張建國董亞維李晶晶左 強

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局,陜西 西安710021)

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民群眾在長期同水土流失斗爭實踐中創(chuàng)造的一種行之有效的水土保持工程措施,在解決入黃泥沙問題、確保黃河安瀾方面發(fā)揮了重要作用。根據(jù)水利部2019年開展的黃土高原地區(qū)淤地壩專項調(diào)研評估結(jié)果,截至2019年11月,黃土高原地區(qū)共有淤地壩58 776座,其中大型壩5 905座、中型壩12 169座[1]。因此,無論從功能還是數(shù)量上看,淤地壩對黃土高原地區(qū)水土流失治理和管理工作都至關(guān)重要。攔沙淤地是淤地壩的主要功能之一,準確估算淤地壩攔截泥沙量是科學(xué)評估淤地壩減沙效益和安全運用的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對于流域淤地壩管理、水土流失治理和黃河水沙變化趨勢研究起到指導(dǎo)與支撐作用。

1 黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測的重要性

(1)科學(xué)評價淤地壩的減沙效益。淤地壩作為治理水土流失的關(guān)鍵措施之一,迫切需要人們?nèi)嬲J識淤地壩建設(shè)的實際效益,其中,淤地壩攔截泥沙量是衡量淤地壩減沙效益的重要指標。以往的淤地壩或壩系建設(shè)大都在建設(shè)完成后進行一次性驗收或鑒定,很難全面評價其真實成效,尤其減沙效益需要長期的監(jiān)測才可進行評價。通過建立科學(xué)、高效的淤地壩監(jiān)測體系,利用現(xiàn)代信息技術(shù)、3S技術(shù),快速獲取淤地壩攔沙淤積量及所在區(qū)域小流域徑流泥沙等信息,可為正確評價淤地壩建設(shè)的真實攔沙成效提供科學(xué)依據(jù)[2-3]。

(2)支撐水土流失綜合治理規(guī)劃的制定。黃土高原水土流失治理自20世紀80年代步入以小流域為單元的綜合治理階段[4],并且將這一經(jīng)驗沿用至今。水沙情勢、流域產(chǎn)沙模數(shù)一直是小流域綜合治理規(guī)劃的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對合理布局各類水土保持措施和控制流域土壤侵蝕的發(fā)生至關(guān)重要。淤地壩是記錄小流域侵蝕產(chǎn)沙信息與歷史過程的重要載體,通過淤地壩攔沙淤積監(jiān)測可以摸清流域侵蝕產(chǎn)沙模數(shù),作為流域綜合治理規(guī)劃設(shè)計的依據(jù),同時,對已建水土流失治理工程也能夠起到評價和指導(dǎo)作用[5]。已有研究發(fā)現(xiàn)由于土壤侵蝕模數(shù)調(diào)查值較淤地壩設(shè)計值顯著降低,造成淤地壩空壩率上升,使淤地壩長期保持負效應(yīng)[6]。目前,有關(guān)水土保持專家呼吁基于黃河水沙與黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展新形勢,實時調(diào)整黃土高原水土流失治理格局[7-8],因地制宜,精準布局適宜措施類型和規(guī)模。因此,基于淤地壩攔沙情況,正確和實時了解流域產(chǎn)沙情況,及時調(diào)整規(guī)劃,對我們水土流失治理工作具有重要現(xiàn)實意義。

(3)服務(wù)淤地壩安全運行管理工作。20世紀70年代以來,隨著全球氣候變化和水土流失情勢變化,黃土高原地區(qū)典型的淤地壩水毀事故發(fā)生十余次,對下游群眾生命財產(chǎn)安全造成了巨大影響,淤地壩運行管理和洪水風(fēng)險等問題已受到了社會各界和各級政府的高度關(guān)注。淤地壩的攔沙淤地和防洪減災(zāi)功能與有效攔沙庫容密切相關(guān),隨著運行時間的延長,有效庫容減小,淤地壩運行風(fēng)險也會相應(yīng)增加[9-10]。近年來,水土保持學(xué)術(shù)界和各級水行政主管部門著力推進淤地壩潰壩風(fēng)險分析和汛期安全風(fēng)險預(yù)警模型的開發(fā)[11]。馬瑞等[12]構(gòu)建了甘肅省淤地壩工程的潰壩風(fēng)險評價模型,經(jīng)分析水面/泥面距淤地壩高的距離、剩余淤積庫容是影響淤地壩安全風(fēng)險的最大權(quán)重評價指標。陳祖煜院士課題組通過“家譜法”算法以及壩系內(nèi)部洪水演進程序等構(gòu)建淤地壩系連潰風(fēng)險分析模型,引入攔沙淤積量概念,研究發(fā)現(xiàn)淤地壩潰壩的臨界雨量與自身淤積高程具有顯著的負相關(guān)關(guān)系[13-15]。因此,科學(xué)合理的攔沙淤積數(shù)據(jù)是確保黃土高原地區(qū)淤地壩安全運行和水土保持生態(tài)建設(shè)健康發(fā)展的必要基礎(chǔ)。

