基于無人機傾斜攝影技術的公路路基兩側積沙變化及沙害特征研究

張易辰 呂樂樂 吳永祥 羅廷赤 王福銀

（1.寧夏公路勘察設計院有限責任公司,寧夏 銀川 750001；2.蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070；3.寧夏公路管理中心,寧夏 銀川 750001；4.寧夏公路數字信息化工程技術研究中心,寧夏 銀川 750001）

在沙漠地區，風途經疏松的沙質表面時，其固有的搬運能力將沙粒吹動或吹起，造成風沙運動，產生風沙流[1]。沙漠地區公路面臨的主要問題是風沙流作用下線路兩側發生積沙堆積和吹蝕，產生沙埋和路基風蝕，嚴重影響公路交通安全和養護維修工作[2]。

隨著我國公路建設不斷向沙漠腹地深入，風沙運動對公路的危害問題愈加突出，對此眾多學者對沙漠公路地區的風沙運動及其沙害進行了深入的研究。1958年，茲納門斯基出版了《沙地風蝕過程的實驗研究和沙堆防止問題》，并將其率先用于公路防治沙害，標志著風沙運動的理論研究逐步邁入實際應用。1981年，吳正、彭世古等編著了我國首部沙漠地區公路工程專著《沙漠地區公路工程》，對中華人民共和國成立以來30余年的沙漠地區公路建設成果進行系統總結，為沙漠地區公路沙害研究奠定了基礎。1997年，董治寶等建立了風況資料與野外觀測相結合的研究方法，分析了塔里木石油公路風沙危害的形成。隨后，國內眾多學者依據風況資料與實地觀測，對沙漠地區公路風沙運動與沙害進行了深入研究。其中，張登山等（2016）[3]以青海湖東克土沙區為研究地，從起沙風、輸沙勢等方面反映環湖東路的風沙運動強度。韓致文等（2005）[4]利用塔克拉瑪干沙漠公路沿線三個氣象站的數據進行分析，對塔克拉瑪干沙漠公路沿線風沙運動的時空特征進行了研究。陳紅等（2015）[5]基于塔克拉瑪干沙漠東南緣的風況數據和野外觀測的積沙蝕積數據分析，對區域內風沙運動進行了研究。但由于沙漠地區范圍大，地形隨時間變化頻繁，且實地人工測量工作量大、周期長、精確度低，所測數據不能準確地反映研究區的實際情況。

無人機傾斜攝影測量技術是測繪遙感領域近幾年發展起來的一項高新技術，以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知復雜場景。通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的數據成果，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，保證精度的同時提升生產效率,可以獲取更多類型的測繪成果，在數字化成果應用方面具有較好的前景。相對傳統人工測量，具有外業采集效率高、作業成本低、作業靈活等優點，因此很多學者通過無人機傾斜攝影技術定期采集數字影像，對沙漠地區進行研究。其中，錢廣強等（2019）[6]借助無人機傾斜攝影技術，實現了對新月形沙丘群三維形態的精確測量，滿足了大比例尺地形測量的要求；李錦榮等（2021）[7]以烏蘭和布沙漠沿黃段沙丘為研究對象，應用無人機航拍技術對沙丘的移動速度及其影響因素進行了解析；孔霄等（2020）[8]通過無人機傾斜攝影對別里庫姆沙漠進行航拍，分析得到了回渦沙丘的形態特征與空間分布特征。

因此，本文以烏瑪高速公路騰格里沙漠腹地路基試驗段為研究對象，基于無人機傾斜攝影技術和氣象站數據，研究沙丘遠近不同時路基兩側的積沙變化，并對線路沙害特征及成因進行分析，研究結果可為沙漠地區公路選線和沙害防治提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

研究區位于騰格里沙漠腹地，烏瑪高速公路正線K171+800區段附近修建的一條試驗段公路（見圖1），無防護體系，全長500 m，線路走向大致為西偏南45°，與正線走向基本一致。該區域沙丘分布廣泛、沙源充足、植被稀少、風沙運動頻繁，路基兩側及表面存在多處積沙。

