无人机技术在潮滩地貌演变研究中的应用
发布时间：2021-12-23 14:53
随着海平面上升和人类活动加剧,潮滩正面临着严重威胁,掌握其形态变化规律是研究潮滩系统对外在条件响应的直接手段。以江苏斗龙港潮滩为研究对象,利用无人机倾斜摄影测量技术,结合运动恢复结构（Structure from Motion,SfM）算法,重建潮滩三维点云,生成数字高程模型和正射影像,分析潮滩滩面及潮沟系统年内变化规律。研究结果表明:潮滩高程测量精度优于9 cm,水平精度优于2 cm;高程年内变化较大,变幅高达±0.5 m;潮沟短历时变化剧烈,无明显季节性变化特征;潮沟发育过程中,宽深比范围为10～25。无人机技术不仅可以监测粉砂淤泥质潮滩滩面变化趋势,还可以观测到卫星难以捕获的中小型潮沟短历时发育过程,可为监测河口海岸短周期动力地貌过程提供有力的技术支持。
【文章来源】：水科学进展. 2019,30(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
测量现场照片Fig．2Photosoffieldobservations表1无人机测量的关键参数和测量结果精度
本研究采用了Photoscan?，主要包括以下4个步骤［26］:(1)利用光束法平差进行相机对齐。通过检测和匹配重叠照片中的同名点，计算每个相片的外部相机参数(位置和方向)，并细化相机校准参数。(2)估计相机的空间位置，计算每个同名点位置，建立密集点云。(3)在点云的基础上构建三维多边形网格。(4)重建后的网格用于生成纹理、数字高程模型和正射影像。模型建立后生成的数字高程模型和正射影像具有相同比例尺，输出为WGS84经纬度坐标。2．3潮沟尺寸参数统计方法图3潮沟断面示意Fig．3Sketchmapofthattown宽深比(W/D)是潮沟宽度与深度的比值，很大程度上取决于潮沟临界抗冲刷能力［45］。潮沟的宽度和深度是在Leopole等［46］提出的潮沟宽深判别方法基础上改进后计算得到的，该方法考虑了潮沟断面的横截面面积对其宽度和深度的影响。即先设定潮沟的基准面［47］(图3)，然后计算该基准面与该潮沟最深的一点之间的高程差，将其作为潮沟深度。然后将该基准面按照每个像素将潮沟横截面分割成上千个梯形，计算这些梯形面积并累加，得到潮沟横截面面积。横截面面积与潮沟深度的比值即为潮沟宽度。3结果3．1桩顶沉降分析无人机三维建模精度十分依赖于控制点提供的三维空间坐标精度，控制点精度越高，建模精度越高。因控制点放置于定点桩桩顶，随时间推移，受水动力、滩面沉降的影响，控制点随着定点桩可能会发生一定沉表2定点桩沉降量Table2Subsidenceof8fixedpiles定点桩序号A1A2A3A4A5A6A7A8沉降量/cm1．022．452．430．860．290．37－1．420．55降。2017年7月和12月分别对桩顶高程进行
364水科学进展第30卷图5无人机SfM摄影测量与ＲTK测量高度的关系Fig．5ＲelationshipbetweentheelevationsofthetargetsextractedfromUAVSfMphotogrammetryandＲTK3．3潮滩高程变化研究区内既有光滩又有互花米草，因此潮滩的高程变化体现在两方面。图6为不同时次的监测结果，光滩分布于东侧，互花米草分布于西侧。互花米草区由于植被遮挡，无人机技术无法测得滩面高程，仅能测得互花米草顶部高程。图6(a)表示了2017年3—7月研究区高程变化，约为+0．5m，呈现较为明显的淤积;互花米草区域高程变化较大，高达+1．5m，这是由于夏季互花米草生长较快所致。图6(b)表示了2017年7—12月研究区域的高程变化，光滩区北部淤积，为+0．5～+1m，南部冲刷，约为－0．1m;互花米草区域高程平均降低0．3m，这是由于从夏季到冬季互花米草开始枯萎。图6(c)表示了2017年12月—2018年4月研究区域的高程变化，光滩大部分区域淤积，约为+0．5m，中间部分冲刷，约为－0．2m;互花米草区域高程降低约0．5m，这是由于互花米草在冬季停止生长，之前枯萎的互花米草也会慢慢消亡。图6(d)表示了2018年4—7月研究区域的高程变化，光滩区域整体表现为淤积+0．1～+1．2m;互花米草区域高程增加，约为+1m，这是因为互花米草在春季开始生长。图6不同时期研究区域的高程变化Fig．6Elevationvariationofresearchareaindifferentperiods
