利用GPS數(shù)據(jù)資料調(diào)查昭陽湖洪灘區(qū)沉積物的細(xì)度和含水量

Mutiara Syifa, Prima Riza Kadavi, Sung Jae Park, Chang-Wook Lee*

Division of Science Education, Kangwon National University, Gangwon-do 24341, Republic of Korea

1. 引言

近年來，河漫灘已引起越來越多的關(guān)注。這種興趣反映了漫灘和河流廊道在景觀中的生態(tài)意義、它們作為河流與周圍土地之間的緩沖帶的重要性，以及它們在為防洪提供蓄水能力的作用。人們也日益認(rèn)識到它們吸納河流沉積物以及相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的潛力的重要性。由于其動態(tài)特性，河流泛濫區(qū)中存儲的沉積物在未來可以進(jìn)行再加工，并可能對未來的河流管理提出挑戰(zhàn)[1]。鑒于這一背景，顯然有必要進(jìn)一步了解洪水地貌的演變及其在泥沙動力學(xué)中的作用。

近幾十年來，由于修建水壩，韓國形成了許多人工湖。其中一個(gè)湖就是昭陽湖，其建于1973年，位于昭陽河大壩后面。昭陽湖（圖1）是韓國最大的湖，與江原道的春川市、楊口郡和麟蹄郡接壤。其流域面積為2703 km2，水庫蓄水量為2.9×109t，是內(nèi)海。昭陽湖被廣泛用作水力發(fā)電、防洪和供水的環(huán)境資源。湖水匯入漢江和北河，并被用作包括首爾在內(nèi)的大都市地區(qū)的主要水源。昭陽水壩的防洪能力為5×106m3，這避免了大都會地區(qū)遭受洪水的侵襲，并有助于推動其經(jīng)濟(jì)增長。然而，昭陽湖水庫可能會對位于下游的大都市地區(qū)產(chǎn)生不利影響。2015年累計(jì)降雨量為780.4 mm，為正常值（1241.5 mm）的62%。因此，包括漢江流域在內(nèi)的國家多用途大壩的水庫水量已大幅減少，維持大都市地區(qū)的供水也變得困難。Shin等[2]利用從2010年至 2015年Terra中分辨率成像光譜儀（MODIS）衛(wèi)星圖像獲得的植被信息，研究了昭陽湖流域的干旱嚴(yán)重程度，以便有效管理昭陽湖的水資源，為抵御干旱損害做好準(zhǔn)備。Lee等[3]利用Landsat衛(wèi)星圖像研究了昭陽湖表面積的變化。

圖1.（a）研究區(qū)域在衛(wèi)星圖像上的位置；（b）使用無人機(jī)成像技術(shù)和GPS繪制采樣點(diǎn)拍攝的數(shù)字航拍照片。

遙感技術(shù)可以定期地獲取數(shù)據(jù)，為大規(guī)模監(jiān)測漫灘的季節(jié)變化和水文格局提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。Landsat和MODIS時(shí)間序列圖像已被用于繪制土地覆蓋圖并監(jiān)測大型湖泊和濕地的淹沒區(qū)域的時(shí)間變化[4-6]。然而，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率較低，因此不能用于小范圍的研究。基于這個(gè)原因，使用無人機(jī)的遙感方法已被廣泛用于各種研究和操作領(lǐng)域中。由于用于數(shù)據(jù)記錄及控制系統(tǒng)的傳感器和機(jī)載電子設(shè)備的小型化，越來越多的傳感器[如光學(xué)相機(jī)，光成像、探測和測距（LIDAR）以及高光譜相機(jī)]可以從無人機(jī)上操作，充分利用電磁頻譜進(jìn)行遙感[7]。使用無人機(jī)進(jìn)行的攝影測量對山區(qū)[8]、農(nóng)業(yè)地區(qū)[9]、河流和沿海地區(qū)[10]的環(huán)境監(jiān)測非常有用。無人機(jī)可以提供比航空攝影測量法或LIDAR航空地形測量系統(tǒng)更高時(shí)間頻率的測量。由于它們不受與其他飛機(jī)相同的規(guī)則約束，因此無人機(jī)可以在低空飛行，這對于提高數(shù)據(jù)的分辨率和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