(4)推動淤地壩相關(guān)水土流失科學(xué)研究。過去幾十年,由于黃土高原水土流失治理的緊迫性,人們更多關(guān)注淤地壩的建設(shè)、效益發(fā)揮和運行管理等,有關(guān)淤地壩攔沙減沙等基礎(chǔ)理論研究還不夠深入[16-18]。隨著“有條件的地方要大力建設(shè)旱作梯田、淤地壩等”新建設(shè)思路的提出及在黃河水沙銳減新形勢的背景下,探索和研究淤地壩的相關(guān)理論機理顯得尤為重要。目前,淤地壩相關(guān)科學(xué)研究方面,關(guān)注點主要集中在淤地壩對流域徑流產(chǎn)沙和河道形態(tài)變化影響,泥沙淤積特征、減沙減蝕作用機理,以及量化流域泥沙來源中坡面泥沙和溝道泥沙指標,分析坡面侵蝕與溝道侵蝕間的相互聯(lián)系和作用等方面[18-19],科學(xué)合理的攔沙淤積量監(jiān)測數(shù)據(jù)是探索這些科學(xué)問題的重要基礎(chǔ),也是客觀把握黃河產(chǎn)沙情勢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

近年來雖然有關(guān)管理部門對黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積情況進行了幾次普查,但是普查指標多集中在淤地壩數(shù)量、分布、功能、效益和累計攔沙量等方面。由于淤地壩在黃土高原呈散點狀分布,開展大區(qū)域攔沙淤積調(diào)查工作量較大,且快速、準確獲取攔沙淤積的監(jiān)測方法還是一個難點,目前關(guān)于大區(qū)域淤地壩淤積過程和逐年淤積量的監(jiān)測資料少之又少。因此,總結(jié)分析淤地壩攔沙淤積監(jiān)測現(xiàn)狀,探索研究攔沙淤積監(jiān)測新技術(shù)新方法,對黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)具有重要意義。為此,本文系統(tǒng)分析和梳理了黃土高原地區(qū)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測中的存在問題,并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)提出了新時期適合淤地壩攔沙淤積的遙感監(jiān)測方法,以期為黃土高原地區(qū)科學(xué)開展淤地壩攔沙淤積監(jiān)測提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 淤地壩攔沙淤積監(jiān)測存在問題

2.1 攔沙淤積實測數(shù)據(jù)有限,不能滿足科研和生產(chǎn)需要

自1990年代以來,淤地壩一直是水土保持研究的重要課題。歷史上,黃土高原地區(qū)大規(guī)模的淤地壩調(diào)查主要有1989年陜北淤地壩調(diào)查、黃河上中游管理局組織實施的黃土高原地區(qū)水保措施調(diào)查(截至1999年),2011年全國水利普查骨干壩普查等,分別通過人工調(diào)查的方法獲取了截止相應(yīng)年份的淤地壩數(shù)量、分布和淤積情況等。此外,2015年延安市、2016年鄂爾多斯市、2012年和2016年寧夏回族自治區(qū)等也曾分別對境內(nèi)相關(guān)市縣進行了淤地壩調(diào)查,相關(guān)數(shù)據(jù)對分析淤地壩攔沙效益、區(qū)域土壤侵蝕、泥沙來源等起到關(guān)鍵支撐作用[19-20]。但因黃土高原淤地壩數(shù)量眾多,每次調(diào)查范圍有限,且難以每年對其攔沙量進行調(diào)查,目前已獲得的淤地壩攔沙量都是累計到調(diào)查年份的淤積量,關(guān)于淤地壩次降雨或逐年攔沙量的數(shù)據(jù)更是少之又少[21]。在黃河水沙變化具有時段特征的情況下,分析次/逐年的攔沙量特征對建立小流域產(chǎn)沙模型和揭示環(huán)境變化的侵蝕泥沙響應(yīng)尤為重要。因此,相對黃土高原眾多淤地壩的規(guī)模和運行情況,現(xiàn)有調(diào)查成果的范圍、內(nèi)容、時效等遠遠不能滿足科研與生產(chǎn)活動的需要。