圖1 烏瑪高速試驗段位置

1.2 風況數據來源

本文氣象數據來源于烏瑪高速試驗段設置的全自動氣象儀，觀測高度為2.5 m，采集頻率為5 min/次，用于監測風向、風速、降水、氣溫等氣象數據，并建立氣象數字管理平臺，對數據進行收集和整理（見圖2）。選擇2020年8月至2021年8月的氣象數據，以對應積沙數據進行后續分析。

圖2 全自動氣象儀及氣象數字管理平臺

1.3 積沙數據來源

本文積沙數據來自烏瑪高速試驗段的無人機傾斜攝影，為保證數據及時、準確，根據項目特點，航測選用多旋翼無人機（大疆M300RTK）與垂直起降式固定翼無人機Q10（見圖3）結合飛行的方式進行項目數字地形采集。項目處于沙漠地區，飛行區域面積較大，且早晚天氣變化劇烈，能夠提供飛行的時間有限，為提高飛行效率，針對本項目選用的賽爾鏡頭和睿博鏡頭（見圖4）依據相機像素及相機特點，精確計算該鏡頭下航線高度，有效保證航拍效率，同時保證影像數據精確。

圖3 航測選用無人機

圖4 無人機鏡頭

軟件方面，采用Pix4D與Context Capture，配合生成傾斜攝影模型[9]（見圖5），選取2020年8月初到2021年7月末的傾斜攝影數據，并從中剔除測量范圍不完整、成像較差的數據，最終保留2020年8月初、10月、12月，以及2021年5月、7月底的傾斜攝影數據，分別作為2020年夏季至2021年夏季的積沙數據來源[10]。

圖5 傾斜攝影模型

1.4 路基典型斷面選取

為獲得公路路基兩側的積沙數據，根據不同季節的無人機傾斜攝影數據，在直線段選取距沙丘不同距離的5個有沙害和1個無沙害路基斷面，以1984世界大地測量系統（world geodetic system 1984，WGS-84）為統一坐標系，以垂直于線路方向分別提取路基兩側50 m范圍內的積沙高程，斷面位置如表1和圖6所示。

表1 路基斷面位置

圖6 路基斷面位置示意圖

2 風沙環境特征

2.1 起沙風

風是引起風沙運動的主要動因，當風速逐漸增大到沙粒的起動風速時，地表沙粒才會開始脫離靜止狀態而進入運動狀態，形成風沙運動。騰格里沙漠起沙風速為5 m/s[11]，以3月—5月為春季，6月—8月為夏季，9月—11月為春季，12月—次年2月為冬季，對風速風向數據整理分析得到起沙風玫瑰圖（見圖7）。

由圖7可知，全年區域起沙風以西北風為主，東南風和西南風次之。風速以春季和夏季最為強勁，冬季次之，秋季最弱。春季起沙風向主要以NNW和SW為主，占該季節總起沙風的26%，SE次之，占該季節總起沙風的18%；夏季起沙風向主要以ESE為主，占該季節總起沙風的21.3%，北風次之，占該季節總起沙風的14.3%；秋季起沙風向以SW為主，占該季節總起沙風的一半以上；冬季起沙風主要以WNW和NNW為主，占該季節總起沙風的67.3%。

圖7 起沙風玫瑰圖

2.2 輸沙勢

輸沙勢是衡量區域風沙運動強度及風沙地貌演變的重要指標，表示潛在的輸沙能力。依據Fryberger提出的輸沙勢方程進行計算，繪制全年和各季節的輸沙勢玫瑰圖（見圖8）。

