基于无人机倾斜摄影测量技术的潮滩形态演变研究

2021-10-21任玉忠王玮涵

矿产与地质 2021年4期

周岩，任玉忠，王玮涵

( 潍坊市水利事业发展中心，山东潍坊 261000 )

0 引言

全球气候变化导致我国海平面高度发生变化，严重危害我国沿海潮滩覆盖生态环境[1-3]。因此，研究气候影响下潮滩地貌演变的情况及规律对维护生态环境稳定与社会经济发展具有重要意义。

目前，我国专家已大范围展开针对潮滩地貌演变的研究。胡成飞等[4]根据杭州湾近60年来的水文地形监测资料，深入研究了人类活动对区域滩涂地貌变化的影响，并指出围涂工程是导致杭州湾南岸滩涂近期淤涨速率加快、潮滩宽度减小的主要原因。付桂等[5]以南汇边滩为研究对象，基于近3年水文监测资料，指出区域新建的圈围工程和平面环流输沙系统是导致冲淤变化的主要因素。张长宽等[6]基于2007年江苏海岸潮滩剖面高程测量资料，指出潮滩剖面往往呈现上凸形，且随着泥沙供应量的增加，其剖面会逐渐发展为“斜坡形+上凸形”的组合形状。现有关于江苏淤泥质潮滩地貌演变的研究较少，张长宽等[7]基于2007年江苏海岸潮滩剖面高程测量资料和数值模拟结果深入研究了动力泥沙对潮滩地貌的影响，发现泥沙供应量越大，则潮滩越平缓。张媛媛等[8]则基于遥感监测技术研究了近年来江苏淤泥质潮滩面积的变化规律，并指出潮滩面积受海水侵蚀严重的问题。

综上可知，现有针对江苏淤泥质潮滩地形地貌演变的研究多是基于水文监测站历史数据或遥感数据，具有精度低、数据量少、可视性差等局限性，而无人机技术具有精度高、效果好、易操作等优势，能够克服上述缺陷，被广泛应用到公路勘察、植被监测、数字化地形测量甚至农业领域中[9-10]，因此可见，利用无人机展开潮滩地貌演变过程研究具有高度的可行性。

本文以江苏某近海潮滩为研究对象，通过引入无人机高光谱成像系统并采用无人机倾斜摄影测量技术进行实地拍摄，基于SFM算法及Smart3D软件，成功重建了该潮滩的三维地形地貌影像，实现了对该潮滩1年间基本高程及潮沟形态演化规律的系统研究。

1 无人机倾斜摄影测量技术

1.1 技术设备

为探讨无人机技术在河湖污染水质监测中的应用，本次研究主要采用了两种新型设备，分别为大疆M600 Pro型无人机及北京卓立汉光仪器有限公司生产的Gaiasky-mini-VN型高光谱成像仪。大疆M600 Pro型无人机的最大飞行速度可达65 km/h，最大飞行高度为2500 m，最大可倾斜角度为25°，垂直悬停精度为-0.5 m～+0.5 m。机载高光谱成像系统GaiaSky-mini设备采用集成一体化设计结构，其探测光谱范围为400～1000 nm，光谱分辨率为3.5 nm，光学传感器采用CCD Sony ICX285，像素间距为6.45 μm，可完美搭载于M600 Pro和S1000+型无人机。上述设备能够较好地配合使用，在短时间内实现对湖面的全面监测。

1.2 技术手段

图1为无人机高光谱成像技术主要工作流程。由图1可知，无人机高光谱成像技术主要包括三项工作：前期准备工作、外业施测及内业处理。其中，前期准备工作主要宝库区域定位、气象条件确定及起降区域选择三项工作；外业施测主要包括测量区域划定、航线规划、高光谱设备相机调整、信号覆盖查询及飞行作业；内业处理则是设计后期成像及分析工作，主要包括影像数据预处理、模型构建和导出及成果交付3项工作[11-13]。