2.2 監(jiān)測方法不適于大面積推廣且精度較低

目前淤地壩攔沙淤積量獲取方法主要可分為兩大類:①推算法。常見的方法主要有放射性核素137Cs示蹤技術(shù)[22]、數(shù)學(xué)建模[21]、泥沙淤積體概化模型[23]、水文比擬法估算[24]或典型淤地壩調(diào)查等[25]。張信寶等[26]利用放射性核素137Cs示蹤技術(shù)和黏粒含量變化,估算了黃土丘陵區(qū)云臺山溝小流域淤地壩1960—1970年年均產(chǎn)沙模數(shù)為12 696 t/(km2·a),該技術(shù)能夠獲取暴雨場次的淤積量,但受地表環(huán)境中137Cs元素沉降的影響,更適用于獲取1963年以后新建壩的歷史淤積數(shù)據(jù)[22],同時137Cs存在量計算時背景值的采樣點的條件比較苛刻,對結(jié)果影響較大。在建模方法中,有研究通過基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法,建立降雨資料和淤積信息的對應(yīng)關(guān)系,進行攔沙淤積預(yù)測和模擬[21];楊吉山等人[27]通過引入壩控流域面積、平均侵蝕強度、攔沙率等因素建立了淤地壩逐年攔沙量計算公式,獲取了清水河流域1971—2012年淤地壩的逐年攔沙量。這些方法多數(shù)基于某種理想的均一條件假設(shè)進行的推算分析,且需要有較為詳細的降雨、流域水文站實測泥沙資料等,計算結(jié)果與實際值有一定偏差,實際應(yīng)用中受地域、基礎(chǔ)資料等條件限制。②實測法。通過人工野外調(diào)查淤積剖面或淤積高度/高程、淤積面積等,計算分析攔沙淤積量。在科學(xué)研究中,應(yīng)用較多的有利用壩庫中泥沙的沉積旋迴層,區(qū)分每次侵蝕產(chǎn)沙事件的淤積厚度進而獲得攔沙淤積量。該方法可以獲取次侵蝕性降雨的產(chǎn)沙信息,結(jié)合降雨資料,可定量研究流域土壤侵蝕機理和壩地沉積物組成,但該方法要求采樣者有較為豐富的經(jīng)驗,受主觀性影響較大[28]。在實際生產(chǎn)中,應(yīng)用較為廣泛的是壩高—庫容曲線法,利用差分GPS技術(shù)或者全站儀實測淤積面實際高程,查找設(shè)計文件中的壩高—庫容曲線確定淤積量[29-30],在庫容曲線缺失時,也可以利用壩控范圍內(nèi)的1∶10 000地形圖重構(gòu)淤地壩庫容曲線。此外也有人們通過布設(shè)監(jiān)測標尺以獲取當年的淤積厚度與淤積量,但無法獲取歷史數(shù)據(jù)。

有研究[23]表明實測法相較通過放射性核素、淤積體概化等推算法獲取的攔沙淤積量更為可靠,魏艷紅等[31]利用差分GPS技術(shù)或者全站儀得到淤積高程,并結(jié)合大比例尺地形圖獲取攔沙淤積量,被認為是估算淤地壩泥沙淤積量較為準確成熟的方法,應(yīng)用較多。但在大力推進生態(tài)文明建設(shè)的新形勢下,淤地壩攔沙淤積量逐年減小,每年或次降雨淤積厚度可能為厘米級甚至毫米級,我們基于1∶10 000地形圖建立的庫容曲線,高程精度僅為1 m,遠不能滿足監(jiān)測需求。因此通過總結(jié)發(fā)現(xiàn),目前方法獲取的泥沙精度相對較低,且多用于科學(xué)研究和小流域尺度,在宏觀尺度上展開調(diào)查通常耗費大量人力物力,效率較低,對宏觀尺度的淤積調(diào)查支撐不足,不適宜大范圍生產(chǎn)推廣。