由圖8可知，全年區域合成輸沙勢為40.57 VU，合成輸沙方向RDD為120.57°，表明沙物質從西北向東南方向輸送移動。各季節合成輸沙勢以春季最大，為32.04 VU，方向114.60°，沙物質從西北向東南方向輸送；冬季和夏季次之，分別為22.77 VU和19.94 VU，方向分別為124.99°和298.27°，分別向西北和東南方向輸沙；秋季最小，為3.69 VU，方向50.01°，向東北方向輸沙。根據Fryberger提出的通過方向變率(RDP/DP)劃分風況的方法[12]，對四個季節的風況進行劃分，秋季和冬季在0.3～0.8之間，屬于鈍雙峰型或銳雙峰型；春季和夏季最小(＜0.3)，屬于復雜或鈍雙峰型。

3 遠沙丘路基兩側積沙變化及沙害

3.1 遠沙丘路基兩側積沙變化

路基斷面1兩側積沙變化情況如圖9所示，路基兩側是一片向下凹陷的沙地。可以看出，隨著時間的推移，路基迎風側沙地和路基邊坡堆積的積沙變化具有明顯的季節性特征。秋季雖然風速很小，但由于西南方向沙源稀少，風沙流很難達到飽和，積沙厚度整體減少約3 m，在路基邊坡及坡腳處較小，僅減少10 cm；春冬兩季風速較大，且西北方向由于沙丘的存在而沙源充足，風沙流在凹陷沙地容易達到飽和[13]，積沙厚度逐漸增加，但變化幅度較小，厚度整體增加約2.5 m，在路基邊坡及坡腳處增加20～45 cm；夏季風速較大，東南方向的風沙流在路基左側形成減速沉降區[14]，積沙厚度增加20～40 cm，在路面產生積沙，厚度約為20 cm。背風側積沙變化情況與迎風側略有不同，主要表現為夏季積沙厚度減少，其他季節厚度逐漸增加，但路基邊坡及坡腳積沙變化程度很小。

圖9 路基斷面1兩側積沙變化

3.2 遠沙丘路基兩側沙害分析

由遠沙丘路基兩側積沙變化可知，迎風側邊坡及坡腳處積沙緩慢堆積，直至夏季堆積至路面，而背風側積沙蝕積程度相對較小，因此遠沙丘路基兩側沙害主要為迎風側產生的沙埋現象（見圖10）。

圖10 路基迎風側沙埋

路基迎風側積沙堆積是由近地風沙流達到飽和導致的，風沙流是否易飽和主要由沙源情況和風速變化情況決定。其中沙源主要來源于路基迎風側較遠處的沙丘，路基附近風速變化主要取決于凹陷沙地的特征。

為研究不同沙丘和沙地對遠沙丘路基迎風側沙埋的影響，將沙地坡度相同但沙埋程度不同的斷面1、斷面2、斷面3與無沙埋的斷面4分為兩組（見表2），并對第一組斷面的沙埋面積、沙埋量進行測量（見圖11），其對比結果如圖12、圖13所示。

圖11 沙埋測量

圖12 第一組沙埋面積

圖13 第一組沙埋量

表2 各斷面沙丘高度及沙地坡度

由第一組測量對比結果可知，在沙地坡度都為1:2條件下，隨著沙丘高度減小，迎風側路面沙埋面積及沙埋量均呈下降趨勢。因此，迎風側沙丘高度對沙埋有較為顯著的影響，當沙地坡度一定時，沙丘高度越大，沙埋情況越加嚴重。

相對于第一組斷面，第二組沙丘高度增大1.8～3.3 m，但沙地坡度減小為1:3，對照現場情況（見圖14）可以看出，積沙僅堆積到路塹邊緣，沒有在路面形成沙埋。由此可知，遠沙丘路基迎風側沙地坡度相對于沙丘高度，對沙埋有著更加顯著的影響，隨著沙地坡度減小，積沙堆積減弱。

