無人機傾斜模型在水庫極端洪水演進中的應(yīng)用

王慶平，王軼凡

(寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315033)

1 概述

水庫極端洪水發(fā)生頻率往往很低，但是一旦發(fā)生則對水利工程及其上下游人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于極端洪水的研究已有了一些成果，大多數(shù)研究工作采用傳統(tǒng)的歷史水文法或損失系數(shù)法對極端洪水淹沒范圍進行粗略統(tǒng)計、洪災(zāi)損失評估。傳統(tǒng)評估方法雖應(yīng)用簡單，卻不能滿足當(dāng)前對極端洪水評估的高精度、高效率的需求。

本文結(jié)合無人機傾斜攝影技術(shù)[1]，采用高精度、高效率、一體化的自動三維場景建模技術(shù)，建立水庫上下游地形地物三維模型，并結(jié)合實時洪水計算模型、二維水動力學(xué)模型對水庫上游來水、下游洪水演進過程、洪水災(zāi)害評估等進行精確模擬，建立適用于水庫極端洪水災(zāi)害評估的一體化應(yīng)用系統(tǒng)，為水庫管理部門及有關(guān)防汛部門提供技術(shù)參考。

2 模型介紹

2.1 無人機傾斜模型

無人機傾斜模型技術(shù)[2-5]是基于無人機飛行器、攝影設(shè)備(多鏡頭相機)、線路規(guī)劃、空三建模、影像貼圖和數(shù)據(jù)提取等一體化三維空間信息服務(wù)技術(shù)。通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程能生成直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性的三維信息，相比傳統(tǒng)采用人工測繪方法大大提升了對地理信息數(shù)據(jù)的獲取效率。

本文采用具有RTK模塊的多旋翼高精度航測無人機，借助于其抗磁干擾能力與精準(zhǔn)定位能力，實現(xiàn)cm級定位和圖像元數(shù)據(jù)的絕對精度控制。人工控制無人機搭載多鏡頭傳感器，從垂直、側(cè)視等不同角度對流域下墊面進行影像采集，并結(jié)合數(shù)據(jù)集群方式快速實現(xiàn)精細的三維模型建模和測量結(jié)果的輸出。無人機三維建模方法技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無人機三維建模方法技術(shù)路線圖

2.1.1航線規(guī)劃及影像采集

航線規(guī)劃是無人機信息采集的第一步工作，考慮到對三維模型精度、飛行采集時間、作業(yè)起飛架次的要求，本文在優(yōu)先保證模型精度的前提下進行航線規(guī)劃和影像采集。對流域內(nèi)重點區(qū)域或重要阻水建筑物以降低飛行高度為手段進行影像加密采集，同時在后期數(shù)據(jù)處理過程中進行分塊運算，如圖2所示。

圖2 三維影像采集

按照式(1)確定飛機飛行高度，按照航向重疊度85%，旁向重疊度80%進行影像采集。

(1)

式中，H—航攝高度，m；f—鏡頭焦距；α—像元尺寸；GSD—地面分辨率，m。

2.1.2傾斜模型建模

本文基于ContextCapture三維建模軟件，采用局域網(wǎng)內(nèi)多臺計算機集群方式進行三維模型運算，同時根據(jù)采集區(qū)域大小將區(qū)域分成不同區(qū)塊，將海量影像數(shù)據(jù)進行解析運算[6-11]，對房屋、建筑設(shè)施、農(nóng)田等進行模型矢量單體化，以利于后期洪水災(zāi)害評估。

具體計算步驟：①加載影像圖并根據(jù)區(qū)域分成10個分區(qū)；②降低采樣率為30%，進行空三計算，并將計算后的Block塊進行合并；③生成OSGB、Cesium 3D Title兩種格式的三維模型；④生成Context Capture 3MX、Cesium 3D Title兩種格式的三維模型；⑤提取DEM數(shù)據(jù)并對模型進行物理單體化處理。

2.2 洪水計算模型

為使洪水計算適用于不同水庫、不同流域，本文采用基于降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)法(API模型)的水文模型[12]對水庫上游洪水進行模擬計算。API模型作為一個多變量輸入、單數(shù)據(jù)輸出的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常被應(yīng)用于流域或水庫洪水徑流計算。由于其每一個等值線都存在一個轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點以上的關(guān)系線呈45°直線，這對流域極端暴雨所形成的洪水的外延有很好的相關(guān)性，適合于極端洪水的模擬分析。

流域匯流采用單位線進行計算，單位線的倍比性、疊加性條件填補了流域內(nèi)無極端洪水資料驗證的缺點，對流域內(nèi)極端洪水的匯流計算具有很好的適用性。同時，單位線推求簡單、計算快速、通用性強。

