无人机在拦沙工程设计中的应用——以2021年神木市拦沙工程为例

杨 磊,刘郭阳,尤雪静

[1.黄河水土保持绥德治理监督局(绥德水土保持科学试验站),陕西 榆林 719000);2.黄土高原水土保持与生态修复国家林业和草原局重点实验室,陕西 榆林 719000]

2019年9月18日,习近平总书记在河南郑州主持召开了黄河流域生态保护和高质量发展座谈会,将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略,并要求黄河中游突出抓好水土保持,有条件的地方要大力建设淤地坝。2021年,中共中央、国务院印发了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》,要求在晋陕蒙丘陵沟壑区积极推动建设粗泥沙拦沙减沙设施。为此,水利部将黄河粗泥沙集中来源区拦沙工程一期项目列入150项重大水利工程。拦沙工程一期项目分布在1.88万km2的黄河粗泥沙集中来源区,项目涉及黄河中游右岸的皇甫川、窟野河、秃尾河等9条黄河一级支流,行政区域涉及延安市、榆林市、鄂尔多斯市的13个县(旗、区)。

1 概况

神木市隶属榆林市,位于黄河一级支流窟野河流域,是国家水土保持重点治理区和重点监督区,也是黄河中游粗泥沙集中来源区之一。区内梁峁林立,沟壑纵横,地表支离破碎,基岩出露,林草植被覆盖率低,土壤抗侵蚀能力弱,生态环境脆弱,水土流失严重,大量泥沙入河,导致下游河道淤积,严重影响行洪安全,因此开展拦沙工程建设有着非常重要的意义。为拦蓄沟道泥沙、控制沟道侵蚀、集蓄利用洪水、减少入黄泥沙、保障黄河安澜,2021年神木市计划建设100余座拦沙工程,目前已完成建设任务。

无人机因具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广等优点,迅速地在各个领域得到了应用。在对神木市拦沙工程设计时,利用无人机航拍,提供了直观、清晰的三维实景影像及模型,为拦沙工程的选址、“三大件”(坝体、溢洪道、放水建筑物)及配套设施的布设提供了关键的数据支撑,使初步设计深度达到了施工要求,确保了整个工程的建设地点、目标任务和建设时序的合理性。无人机在神木市拦沙工程设计中的实践应用,形成了一套成熟、完整的技术路线,可为黄河中游粗泥沙集中来源区的拦沙工程设计提供借鉴。

2 技术路线

在黄河粗泥沙集中来源区选取产沙量大的沟道,分析其地形、水文、地质、气象条件,历史洪水记录和社会经济状况等,经过综合论证评比后,最终审定是否修建拦沙工程。先利用无人机航拍,获取需修建拦沙工程的沟道控制范围的影像,经初步分析后确定可选址区域;再根据采集的影像数据,提取选址区域水文、地形等数据,进一步选定“口小肚大”的区域,结合地形、交通等实测数据,确定最优选址范围;最后提取沟道控制范围的影像,经数据处理后,生成1∶2 000实测地形图,为后续工程设计提供基准数据。根据无人机在拦沙工程设计中的实际应用,其技术路线可分为设置航线、航拍、生成影像、修正地形图、数据应用5个主要技术环节。

2.1 设置航线

2.1.1 像控点布设

像控点是航空倾斜摄影空三加密精度和测量解析的基础,其位置的选择、平面位置的设定和高程的测定精度直接影响内业成图的精度。像控点布设要考虑测区地形条件和测量精度要求,若地形起伏较大、地貌复杂,则需增加像控点的布设数量。采用实时动态(RTK)测量技术采集像控点坐标,作为航拍成果整体精度的验证点位。

2.1.2 校正航拍区域地图

由于拦沙工程所在区域地形条件较复杂,流域内信号弱,从无人机自带的GPS定位系统中加载在线地图速度缓慢且精度不高,所以为合理规划所需航拍区域的航线,提高飞行区域航线的精准度,需提前下载目标区域的离线地图,并规划小面积区域进行预飞行,对无人机所需航拍区域的离线地图进行校正。