除了利用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測之外，還需要采集實(shí)地?cái)?shù)據(jù)來進(jìn)行樣品分析。對本研究中采集的樣品進(jìn)行分析，以確定其顆粒細(xì)度和含水量，并在垂直和水平方向上對其進(jìn)行測量，以便于預(yù)測缺口運(yùn)動。先前的研究已經(jīng)分析了缺口移動影響流量，進(jìn)而影響水質(zhì)，并利用這些信息來確定最佳的保護(hù)方法[11-14]。在本研究中，我們旨在通過對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行沉積物細(xì)度和含水量分析來調(diào)查研究沉積物。使用全球定位系統(tǒng)（GPS）標(biāo)記采樣點(diǎn)，并使用無人機(jī)捕獲該位置的圖像。從無人機(jī)圖像中，我們獲得了數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。結(jié)合GPS和DEM數(shù)據(jù)的實(shí)地測量將能更精確地分析和監(jiān)測昭陽河的沉積速率。

2. 材料和方法

2.1. GPS和現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量

GPS是一種跟蹤時(shí)間和位置的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在環(huán)境研究、自然資源管理、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)收集、全球大地測量和其他測量中有著廣泛的應(yīng)用。GPS通過跟蹤衛(wèi)星不斷發(fā)送到世界各地的電磁波來工作，系統(tǒng)可以根據(jù)這些電磁波確定天線的位置（經(jīng)度、緯度和高度，或者X、Y和Z坐標(biāo)）。可參見文獻(xiàn)[15]中的GPS的簡明介紹。

本研究中使用的數(shù)據(jù)來自實(shí)地調(diào)查。我們在實(shí)地調(diào)查中使用無人機(jī)收集了航空照片，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。無人機(jī)使用Agisoft Photoscan （Agisoft LLC，俄羅斯）生產(chǎn)的攝影掃描儀拍照?？梢愿鶕?jù)從無人機(jī)上獲得的三維（3D）圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建DEM，該無人機(jī)已經(jīng)過處理以確定沉積物高度。根據(jù)Sona等[16]的研究，Agisoft Photoscan比其他同類軟件更可靠。該軟件在Windows系統(tǒng)上運(yùn)行，可以從靜態(tài)圖像（如JPEG、TIFF或PNG）構(gòu)建專業(yè)的3D內(nèi)容[17]。Agisoft Photoscan被廣泛用于生成數(shù)字表面模型（DSM）[18]，并已應(yīng)用于地面和航空攝影測量[19]。

生成DEM需要四個(gè)步驟：第一，使用無人機(jī)收集航拍照片；第二，利用Agisoft Photoscan軟件對圖像進(jìn)行處理，該軟件具有三級精度和質(zhì)量要求，準(zhǔn)確度級別是軟件自動生成的內(nèi)置參數(shù)；第三，分析DEM數(shù)據(jù)以確定最適合DEM的準(zhǔn)確度[20-23]；第四，提取3D圖像，并在拍攝數(shù)據(jù)的位置替換GPS數(shù)據(jù)。我們將校正和未校正的GPS數(shù)據(jù)與使用無人機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定5個(gè)采樣點(diǎn)的位置[圖1（b）]。

數(shù)據(jù)收集于2018年8月22日，地點(diǎn)是昭陽湖周圍的5個(gè)初始采樣點(diǎn)，位于麟蹄郡南面附近。在這些地點(diǎn)中選擇了兩個(gè)采樣點(diǎn)（東側(cè)的1號點(diǎn)和西側(cè)的2號點(diǎn)），并在這兩個(gè)點(diǎn)確定了三個(gè)采樣點(diǎn)：1號點(diǎn)的1.1號點(diǎn)和1.2號點(diǎn)，以及2號點(diǎn)。從這些地點(diǎn)收集沉積物樣本。在每個(gè)地點(diǎn)，土壤被挖到約40 cm的深度。在距昭陽河漫灘10 cm（上部）、20 cm（中間）和30 cm（底部）深度取樣（圖2）。總共收集了8個(gè)樣本，1號點(diǎn)的每個(gè)采樣點(diǎn)分別收集了三個(gè)，2號點(diǎn)收集了兩個(gè)。其他點(diǎn)（第3～5號點(diǎn)）仍用作GPS程序的觀測點(diǎn)。采樣點(diǎn)用三個(gè)GPS手持裝置和一架GPS無人機(jī)繪制。其中兩個(gè)GPS單元已用參考點(diǎn)進(jìn)行了校正，而另一個(gè)單元未進(jìn)行校正。我們將使用三個(gè)GPS單元收集的采樣坐標(biāo)與使用GPS無人機(jī)收集的采樣坐標(biāo)進(jìn)行比較，以提高準(zhǔn)確度（表1）。樣品數(shù)據(jù)為濕重，包括水分和去除水分后的干重（表2）。

