基于無人機傾斜攝影測量技術的潮灘形態演變研究

周 巖，任玉忠，王瑋涵

( 濰坊市水利事業發展中心，山東 濰坊 261000 )

0 引言

全球氣候變化導致我國海平面高度發生變化，嚴重危害我國沿海潮灘覆蓋生態環境[1-3]。因此，研究氣候影響下潮灘地貌演變的情況及規律對維護生態環境穩定與社會經濟發展具有重要意義。

目前，我國專家已大范圍展開針對潮灘地貌演變的研究。胡成飛等[4]根據杭州灣近60年來的水文地形監測資料，深入研究了人類活動對區域灘涂地貌變化的影響，并指出圍涂工程是導致杭州灣南岸灘涂近期淤漲速率加快、潮灘寬度減小的主要原因。付桂等[5]以南匯邊灘為研究對象，基于近3年水文監測資料，指出區域新建的圈圍工程和平面環流輸沙系統是導致沖淤變化的主要因素。張長寬等[6]基于2007年江蘇海岸潮灘剖面高程測量資料，指出潮灘剖面往往呈現上凸形，且隨著泥沙供應量的增加，其剖面會逐漸發展為“斜坡形+上凸形”的組合形狀。現有關于江蘇淤泥質潮灘地貌演變的研究較少，張長寬等[7]基于2007年江蘇海岸潮灘剖面高程測量資料和數值模擬結果深入研究了動力泥沙對潮灘地貌的影響，發現泥沙供應量越大，則潮灘越平緩。張媛媛等[8]則基于遙感監測技術研究了近年來江蘇淤泥質潮灘面積的變化規律，并指出潮灘面積受海水侵蝕嚴重的問題。

綜上可知，現有針對江蘇淤泥質潮灘地形地貌演變的研究多是基于水文監測站歷史數據或遙感數據，具有精度低、數據量少、可視性差等局限性，而無人機技術具有精度高、效果好、易操作等優勢，能夠克服上述缺陷，被廣泛應用到公路勘察、植被監測、數字化地形測量甚至農業領域中[9-10]，因此可見，利用無人機展開潮灘地貌演變過程研究具有高度的可行性。

本文以江蘇某近海潮灘為研究對象，通過引入無人機高光譜成像系統并采用無人機傾斜攝影測量技術進行實地拍攝，基于SFM算法及Smart3D軟件，成功重建了該潮灘的三維地形地貌影像，實現了對該潮灘1年間基本高程及潮溝形態演化規律的系統研究。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 技術設備

為探討無人機技術在河湖污染水質監測中的應用，本次研究主要采用了兩種新型設備，分別為大疆M600 Pro型無人機及北京卓立漢光儀器有限公司生產的Gaiasky-mini-VN型高光譜成像儀。大疆M600 Pro型無人機的最大飛行速度可達65 km/h，最大飛行高度為2500 m，最大可傾斜角度為25°，垂直懸停精度為-0.5 m～+0.5 m。機載高光譜成像系統GaiaSky-mini設備采用集成一體化設計結構，其探測光譜范圍為400～1000 nm，光譜分辨率為3.5 nm，光學傳感器采用CCD Sony ICX285，像素間距為6.45 μm，可完美搭載于M600 Pro和S1000+型無人機。上述設備能夠較好地配合使用，在短時間內實現對湖面的全面監測。

1.2 技術手段

圖1為無人機高光譜成像技術主要工作流程。由圖1可知，無人機高光譜成像技術主要包括三項工作：前期準備工作、外業施測及內業處理。其中，前期準備工作主要寶庫區域定位、氣象條件確定及起降區域選擇三項工作；外業施測主要包括測量區域劃定、航線規劃、高光譜設備相機調整、信號覆蓋查詢及飛行作業；內業處理則是設計后期成像及分析工作，主要包括影像數據預處理、模型構建和導出及成果交付3項工作[11-13]。

