水库极端洪水演进中的无人机倾斜模型应用研究

祁善胜

（黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁810000）

尽管从发生的频率上来看，水库极端洪水现象处在一个比较低的水平，但是一旦有这一现象出现，会在很大程度上威胁到水利工程的施工运行及其上下游人民的生命财产安全。近些年来，国内外的学者针对极端洪水已经展开了相应的研究，也取得了一定的研究成果，在研究过程中，不少学者在统计极端洪水淹没范围或者是评估洪灾损失之时，都对传统的历史水文法或者是损失系数法加以采用[1]，这些方法虽然简单，但是粗略性比较明显，现如今已经无法实现对极端洪水高精度以及高效率评估要求的有效满足。出于对这一实际情况的考虑，本文对无人机倾斜摄影技术加以采用，将无人机倾斜模型应用于水库极端洪水演进之中，从技术层面为水库管理以及防汛等相关部门提供一定的参考。

1 无人机倾斜摄影测量技术

1.1 无人机技术

的设定，并保存KMZ文件，在飞行作业人员接收人工分派之后，将谷歌地球打开直接导入KMZ文件便可获取指定的飞行区域。通常，航飞摄影作业有2类情况的划分，一种并不需要控制点，另一种则需要。在将指定的飞行区域确定下来之后，若是飞行作业不需要控制点，便可以在区域直接进行航线的规划。其次，需针对指定的飞行作业目标区域，执行参数设置以及航线规划任务。具体地，需要与选定区域的实际情况相结合，在完成系统参数设定作业以后，自动进行航线规划。最后，要对飞行过程进行操作，在起飞以前，在电台的支持下联调飞机和地面站，向飞机上传事先规划好的航线，之后进行摄影，一直到完成对整个区域的摄影。②数据处理。该作业是无人机遥感系统的一项核心任务，所用技术比较多，对影像预处理、相机精度检测、影像匹配等等均有涉及，图1所示为数据处理流程。

图1 无人机遥感处理流程

无人机是一种借助于无线电遥控与自动化程序控制而实现飞行、航测以及监控等相关任务的无人飞机或飞行器，固定翼、多旋翼、飞艇以及直升机等很多机种都属于无人机的范畴。从其特点与优点上看，无人机因其机动性、快速性与经济性特征而得到了诸多领域的广泛应用，其结构简单、机体质量通常都比较小、无需支付很高的使用成本，且表现出很高的数字化以及智能化程度，能高效地获取国土资源、自然环境及应急救灾等现势数据和工程测绘数据，其应用优势非常明显。

无人机遥感处理需要做好以下工作：①获取影像。首先，需要进行飞行之前的准备，一般情况下，作业人员会针对飞行区域事先在谷歌地球上进行一个区域

1.2 倾斜摄影技术

与航空摄影技术的迅速发展及其不断创新相伴随，倾斜摄影测量技术实现了对遥感影像应用领域及应用范围的扩大，它将传统意义上航空摄影仅能以正摄角度进行影像采集的摄影方式替代，通过对多角度相机的运用，可以在同一时间实现对地面物体诸多角度高分辨率航摄影像的获取。在倾斜摄影测量技术的支持下，三维模型的构建可以更加真实且准确地将与人眼视觉相符的城市、建筑或是地质等各类场景呈现出来，与全球卫星导航技术相结合，还能够将三维城市导入至城市地理信息框架之中，实现对全面而又丰富的地理信息的精确展现，不仅能够大幅度提升用户体验度，还可以有效地节省三维城市建模支出，积极意义毋庸置疑[2]。

倾斜摄影系统主要涉及3个部分：飞行平台、工作人员、仪器。其中，飞行平台指的便是无人机，工作人员是地面指挥人员，仪器则由传感器以及姿态定位系统构成。进一步地，传感器以多头相机（其功能在于进行多角度的拍摄）与GPS定位装置为主，姿态定位系统则主要用于对相机曝光瞬时姿态做记录。总得来说，无人机倾斜摄影测量技术表现出以下特点与优势：①通常，无人机都会在较低的高度飞行，借助于自带的多角度向机组，可以实现对地物顶面以及侧面影像数据的多方位以及高覆盖获取；②在无人机获取的相邻影像之间，一般会有较高的航向及旁向重叠度，这在较大程度上为其影像表达内容的丰富程度提供保证；③无人机飞行过程中不需要过多的人为干预，可以借助于计算机完成自动化影像匹配、建模等工作；④实体侧面纹理具有可见性，不同于传统数字正射影像技术以对实体顶部纹理的获取为主，无人机倾斜摄影还可以实现对侧面纹理的同时映射；⑤具有较低的综合成本优势，在数据采集以及城市三维模型生成上，无人机倾斜摄影测量技术有较高的效率表现，对于时间与人力成本的减少均具有积极意义。

2 基于无人机倾斜模型的水库极端洪水演进模拟

2.1 技术研究路线

本文拟借助含实时动态载波相位差分技术（亦即RTK模块）在内的多旋翼高精度无人机执行对水库的航测任务，以此类无人机所具有的抗磁干扰与精准定位能力为支持，达到厘米级定位以及图像元数据绝对精度控制目标[3]。通过人工干预的方式，为无人机搭载可以多角度收集数据的多镜头传感器，从垂直以及侧视等不同的角度针对流域下垫面执行影像采集任务，同时，与数据集群方式相结合，在较短的时间内完成三维模型的精细化构建，并准确输出相应的测量结果。图2所示为基于无人机倾斜摄影测量的水库极端洪水演进三维建模技术研究路线。