3 淤地壩攔沙淤積遙感監(jiān)測

近年來,隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)、計算機處理技術(shù)的快速發(fā)展,無人機航空遙感和航天遙感技術(shù)為解決淤地壩傳統(tǒng)淤積監(jiān)測方法精度低、效率低、大區(qū)域調(diào)查難以推廣等問題提供了可能。從廣義的角度講,淤地壩攔沙淤積過程,是地表形變的一種,目前,礦區(qū)沉降、滑坡、大壩變形等地表形變監(jiān)測采用的遙感技術(shù)主要有無人機傾斜攝影、無人機載LiDAR和INSAR技術(shù)等,通過監(jiān)測高程變化進而分析地表變形的空間特征。因此,本文借鑒地表形變常用遙感監(jiān)測方法,重點分析遙感技術(shù)在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測中應(yīng)用的原理、關(guān)鍵影響因素,對比分析傳統(tǒng)無人機正射測量、無人機傾斜攝影、無人機載LiDAR和衛(wèi)星合成孔徑雷達差分干涉(DInSAR)等測量方法的監(jiān)測精度、工作量和可行性等,針對淤地壩攔沙淤積不同監(jiān)測需求,探索可復(fù)制可推廣的遙感監(jiān)測方法。

3.1 攔沙淤積遙感監(jiān)測方法與關(guān)鍵影響因素

3.1.1 攔沙淤積遙感監(jiān)測方法 淤地壩攔沙淤積量的獲取主要基于淤地壩淤積區(qū)域內(nèi)多期高精度數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、DEM等測量成果,通過DOM勾繪淤地壩淤積體范圍,對淤積體范圍內(nèi)多期DEM數(shù)據(jù)進行疊加求差運算,生成淤積體數(shù)字高程變化模型,從而精確獲取每座壩攔沙淤積量。因此,DOM地面像元分辨率和DEM高程精度是影響攔沙量精度的主要指標。目前,根據(jù)無人機航攝技術(shù),水平平面精度可達到厘米或毫米級,能夠滿足監(jiān)測精度需求,因此,如何提高航測高程精度成為準確計算攔沙淤積的關(guān)鍵[32]。

3.1.2 影響遙感監(jiān)測的關(guān)鍵因素

(1)植被、水域等地表要素。淤地壩通過攔截泥沙形成壩內(nèi)淤積區(qū),由于淤積區(qū)內(nèi)地勢相對平整,水肥條件優(yōu)越,通常建成短期內(nèi)即可恢復(fù)植物生長。通過遙感手段獲取的第一手影像成果為數(shù)字地表模型(digital surface model,DSM),通常是包含植被、地表建筑物和移動物體等非地面數(shù)據(jù)的高程模型,需進行非地面數(shù)據(jù)剔除才可生成DEM。目前,DSM生成DEM一直是一個難點,尤其植被因素的剔除,傳統(tǒng)方法是人工識別植被覆蓋區(qū)域,然后從DSM的高程中減掉與植被類型無關(guān)的均勻植被高度偏差,但植被的高度不是完全均勻,這一過程既增加了工作量,又降低了DSM精度,對攔沙淤積量的計算影響較大;另外,在黃土高原地區(qū)淤地壩不宜長期蓄水但確有蓄水需求的地區(qū)[33],在非汛期有蓄水情況,且新建成淤地壩中,低于放水建筑物的淤積區(qū),即“死庫容”會存在一定水量,由于水面掩蓋淤積面而無法開展無人機監(jiān)測。因此,如何排除植被、水域等影響是遙感監(jiān)測需要考慮的關(guān)鍵因素。