圖1 無人機高光譜成像技術主要工作流程示意圖

1.3 數據處理方法

采用SFM(Structure from motion)算法進行數字高程模型(DEM)的成像和重構，實現該算法需要采用多個高精度相機同時工作，并根據相同時刻下多個相機對同一目標不同角度的拍攝結果，再利用Smart3D軟件實現三維地形的數字化重構，具有高度的可靠性。對于潮灘中潮溝的觀測，由于寬深比是決定潮溝抗沖刷能力的關鍵參數，需要具體統計其寬度及深度。采用Leopole等學者提出的潮溝寬度、深度判別方法，即以潮溝基準面為標準，基準面到潮溝底的深度為潮溝深度；基準面以下潮溝的橫截面積與潮溝深度之比即為潮溝的標準化寬度，最終可得潮溝的寬深比。

2 應用分析

2.1 研究區域概況

擬研究區域位于東部沿海某地區(圖2)，是我國典型的淤泥質潮灘，潮溝發育較多。潮灘沿海平均寬度為3.53 km，潮灘坡度在0.01%～0.03%之間，區域內主要以砂、砂質粉土及粉質黏土為主。根據區域水文局及生態環境相關研究單位研究結果反映，受氣候變化及人類活動影響，在過去的10年內，該潮灘的基本形態發生了交大的變化，主要表現為海平面上升導致潮灘濕地生態面積減小及部分區域污染，進而導致潮灘生態環境遭到一定程度的破壞。

圖2 研究區域示意圖

2.2 高程演化分析

基于無人機航拍圖像監理了該潮灘在不同時期內的DEM影像圖(圖3)，由于研究區域內存在潮灘光灘和互花米草灘，因此需要綜合分析兩種區域的高程變化，以深入潮灘在2019年3月—2020年3月之間的地形變化基本規律。圖3為不同時間段內潮灘光灘和互花米草灘兩種區域的變化圖，由圖3可知，該潮灘上光灘主要在潮灘東側，而互花米草灘則主要位于潮灘西側，潮灘高度受季節氣候影響明顯。

圖3a展示了2019年3月—7月間該潮灘的高程變化情況，在該區域內潮灘出現了近0.5 m的抬升，因此在潮灘表面產生了大范圍的淤積；相較于潮灘，互花米草灘的區域高程變化更加明顯，其抬升高度接近1.5 m。分析認為，由于海平面高度受季節影響較大，因此在冬季海平面高度回退，潮灘高程抬升，暴露面積增大；此外，由于互花米草在春、夏季生長較快，因此互花米草灘頂部高程在2019年7月—12月間產生了更大的提升。

圖3b展示了2019年7月—12月間潮灘的高程變化情況，由圖3b可知，光灘區北部淤積面積進一步增大，潮灘相對高程提升了0.5～1.0 m；潮灘的南部區域出現大面積沖刷，導致區域高程降低約0.1 m。此外，相對于光灘區域，互花米草灘區域的高程則平均降低近0.3 m，分析認為，這是由于氣候從夏季過渡到冬季，互花米草開始枯萎。

圖3c展示了2019年12月—2020年3月潮灘的高程變化情況，在該時間段內，海平面出現一定程度的抬升，但潮灘光灘仍有大部分區域淤積，相較于2019年7月潮灘整體高程仍有約為0.5 m的抬升；潮灘中間部分沖刷，高程降低約0.2 m；互花米草灘區域高程進一步降低，整體降低約0.5 m，這是由于互花米草在冬季停止生長，之前枯萎的互花米草也會慢慢消亡。

圖3d展示了2019年3月—2020年3月期間該潮灘的整體高程變化，由圖3d可知，在1年內，該潮灘的光灘區域面積有所增大，整體表現為增加大范圍淤積場，且較集中在北部，北部光灘整體高程抬升近1 m；南部淤積場較少，光灘高程抬升小于0.5 m。然而，互花米草灘的高程變化則呈現出局部增大、局部減小的情況，其中，互花米草前緣近海部分的高程提升，而遠海區域則整體降低。根據統計計算結果，該潮灘整體高程年內變化較大，潮灘高程提升近0.5 m。

圖3 2019年3月—2020年3月間潮灘高程變化過程

2.3 潮溝演化分析

由圖4可見，潮灘上分布有明顯的潮溝結構，該潮溝位于潮間帶中上部，退潮以后潮溝內水深小于10 cm，能夠根據無人機拍攝結果重建該潮溝三維影像圖。圖4為該潮溝在2019年3月—2020年3月間不同時期的正射影像圖。由圖4可知，自2019年3月開始，該潮溝由近海區域逐漸向內陸(自東向西)發育，且表現出明顯的溯源侵蝕特征，因此形成比較順直的潮溝。