【参考文献】：
期刊论文
[1]潮滩含水量的临界光谱特性及反演模型研究[J]. 张孝严,李欢,陈丽吉,李志远. 海洋科学进展. 2019(01)
[2]基于植被和潮动力作用的潮滩剖面演变数值模拟[J]. 龚政,白雪冰,靳闯,赵堃,周曾,张长宽. 水科学进展. 2018(06)
[3]潮滩剖面形态与泥沙分选研究进展[J]. 张长宽,徐孟飘,周曾,龚政,康彦彦,李欢. 水科学进展. 2018(02)
[4]开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅲ.海平面上升影响[J]. 龚政,严佳伟,耿亮,朱思谕,李欢,张长宽. 水科学进展. 2018(01)
[5]开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅱ.潮汐作用[J]. 龚政,耿亮,吕亭豫,周曾,严佳伟,张长宽. 水科学进展. 2017(02)
[6]开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅰ.物理模型设计及潮沟形态[J]. 龚政,吕亭豫,耿亮,周曾,徐贝贝,张长宽. 水科学进展. 2017(01)
[7]粉砂淤泥质潮滩潮沟形态特征及发育演变过程研究现状[J]. 吕亭豫,龚政,张长宽,耿亮,张茜. 河海大学学报(自然科学版). 2016(02)
[8]淤泥质潮滩地貌演变中的水动力及生物过程研究进展[J]. 王宁舸,龚政,张长宽,赵堃,耿亮. 海洋工程. 2016(01)
[9]江苏岸外条子泥潮滩地形遥感遥测模拟[J]. 马洪羽,丁贤荣. 地理与地理信息科学. 2016(01)
[10]靖江王陵三维数字化系统设计与关键技术研究[J]. 周国奎,张帆,张慎满,曾祥忠. 测绘通报. 2015(08)
本文编号：3548682
【文章来源】：水科学进展. 2019,30(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
测量现场照片Fig．2Photosoffieldobservations表1无人机测量的关键参数和测量结果精度
本研究采用了Photoscan?，主要包括以下4个步骤［26］:(1)利用光束法平差进行相机对齐。通过检测和匹配重叠照片中的同名点，计算每个相片的外部相机参数(位置和方向)，并细化相机校准参数。(2)估计相机的空间位置，计算每个同名点位置，建立密集点云。(3)在点云的基础上构建三维多边形网格。(4)重建后的网格用于生成纹理、数字高程模型和正射影像。模型建立后生成的数字高程模型和正射影像具有相同比例尺，输出为WGS84经纬度坐标。2．3潮沟尺寸参数统计方法图3潮沟断面示意Fig．3Sketchmapofthattown宽深比(W/D)是潮沟宽度与深度的比值，很大程度上取决于潮沟临界抗冲刷能力［45］。潮沟的宽度和深度是在Leopole等［46］提出的潮沟宽深判别方法基础上改进后计算得到的，该方法考虑了潮沟断面的横截面面积对其宽度和深度的影响。即先设定潮沟的基准面［47］(图3)，然后计算该基准面与该潮沟最深的一点之间的高程差，将其作为潮沟深度。然后将该基准面按照每个像素将潮沟横截面分割成上千个梯形，计算这些梯形面积并累加，得到潮沟横截面面积。横截面面积与潮沟深度的比值即为潮沟宽度。3结果3．1桩顶沉降分析无人机三维建模精度十分依赖于控制点提供的三维空间坐标精度，控制点精度越高，建模精度越高。因控制点放置于定点桩桩顶，随时间推移，受水动力、滩面沉降的影响，控制点随着定点桩可能会发生一定沉表2定点桩沉降量Table2Subsidenceof8fixedpiles定点桩序号A1A2A3A4A5A6A7A8沉降量/cm1．022．452．430．860．290．37－1．420．55降。2017年7月和12月分别对桩顶高程进行
