基于無人機傾斜攝影技術(shù)的公路路基兩側(cè)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(shè)計院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750001；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)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(shù)字信息化工程技術(shù)研究中心,寧夏 銀川 750001）

在沙漠地區(qū)，風(fēng)途經(jīng)疏松的沙質(zhì)表面時，其固有的搬運能力將沙粒吹動或吹起，造成風(fēng)沙運動，產(chǎn)生風(fēng)沙流[1]。沙漠地區(qū)公路面臨的主要問題是風(fēng)沙流作用下線路兩側(cè)發(fā)生積沙堆積和吹蝕，產(chǎn)生沙埋和路基風(fēng)蝕，嚴重影響公路交通安全和養(yǎng)護維修工作[2]。

隨著我國公路建設(shè)不斷向沙漠腹地深入，風(fēng)沙運動對公路的危害問題愈加突出，對此眾多學(xué)者對沙漠公路地區(qū)的風(fēng)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(fēng)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(biāo)志著風(fēng)沙運動的理論研究逐步邁入實際應(yīng)用。1981年，吳正、彭世古等編著了我國首部沙漠地區(qū)公路工程專著《沙漠地區(qū)公路工程》，對中華人民共和國成立以來30余年的沙漠地區(qū)公路建設(shè)成果進行系統(tǒng)總結(jié)，為沙漠地區(qū)公路沙害研究奠定了基礎(chǔ)。1997年，董治寶等建立了風(fēng)況資料與野外觀測相結(jié)合的研究方法，分析了塔里木石油公路風(fēng)沙危害的形成。隨后，國內(nèi)眾多學(xué)者依據(jù)風(fēng)況資料與實地觀測，對沙漠地區(qū)公路風(fēng)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(qū)為研究地，從起沙風(fēng)、輸沙勢等方面反映環(huán)湖東路的風(fēng)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(shù)據(jù)進行分析，對塔克拉瑪干沙漠公路沿線風(fēng)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(fēng)況數(shù)據(jù)和野外觀測的積沙蝕積數(shù)據(jù)分析，對區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙運動進行了研究。但由于沙漠地區(qū)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(shù)據(jù)不能準確地反映研究區(qū)的實際情況。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是測繪遙感領(lǐng)域近幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知復(fù)雜場景。通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)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(chǎn)效率,可以獲取更多類型的測繪成果，在數(shù)字化成果應(yīng)用方面具有較好的前景。相對傳統(tǒng)人工測量，具有外業(yè)采集效率高、作業(yè)成本低、作業(yè)靈活等優(yōu)點，因此很多學(xué)者通過無人機傾斜攝影技術(shù)定期采集數(shù)字影像，對沙漠地區(qū)進行研究。其中，錢廣強等（2019）[6]借助無人機傾斜攝影技術(shù)，實現(xiàn)了對新月形沙丘群三維形態(tài)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(yīng)用無人機航拍技術(shù)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(tài)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(shù)和氣象站數(shù)據(jù)，研究沙丘遠近不同時路基兩側(cè)的積沙變化，并對線路沙害特征及成因進行分析，研究結(jié)果可為沙漠地區(qū)公路選線和沙害防治提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于騰格里沙漠腹地，烏瑪高速公路正線K171+800區(qū)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(qū)域沙丘分布廣泛、沙源充足、植被稀少、風(fēng)沙運動頻繁，路基兩側(cè)及表面存在多處積沙。

圖1 烏瑪高速試驗段位置

1.2 風(fēng)況數(shù)據(jù)來源

本文氣象數(shù)據(jù)來源于烏瑪高速試驗段設(shè)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(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速、降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)，并建立氣象數(shù)字管理平臺，對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，以對應(yīng)積沙數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析。

圖2 全自動氣象儀及氣象數(shù)字管理平臺

1.3 積沙數(shù)據(jù)來源

本文積沙數(shù)據(jù)來自烏瑪高速試驗段的無人機傾斜攝影，為保證數(shù)據(jù)及時、準確，根據(jù)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(jié)合飛行的方式進行項目數(shù)字地形采集。項目處于沙漠地區(qū)，飛行區(qū)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(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并從中剔除測量范圍不完整、成像較差的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，分別作為2020年夏季至2021年夏季的積沙數(shù)據(jù)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(cè)的積沙數(shù)據(jù)，根據(jù)不同季節(jié)的無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)，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(tǒng)（world geodetic system 1984，WGS-84）為統(tǒng)一坐標(biāo)系，以垂直于線路方向分別提取路基兩側(cè)50 m范圍內(nèi)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(fēng)沙環(huán)境特征

2.1 起沙風(fēng)

風(fēng)是引起風(fēng)沙運動的主要動因，當(dāng)風(fēng)速逐漸增大到沙粒的起動風(fēng)速時，地表沙粒才會開始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進入運動狀態(tài)，形成風(fēng)沙運動。騰格里沙漠起沙風(fēng)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(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)整理分析得到起沙風(fēng)玫瑰圖（見圖7）。

