無人機在攔沙工程設計中的應用
——以2021年神木市攔沙工程為例

楊 磊,劉郭陽,尤雪靜

[1.黃河水土保持綏德治理監督局(綏德水土保持科學試驗站),陜西 榆林 719000);2.黃土高原水土保持與生態修復國家林業和草原局重點實驗室,陜西 榆林 719000]

2019年9月18日,習近平總書記在河南鄭州主持召開了黃河流域生態保護和高質量發展座談會,將黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略,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淤地壩。2021年,中共中央、國務院印發了《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》,要求在晉陜蒙丘陵溝壑區積極推動建設粗泥沙攔沙減沙設施。為此,水利部將黃河粗泥沙集中來源區攔沙工程一期項目列入150項重大水利工程。攔沙工程一期項目分布在1.88萬km2的黃河粗泥沙集中來源區,項目涉及黃河中游右岸的皇甫川、窟野河、禿尾河等9條黃河一級支流,行政區域涉及延安市、榆林市、鄂爾多斯市的13個縣(旗、區)。

1 概況

神木市隸屬榆林市,位于黃河一級支流窟野河流域,是國家水土保持重點治理區和重點監督區,也是黃河中游粗泥沙集中來源區之一。區內梁峁林立,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,生態環境脆弱,水土流失嚴重,大量泥沙入河,導致下游河道淤積,嚴重影響行洪安全,因此開展攔沙工程建設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年神木市計劃建設100余座攔沙工程,目前已完成建設任務。

無人機因具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣等優點,迅速地在各個領域得到了應用。在對神木市攔沙工程設計時,利用無人機航拍,提供了直觀、清晰的三維實景影像及模型,為攔沙工程的選址、“三大件”(壩體、溢洪道、放水建筑物)及配套設施的布設提供了關鍵的數據支撐,使初步設計深度達到了施工要求,確保了整個工程的建設地點、目標任務和建設時序的合理性。無人機在神木市攔沙工程設計中的實踐應用,形成了一套成熟、完整的技術路線,可為黃河中游粗泥沙集中來源區的攔沙工程設計提供借鑒。

2 技術路線

在黃河粗泥沙集中來源區選取產沙量大的溝道,分析其地形、水文、地質、氣象條件,歷史洪水記錄和社會經濟狀況等,經過綜合論證評比后,最終審定是否修建攔沙工程。先利用無人機航拍,獲取需修建攔沙工程的溝道控制范圍的影像,經初步分析后確定可選址區域;再根據采集的影像數據,提取選址區域水文、地形等數據,進一步選定“口小肚大”的區域,結合地形、交通等實測數據,確定最優選址范圍;最后提取溝道控制范圍的影像,經數據處理后,生成1∶2 000實測地形圖,為后續工程設計提供基準數據。根據無人機在攔沙工程設計中的實際應用,其技術路線可分為設置航線、航拍、生成影像、修正地形圖、數據應用5個主要技術環節。

2.1 設置航線

2.1.1 像控點布設

像控點是航空傾斜攝影空三加密精度和測量解析的基礎,其位置的選擇、平面位置的設定和高程的測定精度直接影響內業成圖的精度。像控點布設要考慮測區地形條件和測量精度要求,若地形起伏較大、地貌復雜,則需增加像控點的布設數量。采用實時動態(RTK)測量技術采集像控點坐標,作為航拍成果整體精度的驗證點位。

2.1.2 校正航拍區域地圖

由于攔沙工程所在區域地形條件較復雜,流域內信號弱,從無人機自帶的GPS定位系統中加載在線地圖速度緩慢且精度不高,所以為合理規劃所需航拍區域的航線,提高飛行區域航線的精準度,需提前下載目標區域的離線地圖,并規劃小面積區域進行預飛行,對無人機所需航拍區域的離線地圖進行校正。

2.1.3 設置航線

設置航線主要包括設置相機參數和規劃航線。①設置相機參數。根據攔沙工程設計要求,需要對無人機航拍模式、飛行高度、起飛速度、航線速度和完成自動返航等關鍵參數進行合理設置。②規劃航線。根據設計的航拍范圍,利用DJI Pilot建立數據模型,在校正后的地圖上規劃航線。依據航拍精度要求,設計航線密集度,確保實測影像數據滿足需要。為了提高航測的精度,起飛前要對航線的覆蓋度進行反復校正,直至將航線覆蓋到滿足設計要求的流域面積[1]。