364水科学进展第30卷图5无人机SfM摄影测量与ＲTK测量高度的关系Fig．5ＲelationshipbetweentheelevationsofthetargetsextractedfromUAVSfMphotogrammetryandＲTK3．3潮滩高程变化研究区内既有光滩又有互花米草，因此潮滩的高程变化体现在两方面。图6为不同时次的监测结果，光滩分布于东侧，互花米草分布于西侧。互花米草区由于植被遮挡，无人机技术无法测得滩面高程，仅能测得互花米草顶部高程。图6(a)表示了2017年3—7月研究区高程变化，约为+0．5m，呈现较为明显的淤积;互花米草区域高程变化较大，高达+1．5m，这是由于夏季互花米草生长较快所致。图6(b)表示了2017年7—12月研究区域的高程变化，光滩区北部淤积，为+0．5～+1m，南部冲刷，约为－0．1m;互花米草区域高程平均降低0．3m，这是由于从夏季到冬季互花米草开始枯萎。图6(c)表示了2017年12月—2018年4月研究区域的高程变化，光滩大部分区域淤积，约为+0．5m，中间部分冲刷，约为－0．2m;互花米草区域高程降低约0．5m，这是由于互花米草在冬季停止生长，之前枯萎的互花米草也会慢慢消亡。图6(d)表示了2018年4—7月研究区域的高程变化，光滩区域整体表现为淤积+0．1～+1．2m;互花米草区域高程增加，约为+1m，这是因为互花米草在春季开始生长。图6不同时期研究区域的高程变化Fig．6Elevationvariationofresearchareaindifferentperiods
【参考文献】：
期刊论文
[1]潮滩含水量的临界光谱特性及反演模型研究[J]. 张孝严,李欢,陈丽吉,李志远. 海洋科学进展. 2019(01)
[2]基于植被和潮动力作用的潮滩剖面演变数值模拟[J]. 龚政,白雪冰,靳闯,赵堃,周曾,张长宽. 水科学进展. 2018(06)
[3]潮滩剖面形态与泥沙分选研究进展[J]. 张长宽,徐孟飘,周曾,龚政,康彦彦,李欢. 水科学进展. 2018(02)
[4]开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅲ.海平面上升影响[J]. 龚政,严佳伟,耿亮,朱思谕,李欢,张长宽. 水科学进展. 2018(01)
[5]开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅱ.潮汐作用[J]. 龚政,耿亮,吕亭豫,周曾,严佳伟,张长宽. 水科学进展. 2017(02)
[6]开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅰ.物理模型设计及潮沟形态[J]. 龚政,吕亭豫,耿亮,周曾,徐贝贝,张长宽. 水科学进展. 2017(01)
[7]粉砂淤泥质潮滩潮沟形态特征及发育演变过程研究现状[J]. 吕亭豫,龚政,张长宽,耿亮,张茜. 河海大学学报(自然科学版). 2016(02)
[8]淤泥质潮滩地貌演变中的水动力及生物过程研究进展[J]. 王宁舸,龚政,张长宽,赵堃,耿亮. 海洋工程. 2016(01)
[9]江苏岸外条子泥潮滩地形遥感遥测模拟[J]. 马洪羽,丁贤荣. 地理与地理信息科学. 2016(01)
[10]靖江王陵三维数字化系统设计与关键技术研究[J]. 周国奎,张帆,张慎满,曾祥忠. 测绘通报. 2015(08)
本文编号：3548682
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