由圖7可知，全年區(qū)域起沙風(fēng)以西北風(fēng)為主，東南風(fēng)和西南風(fēng)次之。風(fēng)速以春季和夏季最為強勁，冬季次之，秋季最弱。春季起沙風(fēng)向主要以NNW和SW為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的26%，SE次之，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的18%；夏季起沙風(fēng)向主要以ESE為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的21.3%，北風(fēng)次之，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的14.3%；秋季起沙風(fēng)向以SW為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的一半以上；冬季起沙風(fēng)主要以WNW和NNW為主，占該季節(jié)總起沙風(fēng)的67.3%。

圖7 起沙風(fēng)玫瑰圖

2.2 輸沙勢

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

由圖8可知，全年區(qū)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(zhì)從西北向東南方向輸送移動。各季節(jié)合成輸沙勢以春季最大，為32.04 VU，方向114.60°，沙物質(zhì)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(jù)Fryberger提出的通過方向變率(RDP/DP)劃分風(fēng)況的方法[12]，對四個季節(jié)的風(fēng)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(fù)雜或鈍雙峰型。

3 遠沙丘路基兩側(cè)積沙變化及沙害

3.1 遠沙丘路基兩側(cè)積沙變化

路基斷面1兩側(cè)積沙變化情況如圖9所示，路基兩側(cè)是一片向下凹陷的沙地?？梢钥闯?，隨著時間的推移，路基迎風(fēng)側(cè)沙地和路基邊坡堆積的積沙變化具有明顯的季節(jié)性特征。秋季雖然風(fēng)速很小，但由于西南方向沙源稀少，風(fēng)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(fēng)速較大，且西北方向由于沙丘的存在而沙源充足，風(fēng)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(fēng)速較大，東南方向的風(fēng)沙流在路基左側(cè)形成減速沉降區(qū)[14]，積沙厚度增加20～40 cm，在路面產(chǎn)生積沙，厚度約為20 cm。背風(fēng)側(cè)積沙變化情況與迎風(fēng)側(cè)略有不同，主要表現(xiàn)為夏季積沙厚度減少，其他季節(jié)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(cè)積沙變化

3.2 遠沙丘路基兩側(cè)沙害分析

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

圖10 路基迎風(fēng)側(cè)沙埋

路基迎風(fēng)側(cè)積沙堆積是由近地風(fēng)沙流達到飽和導(dǎo)致的，風(fēng)沙流是否易飽和主要由沙源情況和風(fēng)速變化情況決定。其中沙源主要來源于路基迎風(fēng)側(cè)較遠處的沙丘，路基附近風(fēng)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(fēng)側(cè)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(jié)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(jié)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(fēng)側(cè)路面沙埋面積及沙埋量均呈下降趨勢。因此，迎風(fēng)側(cè)沙丘高度對沙埋有較為顯著的影響，當(dāng)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(xiàn)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(fēng)側(cè)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(cè)積沙變化及沙害

4.1 近沙丘路基兩側(cè)積沙變化

近沙丘路基兩側(cè)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(fēng)側(cè)，秋季起沙風(fēng)主要為西南風(fēng)，風(fēng)速較弱，遇到高大沙丘風(fēng)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(fēng)主要為西北風(fēng)，風(fēng)速較大，風(fēng)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(fēng)主要為東南風(fēng)，雖然風(fēng)速較大，但東南方向沙源充足，風(fēng)沙流在遇到高大沙丘時容易飽和，在沙丘迎風(fēng)側(cè)形成堆積。路基背風(fēng)側(cè)沙丘矮小，積沙變化與背風(fēng)側(cè)基本一致，但略有不同，具體表現(xiàn)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(cè)積沙變化

4.2 近沙丘路基兩側(cè)沙害分析

由近沙丘路基兩側(cè)積沙變化可知，迎風(fēng)側(cè)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(fēng)沙流飽和在沙丘迎風(fēng)側(cè)堆積，沙埋情況進一步惡化（見圖16），而背風(fēng)側(cè)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(fēng)側(cè)沙丘特征對沙埋有著十分重要的影響，因此對迎風(fēng)側(cè)沙丘特征不同的斷面5與斷面6不同季節(jié)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(fēng)側(cè)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(shù)

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(fēng)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(fēng)沙流飽和在沙丘迎風(fēng)側(cè)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(fēng)側(cè)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(fēng)側(cè)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(fēng)沙流飽和產(chǎn)生的沙埋要遠大于春冬兩季因沙丘移動而產(chǎn)生的沙埋，并且當(dāng)沙丘迎風(fēng)側(cè)坡度較大時，沙埋情況更加嚴重。

5 結(jié)論

綜上所述，沙漠地區(qū)公路與沙丘遠近不同時，路基兩側(cè)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(shù)，對烏瑪高速試驗段路基兩側(cè)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(jié)論。

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

（2）遠沙丘路基兩側(cè)沙害主要為迎風(fēng)側(cè)沙埋，當(dāng)遠處沙丘高度越大、沙地坡度越大，沙埋現(xiàn)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(cè)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(cè)沙害為迎風(fēng)側(cè)沙埋，夏季風(fēng)沙流飽和產(chǎn)生的沙埋要遠大于春冬兩季因沙丘移動而產(chǎn)生的沙埋，沙丘高度越小，沙丘迎風(fēng)側(cè)坡度越大，沙埋情況越嚴重。