到流域尺度對于整個河流系統的分析來說是必要的。在本研究中，在多個日期對20 km以上的河流區域進行測量調查。這些監測點處得到的數據可以通過UAS和DEMs進行各種河岸特征的驗證，以了解沿河流區域捕獲河岸剖面時產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該處發生了侵蝕。兩個河岸侵蝕區域在圖4中用深紅色區域來表示，顯示為較小負值的區域可能是受到植被影響而引起高程發生微小的變化。在河網規模上對河岸侵蝕進行量化的方法研究是后續相關工作的重點。

圖4 不同日期下利用UAS得到的DEM的對比

4 結 論

本文分析了衍生的UAS測量得到的地形數據在監測和量化河岸侵蝕方面的適用性。將UAS得到的數據與傳統的地面測量方法(包括RTK-GPS和TLS)得到的數據進行比較，以驗證UAS方法的適用性和優越性。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得到的結果是非常相似的。考慮到在河網層面上收集UAS數據方案的可行性，使用UAS數據檢測或監測每隔幾年發生一次侵蝕的區域或在重大侵蝕后再發生一次侵蝕的區域是有效且必要的。