圖4 1年時間內潮溝生長發育圖

基于潮溝三維正射影像圖及相關數據，并選取該潮溝的4個斷面(A、B、C、D斷面)展開研究，深入分析勒該潮溝的寬度和深度隨時間變化規律。由圖5可知，該潮溝的4個斷面表征了潮溝發育不同階段的4種形態。其中，潮溝在的斷面A處是自2019年3月出現，且在當年3—7月時間段內逐漸變寬，但之后受氣候影響，在當年12月時已基本消亡；對于斷面B，其在同年7月發育成為二級潮溝，同樣在當年12月消亡；對于斷面C，在展開研究前該潮溝便已經存在，而從2019年3月至7月逐漸發育并變寬，于12月消亡；對于斷面D，其在潮溝發育過程中變化幅度最大，其寬度由當年3月的1 m發育至7月的8 m，且出現了顯著的彎曲擺動。

圖5 潮溝不同斷面高程和斷面寬度圖

為研究潮溝的具體形態特征變化規律，表1展示了該潮溝在一年內總長度、潮溝密度和主潮溝曲率的變化情況。由表1可知，自2019年3月至當年7月間，該潮溝的主潮溝的長度持續增大。2019年3月該潮溝總長為648.15 m，當年7月時已相對增長91.31%，7月時總長度已達2160.26 m，是同年3月總長度的3.33倍。此外，潮溝長度增長的同時，其逐漸發育出若干個樹枝狀分支結構，因此潮溝密度亦不斷增大，由當年3月的0.0074增長到7月時的0.0246，增長幅度十分顯著。

表1 2019年3—7月潮溝主要形態參數統計結果

潮溝曲率是反映潮溝彎曲程度的物理量，也是表征潮溝形態的重要參數。結合圖3和圖4可知，自2019年3月至5月，潮溝的主潮溝前沿持續向互花米草灘邊緣延伸，而延伸出的潮溝分支區段較為順直，主潮溝的曲率變化較小。然而，自當年5月至7月，新生的潮溝分支開始延伸進入到互花米草灘，但由于互花米草對潮灘的地面圖有較強的防流失破壞作用，因此潮溝的生長受到影響并進一步改變了潮溝的發育走向，導致潮溝的整體曲率變大。

3 討論

江蘇近海淤泥質潮灘受氣候影響較大，潮灘高程呈先增大后減小的變化趨勢，但在1年內，潮灘的高程整體呈增大趨勢，整體高程增長約0.5 m。在研究區域監測到了潮溝完整的生長發育過程，潮溝由海向陸生長，經歷了溯源侵蝕和彎曲擺動，且形態擺動較為劇烈。此外，綜上所述，基于無人機傾斜測量技術能夠有效監測淤泥質潮灘上潮灘高程變化、面積變化以及植物生長規律，還可以準確觀察到潮灘上潮溝的生長發育過程，有效彌補了遙感技術在潮灘地形地貌變化監測中的不足[14-16]。此外，由于植被的遮擋，無人機的三維重建技術獲得的數據實際上為植物的頂高程，不能真實反映植被覆蓋區域潮灘的潮灘真實高程，具有一定的局限性。因此，使用無人機結合地面機器人的使用，對研究潮灘高程的真實變化規律具有一定的研究意義。

4 結論

1)我國近海潮灘受氣候影響明顯，海平面呈季節性波動，潮灘高程呈先增大后減小的變化趨勢，但在一年內，潮灘的高程整體呈增大趨勢，整體高程增長約0.5 m。

3)潮灘主潮溝的長度持續增大，且逐漸發育出若干個樹枝狀分支結構，潮溝密度的亦不斷增大。其中，2019年3月該潮溝總長為648.15 m，當年7月時已相對增長91.31%，7月時總長度已達2160.26 m，是同年3月總長度的3.33倍。

4)在當年3—5月期間，主潮溝的曲率變化較小。但隨著潮溝的發育和生長，新生的潮溝分支延伸進入互花米草灘，互花米草對潮灘土體有較強的防流失破壞作用，改變了潮溝的發育走向，導致潮溝的整體曲率變大。