图2 基于无人机倾斜摄影测量的水库极端洪水演进三维建模技术研究路线

2.2 无人机航线规划与影像数据采集

在无人机执行对水库极端洪水演进的信息采集任务之时，首先要做的工作便是进行航线的规划。出于对三维模型精度、飞行采集时间以及作业起飞架次等相关因素的考虑，需要以对模型精度的确保为前提开展航线规划以及影像采集工作。针对水库流域内的重要区域，或是对于一些重要的阻水建筑物，需要通过将飞行高度降低等方式执行影像加密采集任务，而在后期对数据的处理环节，还要实施分块运算。

无人机的飞行高度可以根据公式（1）来确定，具体地，按照航向与旁向重叠度分别为85%与80%的标准实施对各个影像的采集。

式（1）中：H为无人机的实际航摄高度；f为镜头焦距；bGSD为地面的分辨率；α为像元尺寸。

2.3 基于无人机影像的倾斜模型构建

借助ContextCapture软件，通过对局域网内部多台计算机集群方式的采用，执行三维模型运算任务，在此过程中，以采取区域的实际大小为依据对其进行不同区块的划分，解析运算无人机采集到的各项影像数据，针对房屋、建筑设施以及农田等，施以模型矢量单体化处理，为后期水库极端洪水灾害评估工作的开展提供便利。

具体计算按以下步骤进行：①对影像图进行加载，同时，按照区域实际大小对其进行10个区块的划分；②适当调整，并将采样率降低至30%，执行空三计算任务，合并处理计算所得Block块；③生成三维模型；④进行DEM数据的提取，并在此基础上执行物理单体化处理操作。

2.4 获取水库极端洪水模型

为了确保洪水计算在不同的水库以及流域均有较好的适用性，此处对以将于径流经验为基础的水文模型加以采用，针对水库上游洪水执行模拟计算任务。作为一个多变量输入，同时，伴随单数据输出的系统数学模型，API模型在流域或是水库洪水的径流计算中有较为广泛的应用。该模型所涉及到的各个等值线全部有一个对应的转折点存在，在转折点以上的部位，其关系线以45°直线为表现，这对于水库在遇到极端暴雨天气之时形成的洪水外延有较为理想的相关性，因而在水库极端洪水演进模拟分析作业中有较好的适用性。

流域汇流的计算对单位线计算方式加以采用，该方法的倍比性以及叠加性条件可以对水库流域内没有极端洪水资料验证这一不足加以弥补，此外，采用此方法表现出推求简便、计算速度快以及通用性强等特点。

2.5 获取二维水流模型

二维水流模型的计算与构建对表现出守恒特点的二维非恒定流浅水方程组加以采用，实现对水流流动具体情况的模拟，模型方程组的数值求解任务通过对有限体积法与黎曼近似解的采用来实现。

应用于二维水流模拟之时，有限体积法可将传统有限差分以及有限单元的共同特点体现出来，另外，该方法还可以实现对无结构网格的积分离散处理，这亦决定着其能够对复杂边界水体的运动情况进行模拟。

具体地，模型先以无人机采集到并生成的高精度地形资料为依据执行无结构网格划分处理，为了对复杂边界网格分布均匀性以及贴合性不理想的状况加以规避，借助四边形与三角形网格混合模式实施相应的处理；在此基础上，在有限体积法的支持下针对各个划分好的单元网格按照相应的时段顺序完成对水量以及动量平衡的循环化建立；最后，与黎曼近似解相结合将相互单元网格之间存在的水量交互情况计算出来[4]。运用该计算方法，不仅能够确保水量计算是守恒的，还可以为水流计算的精度提供可靠保证。

3 水库极端洪水演进模拟实现流程

具体流程如图3所示。

图3 基于无人机倾斜模型的水库极端洪水演进模拟实现流程

首先，在无人机完成对水库大坝及其下游区域的倾斜摄影之后，结合影像执行倾斜模型三维建模任务，针对一些重要的设施，还需完成高精度建模，此外，执行对下游区域DEM数据提取工作，将无结构网格图层获取出来；接着，借助实时洪水模型对水库入库洪峰、水位等数据进行模拟，与水库闸门开闸信息相结合，针对下游区域进一步开展二维水动力学演进模拟工作；然后，借助三维模型可视化处理洪水计算数据，针对淹没区域，通过Cesium贴图水特效将其展示出来，同时模拟与渲染水流的流动效果以及具体的淹没过程；最后，借助三维矢量单体化模型执行对建筑物以及农田等的统计分析任务，将淹没深度、时长以及面积等作为指标，用于对洪水灾害情况的评估，在此基础之上完成对极端洪水模拟管理系统的搭建。

4 结语

中国有很多的水库，它们中有部分水库在一定程度上存在着安全隐患。近年来，极端恶劣天气在中国发生频率比较高，这对水库产生较大的影响，很容易使其出现洪水溃坝的状况，严重的甚至会造成人员伤亡以及财产损失。本文借助无人机倾斜模型进行水库极端洪水演进的模拟与分析，可以为防洪决策的制定提供参考与支持。