(2)精度要求較高,且重點關(guān)注相對精度。黃土高原地區(qū)降雨年際變化大,年內(nèi)分布不均,多集中于汛期,且以暴雨形式為主,攔沙淤積多發(fā)生在少數(shù)的幾場暴雨中,多數(shù)降雨不會產(chǎn)沙或少量產(chǎn)沙,因而淤地壩攔沙淤積厚度會波動在毫米至米之間[34]。魏艷紅等[35]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)延河流域典型壩2014—2016年年淤積厚度在0.2～2.5 cm之間;另外,根據(jù)2016年鄂爾多斯地區(qū)淤地壩攔沙效益調(diào)查結(jié)果,現(xiàn)狀淤地壩(建壩10 a內(nèi))年均淤積厚度為14.36 cm,其中年均淤積厚度20 cm以內(nèi)的淤地壩數(shù)量占到74.97%,10 cm以內(nèi)的占到49.93%。因此,綜合考慮年均和最小淤積厚度,淤地壩攔沙淤積高程方向精度應(yīng)達到厘米級。目前,國家現(xiàn)行比例尺成圖精度要求最高為1∶500,DOM精度要求為30 cm,高程1級精度平地為20 cm,可見攔沙淤積監(jiān)測要求的精度高于國家現(xiàn)行比例尺的最高精度要求。此外,在精度方面,大多數(shù)DEM評估都關(guān)注絕對垂直精度,將建模的高程與相對于已建立的垂直基準(地理參考)的真實高程相關(guān)聯(lián),但在淤地壩淤積厚度監(jiān)測中,主要通過兩期DEM的高程差獲取,更多關(guān)注高程的相對精度,在實際監(jiān)測工作中,可根據(jù)不同需求適量布設(shè)相控點。

(3)滿足“技術(shù)可行,經(jīng)濟合理”的總原則。目前,通過遙感手段開展淤地壩攔沙淤積監(jiān)測尚處于技術(shù)探索階段,相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段,具有省時省力的優(yōu)勢,但同時成本、技術(shù)要求也較高。此外,不同遙感監(jiān)測手段獲取的數(shù)據(jù)類型、精度、經(jīng)濟成本等不同,因此,應(yīng)根據(jù)淤積監(jiān)測需求選擇科學(xué)、合理的遙感監(jiān)測手段,在技術(shù)上可行,經(jīng)濟上合理。

3.2 不同遙感監(jiān)測方法對比分析

3.2.1 無人機正射測量 低空無人機正射測量是由飛行平臺搭載相機對測區(qū)進行垂直攝影,通過單一垂直影像數(shù)據(jù)生成DOM,DSM等測繪產(chǎn)品,并制作數(shù)字高程模型DEM,具有方便靈活、操作簡單、作業(yè)成本低的優(yōu)勢。目前,無人機正射測量已在國民經(jīng)濟不同的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[36],由于其能獲取高分辨率的DOM光學(xué)影像,平面精度通常可達到厘米級,紋理信息豐富,因而應(yīng)用主要集中在農(nóng)業(yè)、林草業(yè)、電力、自然災(zāi)害、水利等地表活動監(jiān)測。但在應(yīng)用時,受測區(qū)地形條件、無人機飛行姿態(tài)、設(shè)備性能、控制點布設(shè)等因素影響,獲取的DEM高程精度通常難以保證,結(jié)果差異較大[37],且生成DEM成果時受植被干擾較大,高程精度偏低,優(yōu)于1∶500的DEM數(shù)據(jù),最高的垂直精度為0.1 m左右。在外界控制條件相對理想的情況下,高程平均誤差能達到±(0.05～0.2)m[38]。

3.2.2 無人機傾斜攝影測量 無人機傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多鏡頭相機,在飛行過程中從垂直、傾斜等多個角度同時采集影像,通過內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等處理獲得具有地物全方位信息數(shù)據(jù)的技術(shù),可同時獲得DOM,DSM和實景三維建模數(shù)據(jù)等。相較傳統(tǒng)無人機正射測量,傾斜攝影技術(shù)由于采集影像多角度、高重疊度,有更加豐富的側(cè)面紋理信息,因而在真三維模型制作和高程精度提升方面凸顯優(yōu)勢,且后期處理軟件相對較為成熟,可兼容大型固定翼飛機、大中小型無人機、街景車、手持式數(shù)碼相機等各種硬件采集的數(shù)據(jù)源,具有高性價比、高精度、高效率等優(yōu)勢,但同樣在生成DEM成果時無法排除植被因素的影響。目前國內(nèi)傾

斜攝影測量技術(shù)仍處于快速發(fā)展的推廣階段,初期主要應(yīng)用在智慧城市、城市規(guī)劃、國土資源等方面[36],近年來逐漸在廢棄礦山、土方量等有所應(yīng)用,但淤地壩攔沙淤積測量中還未見報道。已有的研究表明在實際應(yīng)用中傾斜攝影技術(shù)高程精度可達到0.06 m左右[39]。有研究對比分析了傳統(tǒng)正射模式與五鏡頭傾斜攝影測量在是否使用機載PPK、地面控制點及其密集程度等不同模式下的高程精度發(fā)現(xiàn),在嚴格統(tǒng)一的外部數(shù)據(jù)采集條件和參數(shù)基礎(chǔ)上,傾斜攝影的高程精度相較傳統(tǒng)的低空正射模式可提高0.23%～97.83%,絕對定位精度能達到亞米級[40]。