图1 无人机高光谱成像技术主要工作流程示意图

1.3 数据处理方法

采用SFM(Structure from motion)算法进行数字高程模型(DEM)的成像和重构，实现该算法需要采用多个高精度相机同时工作，并根据相同时刻下多个相机对同一目标不同角度的拍摄结果，再利用Smart3D软件实现三维地形的数字化重构，具有高度的可靠性。对于潮滩中潮沟的观测，由于宽深比是决定潮沟抗冲刷能力的关键参数，需要具体统计其宽度及深度。采用Leopole等学者提出的潮沟宽度、深度判别方法，即以潮沟基准面为标准，基准面到潮沟底的深度为潮沟深度；基准面以下潮沟的横截面积与潮沟深度之比即为潮沟的标准化宽度，最终可得潮沟的宽深比。

2 应用分析

2.1 研究区域概况

拟研究区域位于东部沿海某地区(图2)，是我国典型的淤泥质潮滩，潮沟发育较多。潮滩沿海平均宽度为3.53 km，潮滩坡度在0.01%～0.03%之间，区域内主要以砂、砂质粉土及粉质黏土为主。根据区域水文局及生态环境相关研究单位研究结果反映，受气候变化及人类活动影响，在过去的10年内，该潮滩的基本形态发生了交大的变化，主要表现为海平面上升导致潮滩湿地生态面积减小及部分区域污染，进而导致潮滩生态环境遭到一定程度的破坏。

图2 研究区域示意图

2.2 高程演化分析

基于无人机航拍图像监理了该潮滩在不同时期内的DEM影像图(图3)，由于研究区域内存在潮滩光滩和互花米草滩，因此需要综合分析两种区域的高程变化，以深入潮滩在2019年3月—2020年3月之间的地形变化基本规律。图3为不同时间段内潮滩光滩和互花米草滩两种区域的变化图，由图3可知，该潮滩上光滩主要在潮滩东侧，而互花米草滩则主要位于潮滩西侧，潮滩高度受季节气候影响明显。

图3a展示了2019年3月—7月间该潮滩的高程变化情况，在该区域内潮滩出现了近0.5 m的抬升，因此在潮滩表面产生了大范围的淤积；相较于潮滩，互花米草滩的区域高程变化更加明显，其抬升高度接近1.5 m。分析认为，由于海平面高度受季节影响较大，因此在冬季海平面高度回退，潮滩高程抬升，暴露面积增大；此外，由于互花米草在春、夏季生长较快，因此互花米草滩顶部高程在2019年7月—12月间产生了更大的提升。

图3b展示了2019年7月—12月间潮滩的高程变化情况，由图3b可知，光滩区北部淤积面积进一步增大，潮滩相对高程提升了0.5～1.0 m；潮滩的南部区域出现大面积冲刷，导致区域高程降低约0.1 m。此外，相对于光滩区域，互花米草滩区域的高程则平均降低近0.3 m，分析认为，这是由于气候从夏季过渡到冬季，互花米草开始枯萎。

图3c展示了2019年12月—2020年3月潮滩的高程变化情况，在该时间段内，海平面出现一定程度的抬升，但潮滩光滩仍有大部分区域淤积，相较于2019年7月潮滩整体高程仍有约为0.5 m的抬升；潮滩中间部分冲刷，高程降低约0.2 m；互花米草滩区域高程进一步降低，整体降低约0.5 m，这是由于互花米草在冬季停止生长，之前枯萎的互花米草也会慢慢消亡。

图3d展示了2019年3月—2020年3月期间该潮滩的整体高程变化，由图3d可知，在1年内，该潮滩的光滩区域面积有所增大，整体表现为增加大范围淤积场，且较集中在北部，北部光滩整体高程抬升近1 m；南部淤积场较少，光滩高程抬升小于0.5 m。然而，互花米草滩的高程变化则呈现出局部增大、局部减小的情况，其中，互花米草前缘近海部分的高程提升，而远海区域则整体降低。根据统计计算结果，该潮滩整体高程年内变化较大，潮滩高程提升近0.5 m。