表1 昭陽湖漫灘的GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)

表2 昭陽湖漫灘沉積物的樣品質(zhì)量測量

2.2. 顆粒細(xì)度指數(shù)

顆粒細(xì)度指數(shù)（grain fineness number，即粒度）被廣泛用于沉積物研究中。由于沉積物顆粒的大小差異很大，因此需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考刻度來區(qū)分不同粒徑的顆粒。例如，Udden [24]將參考值設(shè)置為1 mm。在這個(gè)尺度上，兩倍于參考值的粒徑大一個(gè)單位，而參考值一半的粒徑則小一個(gè)單位。對于沙粒大小的顆粒來說，1 mm的大小差異很重要，但對于礫石和較大的顆粒而言，則不那么重要，因?yàn)榭梢哉J(rèn)為其在測量誤差范圍內(nèi)。Krumbein [25]指出，在對數(shù)尺度上表示毫米粒度更容易克服這個(gè)問題。因此，目前廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)粒度參數(shù)由Udden [24]首次指出并定義為phi (φ)。Wentworth [26]也開發(fā)了一個(gè)方案，作為標(biāo)準(zhǔn)分類量表。本研究中的沉積物粒度分級是根據(jù)Udden-Wentworth尺度劃分的粒度，粒度用φ表示，單位為mm，并在每個(gè)斷面給出了每種粒度的描述性名稱[27]。

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)篩組的篩分分析法對干砂樣品的粒度進(jìn)行了分析。φ尺度上的顆粒尺寸如式（1）所示：

式中，d表示顆粒直徑，單位為mm；d0為參考直徑，值為1 mm。

圖2. 在三個(gè)采樣點(diǎn)對昭陽湖漫灘沉積物進(jìn)行采樣。（a）采樣點(diǎn)1.1；（b）采樣點(diǎn)1.2；（c）采樣點(diǎn)2。

可使用過濾器或直接從薄片測量顆粒直徑。利用數(shù)值，如累積頻率曲線、分類、斜率、峰度、均值、眾數(shù)和中值，描述沉積物粒度分布和形狀，以分析沉積物顆粒尺寸。通過將粒度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為φ標(biāo)準(zhǔn)，可以使用矩量法來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于最大粒徑和最小粒徑的不確定性，使用基于φ標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)的圖表比矩計(jì)算更常用。本研究應(yīng)用Folk和Ward [28]提出的方法，如式（2）～（5），進(jìn)行了粒度分析。例如，φ16、φ50和φ84表示累積質(zhì)量百分比值（16%、50%和84%），用于計(jì)算晶粒尺寸。

在河漫灘東西兩側(cè)40 cm深度處收集沉積物，并在昭陽河漫灘10 cm（上部）、20 cm（中部）和30 cm（底部）的深度處對沉積物進(jìn)行采樣（表3）。數(shù)據(jù)的垂直分布是通過分析與收集砂量相關(guān)的粒度來計(jì)算的（圖3）。使用分析篩將樣品分類為4 mm、2 mm、1 mm、0.50 mm、0.25 mm、0.125 mm和0.0625 mm的尺寸等級。

表3 從地點(diǎn)1.1、地點(diǎn)1.2和地點(diǎn)2采集的每個(gè)樣品的粒度百分比

2.3. 含水量

準(zhǔn)確和可重復(fù)的含水量測量對于減少分析物定量測定中可能的系統(tǒng)誤差至關(guān)重要。因此，在不確定性較小的情況下測量含水量至關(guān)重要，尤其是對于樣品測量而言。必須準(zhǔn)確知道樣品的含水量，才能確定樣品的質(zhì)量。

我們分析了每個(gè)樣品的沉積物含水量。該方法的基礎(chǔ)是通過烤箱干燥土壤樣品直至質(zhì)量變得恒定，從而去除土壤水分。由干燥前后的樣品質(zhì)量計(jì)算含水量（%）。稱量均勻數(shù)量的濕沙樣品。然后將樣品干燥24 h，之后再次稱量每個(gè)樣品。比較干燥前后每個(gè)砂樣的質(zhì)量以確定質(zhì)量比。我們以干燥前后的質(zhì)量差作為參考來計(jì)算每個(gè)樣品的含水量。圖4說明了本研究中進(jìn)行的含水量分析。

