馮光亮

(新疆峻特設(shè)計工程有限公司 阿拉爾分公司,新疆 阿拉爾 843000)

0 引 言

河道流量的準(zhǔn)確估算對于水資源管理、洪水預(yù)警和防洪減災(zāi)等領(lǐng)域具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的河道流量估算方法主要基于地面觀測和數(shù)學(xué)模型,但這些方法存在著數(shù)據(jù)獲取困難和模型不準(zhǔn)確的問題。隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,無人機(jī)航空攝影測量作為一種新的數(shù)據(jù)獲取和測量手段,為河道流量估算提供了全新的途徑。

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)具有高分辨率、靈活性和低成本等顯著優(yōu)勢。通過搭載高分辨率相機(jī)進(jìn)行航拍,可以獲取河道及其周邊地區(qū)的詳細(xì)圖像信息[2]。這些圖像可通過影像處理和數(shù)字圖像測量技術(shù)進(jìn)行處理,從而提取出河道的幾何參數(shù),如水面寬度、水面高程和水面流速等關(guān)鍵參數(shù)[3-5]。

本研究旨在探索利用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù),結(jié)合河道流量估算方法,根據(jù)無人機(jī)測量獲取河道幾何參數(shù),依據(jù)DOM與DSM影像處理的結(jié)果,確定據(jù)曼寧公式的參數(shù),通過RA、RMSE和MPE評價無人機(jī)攝影的河道流量計算可靠度,實現(xiàn)對河道流量的準(zhǔn)確估計。研究結(jié)果可為水資源管理、洪水預(yù)警和防洪減災(zāi)等領(lǐng)域提供參考。

1 研究對象及方法原理

1.1 研究對象

本文以新疆地區(qū)準(zhǔn)格爾盆地東-西軸線上的五大內(nèi)河流域為研究對象,截取卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等5個代表斷面進(jìn)行徑流估算研究。其中,卡贊營斷面居上游,離河源14km;博爾通古、安集海和大河沿子居中游,分別占河流總長的36%、51%和63%;二叉河居下游,離河源10km。

由于無法直接測量水下地形,本文根據(jù)規(guī)范采用“流速-面積法”計算斷面,采用“一點法”獲取平均流速。根據(jù)規(guī)范,計算得到卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河的平均流速分別為1.3、1.27、1.1、1.24和0.7m/s,斷面面積分別為19.99、28.37、96.69、15.33和10.75m2,實測流量分別為25.98、36.03、106.36、19.01和7.53m3/s。

1.2 曼寧公式

由曼寧公式可知,在無壓力狀態(tài)下的水流計算經(jīng)驗性公式為[6]:

v=CR1/2J1/2

(1)

式中:v為斷面流速,m/s;C為謝才系數(shù),m1/2/s;R為水力半徑,m;J為水力梯度,Pa/m。

由于大多數(shù)河流為紊流,孫東坡和丁新求對曼寧公式的系數(shù)進(jìn)行修正:

(2)

式中:A為面積,m2;n為糙率,無量綱。

由曼寧公式可知,流量計算所需參數(shù)分為實測參數(shù)與航測參數(shù)兩類。其中,實測參數(shù)為A和R;航測參數(shù)為n和J。本文采用無人機(jī)獲取的DOM影像計算J,通過對DSM影像與DOM影像的分析得到n,A和R通過實測的水下地形數(shù)據(jù)獲取。

1.3 無人機(jī)性能參數(shù)及評價方法

本文采用型號為Phantom-4-pro的無人機(jī),相機(jī)型號和影像傳感器分別為FC300X和Sony Exmor R CMOS,相機(jī)像素為1 200萬(4000×3000),最大光圈和焦距分別為f/2.8和20 mm。無人機(jī)在卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的飛控參數(shù)為:飛行高度分別為100、70、90、90和70m;重疊率均為90%;飛行面積分別為196 035、56 207、226 547、192 850和165 346m2。