2.2 航拍

航拍前需對無人機進行指南針校準,設置航拍基本參數,檢查無人機電池電量、無人機衛星信號接收強度、攝像頭云臺清晰度、周圍環境及天氣狀況等。攔沙工程的壩址多處于黃土丘陵溝壑區,地理環境相對復雜,一般以垂直雙向交叉航飛為最佳。航拍時若控制流域面積相對較小,一個架次就能覆蓋到全部流域面積;若控制流域面積較大,則要多個架次飛行采集,須保證飛行前后參數一致,直至航線全部飛行完畢。航拍過程中要依據獲取的飛行器速度和位置信息,實時掌控無人機飛行狀態,要控制在流域平整區域內飛行,同時要合理控制飛行高度,以免發生觸山、觸林等碰撞事故。

2.3 生成影像

飛行結束后,及時檢查獲取的影像、POS數據是否達到要求,即檢查影像清晰度、曝光度是否達到要求,飛行軌跡是否按照設定航線、是否覆蓋所需區域等。在確保影像、POS數據合格后,將數據信息導入Pix4D軟件,然后根據攔沙工程設計圖的要求,選擇合理的重疊度,進行數據預處理,經過像控點精度配準、密集點生成、三角網構建、紋理著色等環節后,生成流域數字正射影像與三維實景影像,并評估生成的影像精度和誤差。

2.4 修正地形圖

根據三維實景影像中呈現的溝道左右岸現狀、流域周邊狀況,判斷是否適合修建攔沙工程。對適合修建攔沙工程的區域影像加密生成1∶2 000地形圖,再將生成的地形圖導入CAD或者南方CASS軟件,剔除影響等高線數據的干擾因素,主要包括大石塊、樹林、漩渦、地面附屬建筑物等,生成精度高、清晰完整的地形圖,為整個設計提供最關鍵的基礎數據支撐。同時,將RTK測量的溝道斷面點剖面與航測生成的同坐標位置地形圖斷面點剖面進行對比分析,誤差需滿足最大限差。若誤差超過最大限差,則需再次對地形圖源文件進行修正,比對同區域影像資料,進一步剔除干擾因素,修正補充等高線,直至誤差滿足最大限差。

2.5 數據應用

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,平均土壤侵蝕模數為2.93萬t/(km2·a)。區內地形復雜,不便于對整個區域進行實地勘察,因此應用了無人機進行航拍,獲取溝道控制范圍的影像,生成流域數字正射影像與三維實景影像。結合1∶10 000地形圖及流域實測影像,綜合論證,選定適合修建攔沙工程的區域,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景影像加密生成1∶2 000實測地形圖[2](見圖1)。依托獲取的數字正射影像,提取坐標、等高線等數據;利用生成的實測地形圖等高線,提取攔沙工程設計中需要的溝道長度、平均比降、斷面剖面等參數(見圖2);通過提取的相關數據計算溝道洪峰流量、洪水總量、庫容,推算輸沙量及“三大件”的尺寸,并根據計算結果繪制水位—庫容—面積關系曲線(見圖3)、攔沙工程“三大件”及配套設施的布設位置(見圖4)。

圖1 無人機實測地形圖(1∶2 000)

圖2 實測地形圖上提取的溝道斷面數據

圖3 攔沙壩水位—庫容—面積曲線

圖4 “三大件”和配套設施布設位置示意

3 結束語

無人機技術在攔沙工程設計中的應用,給設計者和專家提供了直觀、清晰的三維實景影像,可身臨其境地觀察溝道情況,為攔沙工程的精準選址、科學布局提供了基礎數據支撐,既解決了前期選址過程中因溝深山陡、設計人員視野受限而無法全方位實地勘測的難題,又提高了設計前期作業的工作效率,降低了前期作業的成本。數據的精確性是攔沙工程設計的重要影響因素,在地形圖解析過程中應避免人為因素對POS數據重疊度的影響,在制圖過程中應避免對等高線等基礎數據的誤移、誤刪、漏測等錯誤操作。