图3 2019年3月—2020年3月间潮滩高程变化过程

2.3 潮沟演化分析

由图4可见，潮滩上分布有明显的潮沟结构，该潮沟位于潮间带中上部，退潮以后潮沟内水深小于10 cm，能够根据无人机拍摄结果重建该潮沟三维影像图。图4为该潮沟在2019年3月—2020年3月间不同时期的正射影像图。由图4可知，自2019年3月开始，该潮沟由近海区域逐渐向内陆(自东向西)发育，且表现出明显的溯源侵蚀特征，因此形成比较顺直的潮沟。

图4 1年时间内潮沟生长发育图

基于潮沟三维正射影像图及相关数据，并选取该潮沟的4个断面(A、B、C、D断面)展开研究，深入分析勒该潮沟的宽度和深度随时间变化规律。由图5可知，该潮沟的4个断面表征了潮沟发育不同阶段的4种形态。其中，潮沟在的断面A处是自2019年3月出现，且在当年3—7月时间段内逐渐变宽，但之后受气候影响，在当年12月时已基本消亡；对于断面B，其在同年7月发育成为二级潮沟，同样在当年12月消亡；对于断面C，在展开研究前该潮沟便已经存在，而从2019年3月至7月逐渐发育并变宽，于12月消亡；对于断面D，其在潮沟发育过程中变化幅度最大，其宽度由当年3月的1 m发育至7月的8 m，且出现了显著的弯曲摆动。

图5 潮沟不同断面高程和断面宽度图

为研究潮沟的具体形态特征变化规律，表1展示了该潮沟在一年内总长度、潮沟密度和主潮沟曲率的变化情况。由表1可知，自2019年3月至当年7月间，该潮沟的主潮沟的长度持续增大。2019年3月该潮沟总长为648.15 m，当年7月时已相对增长91.31%，7月时总长度已达2160.26 m，是同年3月总长度的3.33倍。此外，潮沟长度增长的同时，其逐渐发育出若干个树枝状分支结构，因此潮沟密度亦不断增大，由当年3月的0.0074增长到7月时的0.0246，增长幅度十分显著。

表1 2019年3—7月潮沟主要形态参数统计结果

潮沟曲率是反映潮沟弯曲程度的物理量，也是表征潮沟形态的重要参数。结合图3和图4可知，自2019年3月至5月，潮沟的主潮沟前沿持续向互花米草滩边缘延伸，而延伸出的潮沟分支区段较为顺直，主潮沟的曲率变化较小。然而，自当年5月至7月，新生的潮沟分支开始延伸进入到互花米草滩，但由于互花米草对潮滩的地面图有较强的防流失破坏作用，因此潮沟的生长受到影响并进一步改变了潮沟的发育走向，导致潮沟的整体曲率变大。

3 讨论

江苏近海淤泥质潮滩受气候影响较大，潮滩高程呈先增大后减小的变化趋势，但在1年内，潮滩的高程整体呈增大趋势，整体高程增长约0.5 m。在研究区域监测到了潮沟完整的生长发育过程，潮沟由海向陆生长，经历了溯源侵蚀和弯曲摆动，且形态摆动较为剧烈。此外，综上所述，基于无人机倾斜测量技术能够有效监测淤泥质潮滩上潮滩高程变化、面积变化以及植物生长规律，还可以准确观察到潮滩上潮沟的生长发育过程，有效弥补了遥感技术在潮滩地形地貌变化监测中的不足[14-16]。此外，由于植被的遮挡，无人机的三维重建技术获得的数据实际上为植物的顶高程，不能真实反映植被覆盖区域潮滩的潮滩真实高程，具有一定的局限性。因此，使用无人机结合地面机器人的使用，对研究潮滩高程的真实变化规律具有一定的研究意义。