通過對5個不同高度下無人機(jī)的垂直與水平方向誤差校核發(fā)現(xiàn),其RMSE達(dá)到厘米級精度。本文采用的無人機(jī)測量精度是可靠的,可用于河道地形信息的獲取。本文選取RA、RMSE和MPE評價無人機(jī)測量方法的合理性與可靠性,計算方法如下:

(3)

式中:Qe為估算的徑流值,m3/s;Qm為實測值,m3/s;n為次數(shù)。

根據(jù)規(guī)范可知,RA不應(yīng)超過20%;RA、RMSE與MPE代表該方法的可靠性。

2 計算結(jié)果

2.1 水力梯度和水力半徑

水力梯度是指在水流中的液壓坡度或壓力變化率,為高程差與高程的比值,用于描述水流在垂直或水平方向上的壓力差異,因此高程對水力梯度影響顯著。由于水流從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域,因此水力梯度確定了水流的流向。本文研究5個河流斷面的上下游高程。通過計算可知,卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的水力梯度分別為0.014、0.013、0.007、0.007和0.003。由此可知,卡贊營斷面和博爾通古斷面的水力梯度最大,水流最急;二叉河斷面的水力梯度最小,該地地勢平緩,水流最慢。

水力半徑是指流體在通道或管道中流動時的有效半徑,用于計算液體的流速和液體的流量,與斷面形狀有關(guān)。在水利工程、土木工程和流體力學(xué)等領(lǐng)域,水力半徑是一個重要的參數(shù),對于確定流體的速度分布、能量損失和流體運動的穩(wěn)定性等方面具有重要意義。本文結(jié)合無人機(jī)測得的各斷面形狀見圖1;水面線與曲線圍成的形狀為實際過水?dāng)嗝?將所圍面積與濕周的比值作為水力半徑,計算結(jié)果見表1。

表1 各斷面水力半徑

圖1 各斷面信息

2.2 糙率取值

糙率是指在流體通過管道、河流或渠道等通道時,通道內(nèi)表面的粗糙程度或摩擦特性,用于描述通道內(nèi)壁面與流體之間的摩擦阻力,影響流體的流速和流量。糙率對流體的流速和流量有顯著影響,較高的糙率會增加通道內(nèi)壁面與流體之間的摩擦阻力,導(dǎo)致流速降低和能量損失增加。另一方面,較低的糙率會減小摩擦阻力,使流速增加。本文在傳統(tǒng)的經(jīng)驗取值基礎(chǔ)上,考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境、植被情況和畜牧業(yè)發(fā)展情況,對糙率的取值略大于經(jīng)驗值,上述各斷面的糙率取值分別為0.09、0.11、0.16、0.08和0.07。

2.3 流量計算結(jié)果及精度分析

根據(jù)前文所述,確定曼寧公式中的水力梯度、水力半徑和糙率參數(shù)的取值。通過計算可知,卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面采用無人機(jī)攝影用于河道流量計算的相對精度分別為10.58%、28.48%、1.43%、3.98%和9.21%,實測值與計算值之間的誤差在20%以內(nèi)即為可靠。因此,卡贊營、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的流量估算結(jié)果準(zhǔn)確,合格率達(dá)到80%。由于博爾通斷面地區(qū)河水渾濁,無人機(jī)難以準(zhǔn)確捕捉信息,導(dǎo)致該地區(qū)的糙率取值偏低,進(jìn)而導(dǎo)致了較高的誤差。通過計算可知,RMSE為4.82m3/s,MPE為0.065,表明本文提出的采用無人機(jī)攝影計算河道流量的方法可靠。見表2。