3.2.3 無人機載LiDAR 無人機機載LiDAR是將無人機與激光雷達技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合形成無人機載LiDAR系統(tǒng),通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)實時獲取對象表面點的高精度三維坐標數(shù)據(jù),形成高密度點云數(shù)據(jù),經(jīng)過濾波和地面點插值形成DSM和DEM,反映地表空間的變化。該技術(shù)已在礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測、大壩變形、城鎮(zhèn)規(guī)劃、事故調(diào)查、林業(yè)調(diào)查、國土資源調(diào)查等方面有所應(yīng)用。它的優(yōu)點是能穿透植被縫隙獲取高密集地表點云數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)獲取效率高,產(chǎn)品生產(chǎn)周期短,相對測繪型無人機精度更高,但無法同時獲取DOM數(shù)據(jù),難以表達目標表面的紋理信息,且技術(shù)費用相對昂貴,在大區(qū)域應(yīng)用中存在局限;目前對點云的后處理過程基本是基于現(xiàn)有的商業(yè)軟件,對于地形復(fù)雜獲取的海量點云數(shù)據(jù)處理過程中,濾波方法和模型去噪等還不是很成熟,使得處理過程中DEM包含顯著誤差,耗時較大,限制了實際應(yīng)用[41]。根據(jù)《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范(CH/T8024-2011)》在1∶500比例尺丘陵區(qū)高程中誤差為0.4 m,但在實際應(yīng)用中,隨著無人機飛行穩(wěn)定性、設(shè)備性能的提高,高程精度可達到0.03 m左右[42]。張永庭等[43]采用無人機機載LiDAR監(jiān)測技術(shù)獲取寧東煤炭基地馬蓮臺煤礦采煤沉陷區(qū)點云數(shù)據(jù),通過水準測量標志點和GPS自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析,點云數(shù)據(jù)平均誤差分別為0.044 3和0.043 4 m。湯伏全等[44]人對比分析不同激光點云的礦區(qū)沉陷建模方法,發(fā)現(xiàn)專業(yè)化數(shù)字高程模型插值及三角網(wǎng)漸進加密濾波算法的效果相對較優(yōu),獲取的DEM高程誤差標準差分別為0.046和0.013 m。

3.2.4 衛(wèi)星合成孔徑雷達干涉(InSAR)測量 InSAR

技術(shù)是利用同一地區(qū)不同時相的SAR影像,通過差分干涉獲取該地區(qū)地表形變信息的技術(shù)手段。該技術(shù)具有覆蓋面廣、垂向精度高、可回溯和實時動態(tài)監(jiān)測地表變形的能力,在我國應(yīng)用起步較晚,目前多應(yīng)用于地面沉降、滑坡、壩體變形等原地表形變的監(jiān)測,精度可達到毫米級。應(yīng)用效果取決于諸多因素,主要包括:SAR影像空間分辨率、影像數(shù)量及時間采樣頻率、雷達波長、監(jiān)測區(qū)地物特征等,受這些因素影響,在利用SAR影像進行干涉處理時,易產(chǎn)生失相干現(xiàn)象,如無法得到地表沉陷盆地內(nèi)大梯度變形信息。一些學(xué)者采用偏移量追蹤技術(shù)(offset tracing)雖然有助于解決上述問題,但所需的高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)獲取成本高,難以推廣應(yīng)用。黃土高原地區(qū)淤地壩大區(qū)域點狀分布特征顯著,由于InSAR技術(shù)的覆蓋面廣和可回溯性等在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測中具有的較大優(yōu)勢,但目前由于淤積區(qū)原地表覆沙、植被生長等會引起空間失相干及InSAR自身成像條件受大氣效應(yīng)、時間失相關(guān)和空間失相關(guān)影響的苛刻性,在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測應(yīng)用存在局限,尚未開展。隨著SAR衛(wèi)星及傳感器的迭代更新及InSAR技術(shù)方法的不斷發(fā)展,其在淤地壩攔沙淤積監(jiān)測可能會實現(xiàn)并發(fā)揮突出作用,是未來發(fā)展較好的方向。