圖3. 沉積物樣品的顆粒細(xì)度分析。（a）篩分分析過程；（b）過濾后的沉淀物樣品。

圖4. 用于分析含水量的沉積物樣品。（a）濕樣；（b）干樣。

3. 結(jié)果

3.1. GPS和航攝像片分析

GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為經(jīng)緯儀、磁帶、測桿、電磁測距儀和臺站等傳統(tǒng)測量工具的寶貴補(bǔ)充和擴(kuò)展。GPS程序基于從用作參考點(diǎn)的固定位置測量一系列目標(biāo)的坐標(biāo)、距離或角度。測量值和初始坐標(biāo)之間的差值提供了有關(guān)目標(biāo)或物體移動的信息。用于昭陽湖漫灘調(diào)查的觀測點(diǎn)的空間分布如圖1（b）所示，并匯總在表1中。

GPS數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測沉積物采樣點(diǎn)的坐標(biāo)。利用三個(gè)GPS設(shè)備對昭陽湖漫灘上的5個(gè)坐標(biāo)觀測點(diǎn)進(jìn)行了測量。其中，兩個(gè)裝置進(jìn)行了校正，一個(gè)未進(jìn)行校正。沉積物取樣是在第1點(diǎn)和第2點(diǎn)進(jìn)行的，而第3點(diǎn)至第5點(diǎn)是作為比較來測量的，以確定三個(gè)GPS設(shè)備的精度。圖5放大顯示了航攝像片（無人機(jī)圖像）數(shù)據(jù)，以比較這三個(gè)GPS設(shè)備在這些參考點(diǎn)處的準(zhǔn)確度。表4中顯示了這三個(gè)GPS設(shè)備與每個(gè)參考點(diǎn)之間的距離差異。這三個(gè)GPS設(shè)備的誤差為3 m。因此，當(dāng)來自三個(gè)GPS設(shè)備的數(shù)據(jù)的坐標(biāo)測量結(jié)果的值小于3 m時(shí)，三個(gè)GPS設(shè)備將獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。未修正和修正后的GPS數(shù)據(jù)之間沒有顯著差異；因此，可以得出結(jié)論，未修正的GPS設(shè)備與修正后的GPS設(shè)備一樣表現(xiàn)良好。根據(jù)GPS坐標(biāo)測量的結(jié)果，這三個(gè)GPS數(shù)據(jù)集在點(diǎn)4處顯示的準(zhǔn)確性很差，這可能是由于測量參考點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤所致。

表4 參考點(diǎn)的三個(gè)GPS設(shè)備比較

圖5還顯示了昭陽湖漫灘地區(qū)的DSM。DSM數(shù)據(jù)記錄了昭陽湖漫灘的沉積情況，從而確定了沉積物的分布和高度。DSM數(shù)據(jù)是通過使用GPS數(shù)據(jù)校正的數(shù)字航攝像片數(shù)據(jù)獲得的。根據(jù)DSM資料，昭陽湖漫灘東部的沉積物比西部高且厚。這種現(xiàn)象可能是由于沉積物流向東部地區(qū)而發(fā)生的，在那里形成的沉積物比西部地區(qū)更厚。DSM數(shù)據(jù)對于監(jiān)測研究區(qū)域內(nèi)沉積物的發(fā)展和分布非常有用。

3.2. 粒度分析

通過對三個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，確定了研究區(qū)的沉積環(huán)境，其中兩個(gè)采樣點(diǎn)位于漫灘東側(cè)，一個(gè)采樣點(diǎn)位于漫灘西側(cè)。在東部采樣點(diǎn)（點(diǎn)1.1和點(diǎn)1.2）的每個(gè)位置分別以10 cm、20 cm和30 cm的深度采集了三個(gè)樣本，在西部采樣點(diǎn)（點(diǎn)2）以10 cm和30 cm的深度采集了兩個(gè)樣本。對所有沉積物樣品進(jìn)行顆粒細(xì)度、類別、偏度和峰度分析。