2.3 二維水動力學(xué)模型

二維水流模型計算采用守恒的二維非恒定流淺水方程組來模擬水流流動，應(yīng)用有限體積法及黎曼近似解對模型方程組進行數(shù)值求解[13-16]。

有限體積法(FVM)在二維水流模擬中的應(yīng)用具備了傳統(tǒng)的有限差分(FDM)和有限單元(FEM)法共同的特點，同時有限體積法可對無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行積分離散，這也滿足了其可以模擬復(fù)雜邊界水體的運動。

模型首先根據(jù)無人機所采集和生成的高精度地形資料進行無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，為規(guī)避復(fù)雜邊界網(wǎng)格分布不均、貼合性差的缺點，本文采用四邊形及三角形網(wǎng)格混合模式；繼而采用有限體積法對每一個劃分單元網(wǎng)格逐時段循環(huán)建立水量、動量平衡；最后結(jié)合黎曼近似解計算相互單元網(wǎng)格間的水量交互。該計算方法即保證了水量計算的守恒性，也保證了水流計算精度。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本文選取浙江省某水庫作為分析研究對象，該水庫上游及下游流域面積627km2，其中大壩以上流域面積255km2，大壩以下河道兩側(cè)分布有農(nóng)田、居住區(qū)。流域內(nèi)每年遭受多次臺風(fēng)襲擊，降雨大、突發(fā)性強、防汛形勢嚴(yán)峻。

系統(tǒng)應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用流程圖

首先通過對水庫大壩及下游區(qū)域進行無人機傾斜模型三維建模，對個別重要設(shè)施進行高精度建模，同時對下游區(qū)域DEM數(shù)據(jù)提取，并生成無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖層(網(wǎng)格數(shù)15萬個)。

其次采用實時洪水模型模擬水庫入庫洪峰、水量、水位等數(shù)據(jù)，結(jié)合水庫閘門開閘信息對下游區(qū)域進行洪水二維水動力學(xué)演進模擬。

第三步，將洪水計算數(shù)據(jù)在三維模型中進行可視化展示，對淹沒區(qū)域采用Cesium逼真貼圖水特效進行展示，并將水流流動效果、淹沒過程進行模擬渲染。

最后，針對三維矢量單體化模型對淹沒建筑物、農(nóng)田等進行統(tǒng)計分析，以淹沒深度、淹沒時長、淹沒面積評估該場次洪水受災(zāi)情況[17-18]，搭建極端洪水模擬管理系統(tǒng)。

本文通過對水庫歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)及100年一遇洪水過程進行模擬，結(jié)合三維傾斜模型，對水庫下游洪水淹沒情況、災(zāi)情信息進行展示分析，模擬計算受災(zāi)情況見表1。

表1 不同臺風(fēng)洪水受災(zāi)情況統(tǒng)計

臺風(fēng)洪水的三維淹沒分析結(jié)果如圖4所示，通過加載不同時段的淹沒圖層，可以對洪水淹沒過程從開始到結(jié)束進行滾動播放，從而使整個淹沒過程更加直觀、清晰。同時根據(jù)三維傾斜模型，系統(tǒng)可以快速獲取淹沒面積、淹沒水深、淹沒建筑物統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合社會經(jīng)濟資料，進而計算出受災(zāi)人口以及經(jīng)濟損失情況[7]。本次研究表明將三維傾斜模型與極端洪水淹沒分析進行結(jié)合，可以為水庫極端洪水的研究提供一種新的思路。

圖4 不同重現(xiàn)期的洪水三維淹沒展示

4 結(jié)語

(1)水庫極端洪水的精準(zhǔn)預(yù)測與災(zāi)害評估需要完整的洪水預(yù)報模型與高精度的地理信息數(shù)據(jù)，但極端洪水發(fā)生概率小、范圍廣、資料收集難，構(gòu)建基于API、單位線的洪水預(yù)報模型以及結(jié)合無人機傾斜攝影三維實景模型，為解決極端洪水資料短缺、地理信息數(shù)據(jù)精度差提供了技術(shù)支撐，對洪水淹沒過程結(jié)合Cesium三維引擎生動展示，便于管理人員對災(zāi)害結(jié)果進行整體把握，提升認(rèn)知水平。

(2)無人機傾斜模型技術(shù)對極端洪水演進的災(zāi)害性預(yù)測和評估具有快速、準(zhǔn)確等特性，為更好地服務(wù)于水庫及流域防災(zāi)減災(zāi)工作，還需要經(jīng)過多場景多區(qū)域的應(yīng)用和實踐。