2.1.3 设置航线

设置航线主要包括设置相机参数和规划航线。①设置相机参数。根据拦沙工程设计要求,需要对无人机航拍模式、飞行高度、起飞速度、航线速度和完成自动返航等关键参数进行合理设置。②规划航线。根据设计的航拍范围,利用DJI Pilot建立数据模型,在校正后的地图上规划航线。依据航拍精度要求,设计航线密集度,确保实测影像数据满足需要。为了提高航测的精度,起飞前要对航线的覆盖度进行反复校正,直至将航线覆盖到满足设计要求的流域面积[1]。

2.2 航拍

航拍前需对无人机进行指南针校准,设置航拍基本参数,检查无人机电池电量、无人机卫星信号接收强度、摄像头云台清晰度、周围环境及天气状况等。拦沙工程的坝址多处于黄土丘陵沟壑区,地理环境相对复杂,一般以垂直双向交叉航飞为最佳。航拍时若控制流域面积相对较小,一个架次就能覆盖到全部流域面积;若控制流域面积较大,则要多个架次飞行采集,须保证飞行前后参数一致,直至航线全部飞行完毕。航拍过程中要依据获取的飞行器速度和位置信息,实时掌控无人机飞行状态,要控制在流域平整区域内飞行,同时要合理控制飞行高度,以免发生触山、触林等碰撞事故。

2.3 生成影像

飞行结束后,及时检查获取的影像、POS数据是否达到要求,即检查影像清晰度、曝光度是否达到要求,飞行轨迹是否按照设定航线、是否覆盖所需区域等。在确保影像、POS数据合格后,将数据信息导入Pix4D软件,然后根据拦沙工程设计图的要求,选择合理的重叠度,进行数据预处理,经过像控点精度配准、密集点生成、三角网构建、纹理着色等环节后,生成流域数字正射影像与三维实景影像,并评估生成的影像精度和误差。

2.4 修正地形图

根据三维实景影像中呈现的沟道左右岸现状、流域周边状况,判断是否适合修建拦沙工程。对适合修建拦沙工程的区域影像加密生成1∶2 000地形图,再将生成的地形图导入CAD或者南方CASS软件,剔除影响等高线数据的干扰因素,主要包括大石块、树林、漩涡、地面附属建筑物等,生成精度高、清晰完整的地形图,为整个设计提供最关键的基础数据支撑。同时,将RTK测量的沟道断面点剖面与航测生成的同坐标位置地形图断面点剖面进行对比分析,误差需满足最大限差。若误差超过最大限差,则需再次对地形图源文件进行修正,比对同区域影像资料,进一步剔除干扰因素,修正补充等高线,直至误差满足最大限差。

2.5 数据应用

以2021年神木市窟野河流域常峁山沟拦沙工程为例,该工程处于黄土丘陵沟壑区,平均土壤侵蚀模数为2.93万t/(km2·a)。区内地形复杂,不便于对整个区域进行实地勘察,因此应用了无人机进行航拍,获取沟道控制范围的影像,生成流域数字正射影像与三维实景影像。结合1∶10 000地形图及流域实测影像,综合论证,选定适合修建拦沙工程的区域,勾勒出大致的坝控流域面积为0.75 km2,将坝控流域范围的三维实景影像加密生成1∶2 000实测地形图[2](见图1)。依托获取的数字正射影像,提取坐标、等高线等数据;利用生成的实测地形图等高线,提取拦沙工程设计中需要的沟道长度、平均比降、断面剖面等参数(见图2);通过提取的相关数据计算沟道洪峰流量、洪水总量、库容,推算输沙量及“三大件”的尺寸,并根据计算结果绘制水位—库容—面积关系曲线(见图3)、拦沙工程“三大件”及配套设施的布设位置(见图4)。

图1 无人机实测地形图(1∶2 000)

图2 实测地形图上提取的沟道断面数据

图3 拦沙坝水位—库容—面积曲线

图4 “三大件”和配套设施布设位置示意

3 结束语

无人机技术在拦沙工程设计中的应用,给设计者和专家提供了直观、清晰的三维实景影像,可身临其境地观察沟道情况,为拦沙工程的精准选址、科学布局提供了基础数据支撑,既解决了前期选址过程中因沟深山陡、设计人员视野受限而无法全方位实地勘测的难题,又提高了设计前期作业的工作效率,降低了前期作业的成本。数据的精确性是拦沙工程设计的重要影响因素,在地形图解析过程中应避免人为因素对POS数据重叠度的影响,在制图过程中应避免对等高线等基础数据的误移、误删、漏测等错误操作。