圖14 第二組積沙

4 近沙丘路基兩側積沙變化及沙害

4.1 近沙丘路基兩側積沙變化

近沙丘路基兩側積沙變化情況如圖15所示，沙丘積沙變化為沙丘蝕積并逐漸移動的過程。在路基迎風側，秋季起沙風主要為西南風，風速較弱，遇到高大沙丘風沙流極易飽和，在沙丘形成堆積，厚度增加3～6 m；春冬兩季起沙風主要為西北風，風速較大，風沙流不易飽和，沙丘積沙厚度減少2～3 m的同時向路基移動；夏季起沙風主要為東南風，雖然風速較大，但東南方向沙源充足，風沙流在遇到高大沙丘時容易飽和，在沙丘迎風側形成堆積。路基背風側沙丘矮小，積沙變化與背風側基本一致，但略有不同，具體表現為沙丘蝕積程度較小且往遠離路基方向移動。

圖15 路基斷面6兩側積沙變化

4.2 近沙丘路基兩側沙害分析

由近沙丘路基兩側積沙變化可知，迎風側沙丘逐漸移動至路面，春季形成少量沙埋，之后夏季東南方向風沙流飽和在沙丘迎風側堆積，沙埋情況進一步惡化（見圖16），而背風側沙丘逐漸遠離路基，且路基邊坡及坡腳積沙變化很小，沒有造成沙害。

圖16 沙埋對比

由此可知迎風側沙丘特征對沙埋有著十分重要的影響，因此對迎風側沙丘特征不同的斷面5與斷面6不同季節的沙埋面積及積沙量進行測量（見圖17、圖18），研究不同特征沙丘（見表3）對迎風側沙埋的影響。

圖17 路基斷面5沙埋測量

圖18 路基斷面6沙埋測量

表3 沙丘特征參數

圖19為兩斷面沙埋面積及路面積沙量變化，春季沙丘在西北風作用下逐漸向路基移動，由于斷面6沙丘略低于斷面5，移動速度相對較快[15]，因此在春季斷面6形成的沙埋較大，其中沙埋面積達8.8%，路面積沙量達41.7%。

夏季東南方向的風沙流飽和在沙丘迎風側堆積，由圖19可知，沙埋面積及路面積沙量顯著增加。斷面5（沙丘迎風側坡度為1:5），沙埋面積增加17.03 m2，增加約138%，沙埋量增加2.7 m3，增加約321%；斷面6（沙丘迎風側坡度為1:2.7），沙埋面積增加27.8 m2，增加約207%，路面積沙量增加13.35 m3，增加約1122%。

圖19 不同斷面沙埋變化

因此，夏季風沙流飽和產生的沙埋要遠大于春冬兩季因沙丘移動而產生的沙埋，并且當沙丘迎風側坡度較大時，沙埋情況更加嚴重。

5 結論

綜上所述，沙漠地區公路與沙丘遠近不同時，路基兩側的積沙變化也不同，其沙害特征也不同。本文基于無人機傾斜攝影技術，對烏瑪高速試驗段路基兩側與沙丘遠近不同時的積沙變化及沙害進行分析，得到以下結論。

（1）遠沙丘路基迎風側積沙在秋季減少，其他季節逐漸增加，直至夏季積沙延伸至路面；背風側積沙在夏季減少，其他季節緩慢增加，路基邊坡及坡腳變化極小。

（2）遠沙丘路基兩側沙害主要為迎風側沙埋，當遠處沙丘高度越大、沙地坡度越大，沙埋現象越加嚴重，其中沙地坡度大小對沙埋的影響效果更加顯著。

（3）近沙丘路基兩側積沙變化為沙丘的蝕積和移動過程，夏秋兩季為積沙增加，春冬兩季沙丘在吹蝕的過程中逐漸往東南方向移動。

（4）近沙丘路基兩側沙害為迎風側沙埋，夏季風沙流飽和產生的沙埋要遠大于春冬兩季因沙丘移動而產生的沙埋，沙丘高度越小，沙丘迎風側坡度越大，沙埋情況越嚴重。