表2 精度分析

2.4 影響因素

通過研究發(fā)現(xiàn),影響無人機(jī)攝影計算河道流量精度的因素主要在于下墊面數(shù)據(jù)的獲取和估算過程。研究區(qū)下墊面數(shù)據(jù)的獲取是影響無人機(jī)航測數(shù)據(jù)精度的因素,主要涉及以下幾個方面:①下墊面的準(zhǔn)確高程信息對于無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的精度至關(guān)重要。如果下墊面的高程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或不完整,無人機(jī)在飛行過程中無法準(zhǔn)確測量地物的高度,進(jìn)而影響地形重建、三維模型生成等應(yīng)用的精度。②下墊面的形狀數(shù)據(jù)包括地表的起伏、坡度等信息。這些數(shù)據(jù)對于無人機(jī)的航跡規(guī)劃和飛行控制至關(guān)重要,下墊面的形狀數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或不完整,導(dǎo)致航測數(shù)據(jù)的精度下降。③下墊面的紋理信息對于無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的圖像匹配和特征提取非常重要。如果下墊面的紋理信息缺乏或質(zhì)量不佳,無人機(jī)在飛行過程中可能無法準(zhǔn)確捕捉地物的紋理信息,導(dǎo)致航測數(shù)據(jù)的精度受到影響。

2.5 實測數(shù)據(jù)的必要性和水下地形測量的解決方法

了解實測數(shù)據(jù)的必要性和水下地形測量的解決方法,對準(zhǔn)確估算河道流量至關(guān)重要。通過使用實測數(shù)據(jù),可以構(gòu)建出包含河道幾何特征的河道數(shù)字模型,同時運用流量計來得到水量和流速測量數(shù)據(jù)。常見的水下地形測量方法包括單線激光測距儀、聲吶測量和多波束測量。這些技術(shù)都可以用來收集水下地形數(shù)據(jù),可以構(gòu)建3D數(shù)字模型。水下地形測量是河道流量估算的關(guān)鍵之一,必須使用現(xiàn)有的技術(shù),如單線激光測距儀、多波束測量和多傳感器系統(tǒng)。通過這些技術(shù),可以創(chuàng)建準(zhǔn)確的數(shù)字模型,在水動力學(xué)和水資源管理領(lǐng)域獲得準(zhǔn)確的流量表征和預(yù)測。

此外,還有一些需要注意的問題:①即使有了實測數(shù)據(jù)和水下地形測量,河道流量估算仍然存在誤差。這是由于河道中的水流和水位高度等實際狀況的影響。因此,在河道流量估算時,需要考慮誤差的范圍和精度。②收集實測數(shù)據(jù)和進(jìn)行水下地形測量需要大量的時間和人力資源。因此,河道流量估算需要精心設(shè)計和詳細(xì)計劃,以確保資源和時間利用最大化,并在測量過程中獲得最佳效果。③無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展(如智能機(jī)器人和深度學(xué)習(xí)技術(shù)),為無人機(jī)航拍河道流量測量提供了更多的可能性?？梢灶A(yù)見,未來隨著技術(shù)的不斷提升和使用方法的創(chuàng)新,無人機(jī)航拍測量河道流量,將成為一項更加高效、便捷、準(zhǔn)確的方式。

3 結(jié) 論

本文將無人機(jī)攝影技術(shù)與經(jīng)典曼寧公式相結(jié)合,對卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的河道流量進(jìn)行了測量對比。結(jié)論如下:

1)由于高程變化對水力梯度的影響顯著,而無人機(jī)可準(zhǔn)確捕捉河道斷面的變化。因此,無人機(jī)攝影有利于確定經(jīng)典曼寧公式中的水力梯度和水力半徑參數(shù)的取值。

2)相比于經(jīng)驗法對糙率取值,無人機(jī)攝影能準(zhǔn)確獲取地形、植被、護(hù)坡和卵石等詳細(xì)信息,可提高估算具體河流糙率取值的精度。

3)通過選取RA、RMSE和MPE作為評價無人機(jī)攝影用于河道流量計算的可靠度,結(jié)果顯示,其平均誤差為10.74%,RMSE達(dá)到厘米級精度,無人機(jī)攝影用于河道流量計算結(jié)果可靠。

4)準(zhǔn)確獲取下墊面數(shù)據(jù)和曼寧公式計算參數(shù),對河道流量最終計算結(jié)果具有顯著的影響。