4 不同淤地壩遙感監(jiān)測方法應(yīng)用場景

通過以上分析可知,不同的遙感監(jiān)測方法在成果形式、監(jiān)測精度、工作量和經(jīng)濟成本等方面具有較大差異,基于目前淤地壩攔沙淤積監(jiān)測的不同需求,提出每種監(jiān)測手段適宜的應(yīng)用場景。

(1)無人機正射測量方式適宜大區(qū)域范圍內(nèi)精度要求較低的淤地壩攔沙淤積量普查,如新一輪全國水利普查、各省區(qū)階段性典型淤地壩攔沙淤積普查等,該項工作由于調(diào)查區(qū)域面積大,且主要針對一定時期內(nèi)累計攔沙淤積量,精度要求相對較低,可選擇傳統(tǒng)無人機正射測量,通過獲取平均淤積高程,查庫容曲線方法,或?qū)Ρ缺镜譊EM數(shù)據(jù)獲取攔沙淤積量。

(2)無人機傾斜攝影技術(shù)方法適宜精度要求較高,重點關(guān)注年或次攔沙淤積量,監(jiān)測成果要求更豐富的應(yīng)用情形,如水行政主管部門開展的淤地壩安全運行管理、淤地壩重點工程攔沙淤積調(diào)查或數(shù)字孿生流域中淤地壩相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化等。在這些工作中,無人機傾斜攝影可以對當前淤地壩和淤積區(qū)實現(xiàn)全角度的數(shù)據(jù)采集,不僅可以從宏觀角度對淤積量進行分析,同時也可以從局部角度出發(fā),掌握淤地壩運行,消除傳統(tǒng)測繪技術(shù)下測繪結(jié)果的局限性,展示淤地壩三維真實場景。

(3)無人機LiDAR相較無人機航空攝影測量精度更高,外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率更高,且具有穿透植被的優(yōu)勢,但相對經(jīng)濟成本較高,適宜有更高精度要求,關(guān)注年或次攔沙淤積量,且植被生長較為茂盛地區(qū)的典型淤地壩攔沙淤積測量。如淤地壩攔沙淤積暴雨應(yīng)急調(diào)查評估、植被茂盛區(qū)典型壩調(diào)查等。

(4)在實際工作中,建議根據(jù)不同監(jiān)測需求和條件,將淤地壩攔沙淤積遙感測量與傳統(tǒng)方法,如斷面測量、標尺等方法的結(jié)合,通過天空地一體化手段更好地發(fā)揮遙感監(jiān)測的作用。

5 結(jié)論

探索淤地壩攔沙淤積監(jiān)測高新技術(shù)是推動淤地壩監(jiān)測的重要工作。相對傳統(tǒng)淤地壩攔沙淤積監(jiān)測手段,遙感測量技術(shù)具有高精度、高時效性、安全可控、機動靈活等優(yōu)勢,可滿足不同精度和監(jiān)測需求的淤地壩攔沙淤積監(jiān)測,是未來淤地壩攔沙淤積測量應(yīng)用技術(shù)的重要發(fā)展方向,對黃土高原淤地壩攔沙效益發(fā)揮和水土流失治理具有重要意義。隨著水利信息化與遙感技術(shù)的發(fā)展,水保相關(guān)部門(機構(gòu))應(yīng)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支撐下,積極試行無人機遙感、航空遙感等新技術(shù)、新方法在黃土高原淤地壩攔沙淤積監(jiān)測中的推廣應(yīng)用。筆者認為無人機正射測量方法可在精度要求較低的大區(qū)域范圍淤地壩攔沙淤積普查中推廣應(yīng)用;無人機傾斜攝影技術(shù)方法適宜在精度要求較高、重點關(guān)注年或次攔沙淤積量、監(jiān)測成果要求更豐富的攔沙淤積調(diào)查中推廣應(yīng)用;無人機LiDAR適宜有更高精度要求(高程精度優(yōu)于0.05 m),可開展年或次攔沙淤積量,且植被生長較為茂盛地區(qū)典型淤地壩攔沙淤積調(diào)查中推廣應(yīng)用。通過攔沙淤積不同遙感監(jiān)測高新技術(shù)的大力推廣可為黃河流域水沙關(guān)系提供更為準確的攔沙量數(shù)據(jù),助力黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。