无人机倾斜模型在水库极端洪水演进中的应用

王庆平，王轶凡

(宁波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 宁波 315033)

1 概述

水库极端洪水发生频率往往很低，但是一旦发生则对水利工程及其上下游人民生命财产安全造成严重影响。近年来，国内外学者对于极端洪水的研究已有了一些成果，大多数研究工作采用传统的历史水文法或损失系数法对极端洪水淹没范围进行粗略统计、洪灾损失评估。传统评估方法虽应用简单，却不能满足当前对极端洪水评估的高精度、高效率的需求。

本文结合无人机倾斜摄影技术[1]，采用高精度、高效率、一体化的自动三维场景建模技术，建立水库上下游地形地物三维模型，并结合实时洪水计算模型、二维水动力学模型对水库上游来水、下游洪水演进过程、洪水灾害评估等进行精确模拟，建立适用于水库极端洪水灾害评估的一体化应用系统，为水库管理部门及有关防汛部门提供技术参考。

2 模型介绍

2.1 无人机倾斜模型

无人机倾斜模型技术[2-5]是基于无人机飞行器、摄影设备(多镜头相机)、线路规划、空三建模、影像贴图和数据提取等一体化三维空间信息服务技术。通过高效的数据采集设备，以及专业的数据处理流程能生成直观反映地物的外观、位置、高度等属性的三维信息，相比传统采用人工测绘方法大大提升了对地理信息数据的获取效率。

本文采用具有RTK模块的多旋翼高精度航测无人机，借助于其抗磁干扰能力与精准定位能力，实现cm级定位和图像元数据的绝对精度控制。人工控制无人机搭载多镜头传感器，从垂直、侧视等不同角度对流域下垫面进行影像采集，并结合数据集群方式快速实现精细的三维模型建模和测量结果的输出。无人机三维建模方法技术路线如图1所示。

图1 无人机三维建模方法技术路线图

2.1.1航线规划及影像采集

航线规划是无人机信息采集的第一步工作，考虑到对三维模型精度、飞行采集时间、作业起飞架次的要求，本文在优先保证模型精度的前提下进行航线规划和影像采集。对流域内重点区域或重要阻水建筑物以降低飞行高度为手段进行影像加密采集，同时在后期数据处理过程中进行分块运算，如图2所示。

图2 三维影像采集

按照式(1)确定飞机飞行高度，按照航向重叠度85%，旁向重叠度80%进行影像采集。

(1)

式中，H—航摄高度，m；f—镜头焦距；α—像元尺寸；GSD—地面分辨率，m。

2.1.2倾斜模型建模

本文基于ContextCapture三维建模软件，采用局域网内多台计算机集群方式进行三维模型运算，同时根据采集区域大小将区域分成不同区块，将海量影像数据进行解析运算[6-11]，对房屋、建筑设施、农田等进行模型矢量单体化，以利于后期洪水灾害评估。

具体计算步骤：①加载影像图并根据区域分成10个分区；②降低采样率为30%，进行空三计算，并将计算后的Block块进行合并；③生成OSGB、Cesium 3D Title两种格式的三维模型；④生成Context Capture 3MX、Cesium 3D Title两种格式的三维模型；⑤提取DEM数据并对模型进行物理单体化处理。

2.2 洪水计算模型

为使洪水计算适用于不同水库、不同流域，本文采用基于降雨径流经验相关法(API模型)的水文模型[12]对水库上游洪水进行模拟计算。API模型作为一个多变量输入、单数据输出的系统数学模型，常被应用于流域或水库洪水径流计算。由于其每一个等值线都存在一个转折点，转折点以上的关系线呈45°直线，这对流域极端暴雨所形成的洪水的外延有很好的相关性，适合于极端洪水的模拟分析。

流域汇流采用单位线进行计算，单位线的倍比性、叠加性条件填补了流域内无极端洪水资料验证的缺点，对流域内极端洪水的汇流计算具有很好的适用性。同时，单位线推求简单、计算快速、通用性强。

2.3 二维水动力学模型

二维水流模型计算采用守恒的二维非恒定流浅水方程组来模拟水流流动，应用有限体积法及黎曼近似解对模型方程组进行数值求解[13-16]。

有限体积法(FVM)在二维水流模拟中的应用具备了传统的有限差分(FDM)和有限单元(FEM)法共同的特点，同时有限体积法可对无结构网格进行积分离散，这也满足了其可以模拟复杂边界水体的运动。

模型首先根据无人机所采集和生成的高精度地形资料进行无结构网格划分，为规避复杂边界网格分布不均、贴合性差的缺点，本文采用四边形及三角形网格混合模式；继而采用有限体积法对每一个划分单元网格逐时段循环建立水量、动量平衡；最后结合黎曼近似解计算相互单元网格间的水量交互。该计算方法即保证了水量计算的守恒性，也保证了水流计算精度。

3 系统应用

本文选取浙江省某水库作为分析研究对象，该水库上游及下游流域面积627km2，其中大坝以上流域面积255km2，大坝以下河道两侧分布有农田、居住区。流域内每年遭受多次台风袭击，降雨大、突发性强、防汛形势严峻。

系统应用流程如图3所示。

图3 系统应用流程图

首先通过对水库大坝及下游区域进行无人机倾斜模型三维建模，对个别重要设施进行高精度建模，同时对下游区域DEM数据提取，并生成无结构网格图层(网格数15万个)。

其次采用实时洪水模型模拟水库入库洪峰、水量、水位等数据，结合水库闸门开闸信息对下游区域进行洪水二维水动力学演进模拟。

第三步，将洪水计算数据在三维模型中进行可视化展示，对淹没区域采用Cesium逼真贴图水特效进行展示，并将水流流动效果、淹没过程进行模拟渲染。

最后，针对三维矢量单体化模型对淹没建筑物、农田等进行统计分析，以淹没深度、淹没时长、淹没面积评估该场次洪水受灾情况[17-18]，搭建极端洪水模拟管理系统。

本文通过对水库历史台风数据及100年一遇洪水过程进行模拟，结合三维倾斜模型，对水库下游洪水淹没情况、灾情信息进行展示分析，模拟计算受灾情况见表1。

表1 不同台风洪水受灾情况统计

台风洪水的三维淹没分析结果如图4所示，通过加载不同时段的淹没图层，可以对洪水淹没过程从开始到结束进行滚动播放，从而使整个淹没过程更加直观、清晰。同时根据三维倾斜模型，系统可以快速获取淹没面积、淹没水深、淹没建筑物统计数据，结合社会经济资料，进而计算出受灾人口以及经济损失情况[7]。本次研究表明将三维倾斜模型与极端洪水淹没分析进行结合，可以为水库极端洪水的研究提供一种新的思路。

图4 不同重现期的洪水三维淹没展示

4 结语

(1)水库极端洪水的精准预测与灾害评估需要完整的洪水预报模型与高精度的地理信息数据，但极端洪水发生概率小、范围广、资料收集难，构建基于API、单位线的洪水预报模型以及结合无人机倾斜摄影三维实景模型，为解决极端洪水资料短缺、地理信息数据精度差提供了技术支撑，对洪水淹没过程结合Cesium三维引擎生动展示，便于管理人员对灾害结果进行整体把握，提升认知水平。

(2)无人机倾斜模型技术对极端洪水演进的灾害性预测和评估具有快速、准确等特性，为更好地服务于水库及流域防灾减灾工作，还需要经过多场景多区域的应用和实践。