表5顯示了粒度分析的結(jié)果。選取三個(gè)地點(diǎn)，根據(jù)研究區(qū)域當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件采集樣品。通過選擇可獲得有效研究數(shù)據(jù)的位置來分析結(jié)果。根據(jù)Udden-Wentworth尺度來計(jì)算和分類每個(gè)取樣位置的平均粒徑。每個(gè)地點(diǎn)平均粒徑在1.33～2.44 mm之間，表明昭陽湖漫灘沉積物主要由非常粗糙的砂粒組成。一般而言，低于0.35φ（值為0.0）的值表示非常好的分類或排序，高于4φ（值為4.0）的值表示分類極差。因此，由于研究區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)地點(diǎn)都在1φ～2φ的范圍內(nèi)（值為0.95～1.27），因此可以認(rèn)為樣品的分類屬于中等到較差的分類。研究地點(diǎn)顯示了不同程度的偏斜。東側(cè)采樣點(diǎn)（點(diǎn)1.1和點(diǎn)1.2）的沉積物呈強(qiáng)負(fù)偏，而西側(cè)采樣點(diǎn)（點(diǎn)2）的沉積物呈強(qiáng)正偏。東側(cè)的區(qū)域偏向于細(xì)粒度，而西側(cè)的區(qū)域偏向于中等粒度。峰度一般為正，因此，分布一般為輕峰型。將昭陽湖漫灘東側(cè)點(diǎn)1.1、點(diǎn)1.2和西側(cè)點(diǎn)2進(jìn)行了比較。東側(cè)區(qū)域的小顆粒以0.125 mm的粒徑為主，而西側(cè)區(qū)域以0.0625 mm的粒徑為主，表明決口向東移動。

圖5. 昭陽湖漫灘的DSM顯示了使用三個(gè)GPS設(shè)備采集的點(diǎn)與參考點(diǎn)之間差異的比較。

表5 三個(gè)采樣點(diǎn)的參數(shù)分析

3.3. 含水量分析

對漫灘兩岸的三個(gè)地點(diǎn)采集的樣品進(jìn)行分析，以評估垂直方向上的含水量。表6顯示了深度剖面中的平均含水量比。平均含水量在10 cm處最高，說明10 cm處的沉積物孔隙度相對較差。此外，我們還比較了東西兩側(cè)的含水量。裂縫兩側(cè)的含水量越高，說明有水涌入，這意味著可能發(fā)生決口。因此，相對較高的含水量比表明東側(cè)可能會發(fā)生決口。

表6 分析每個(gè)樣品深度剖面中的含水量比

4. 討論與結(jié)論

本研究旨在通過調(diào)查昭陽湖漫灘沉積物，來分析昭陽水壩建成后昭陽河水的水質(zhì)。為了更好地了解研究區(qū)域發(fā)生的決口，對顆粒平滑度、含水量、泥沙粒度和沉積速率進(jìn)行了分析。共選取三個(gè)采樣點(diǎn)，其中，東部兩個(gè)、西部一個(gè)。在東部地區(qū)的每個(gè)站點(diǎn)以10 cm的間隔采集三個(gè)樣本，總深度為30 cm。在西部地區(qū)的站點(diǎn)以10 cm和30 cm的深度采集兩個(gè)樣本。昭陽湖沉積物樣品的粒徑最小為1.33 mm，最大為2.44 mm，代表具有負(fù)斜率的粗粒和極粗沉積物。粒度分析表明，決口向東移動。與含水量低的西部地區(qū)相比，含水量高的東部地區(qū)潰決的可能性較大。

利用GPS數(shù)據(jù)和數(shù)字航拍技術(shù)是監(jiān)測昭陽湖漫灘泥沙淤積的實(shí)用方法。必須連續(xù)采集GPS坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)和DSM數(shù)據(jù)，才能分析昭陽湖漫灘的泥沙分布、沉積速率和泥沙變化情況。

研究結(jié)果表明，對顆粒細(xì)度、含水量、泥沙沉積量和沉積速率的分析可用于了解和預(yù)測昭陽湖沉積物的運(yùn)動方向。然而，由于很難根據(jù)單個(gè)研究的結(jié)果來確定趨勢，因此需要進(jìn)行持續(xù)的研究和數(shù)據(jù)收集，本研究所采用方法的理論多樣性和準(zhǔn)確性必須通過額外的研究加以驗(yàn)證。進(jìn)一步的研究將改善對所獲得的粒度、含水量、沉積速率、沉積方向以及GPS和DSM數(shù)據(jù)的比較，以用作昭陽湖漫灘的沉積監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。

Acknowledgments

This research was supported by a grant from the National Research Foundation of Korea provided by the government of Republic of Korea (2019R1A2C1085686).

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