基于无人机影像和三维曲面模拟的淤地坝泥沙量估算

摘要

[目的]淤地坝是黄土高原重要的水土保持工程措施，准确估算淤地坝淤积泥沙量对科学评价其水土保持效益和动态安全具有重要的意义。[方法]本研究提出一种基于无人机高清影像和三维曲面重构技术的淤地坝泥沙估算方法，首先以韭园沟小流域为例，基于无人机影像提取淤地坝地形曲面模型并随机选取30个空沟建立虚拟坝；在此基础上，采用二阶多项式、三阶多项式、平滑样条及二项指数4种方法模拟虚拟坝的纵向沟谷线和横向沟坡线特征并基于空沟地形数据验证方法的可靠性；其次，基于最优重构特征线构成的数字地形网络，采用Hutchinson算法进行空间插值得到淤地坝原始曲面；最后，以淤地坝重构曲面和淤地坝实际参数为参考，通过表面体积模型估算淤地坝的沉积泥沙量。[结果]（1） 4种方法中二项指数精度最高，其纵向和横向沟坡线模拟的均方根误差（RMSE）分别为1.305 m和2.958 m，且R²分别>0.994,0.967。（2）利用Hutchinson空间插值方法得到的30个虚拟坝的模拟三维曲面，与真实曲面相比，模拟的RMSE为1.03 m,R²>0.998;（3）基于该模型估算的30个虚拟坝的泥沙量平均误差率6.54%。[结论]研究提出的技术方法具有较高的精度和可靠性，可快速准确估算黄土高原地区单沟淤地坝沉积泥沙。

关键词

淤地坝 / 三维曲面 / 无人机 / 泥沙体积估算