基于无人机倾斜摄影技术的公路路基两侧积沙变化及沙害特征研究

张易辰 吕乐乐 吴永祥 罗廷赤 王福银

（1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司,宁夏 银川 750001；2.兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070；3.宁夏公路管理中心,宁夏 银川 750001；4.宁夏公路数字信息化工程技术研究中心,宁夏 银川 750001）

在沙漠地区，风途经疏松的沙质表面时，其固有的搬运能力将沙粒吹动或吹起，造成风沙运动，产生风沙流[1]。沙漠地区公路面临的主要问题是风沙流作用下线路两侧发生积沙堆积和吹蚀，产生沙埋和路基风蚀，严重影响公路交通安全和养护维修工作[2]。

随着我国公路建设不断向沙漠腹地深入，风沙运动对公路的危害问题愈加突出，对此众多学者对沙漠公路地区的风沙运动及其沙害进行了深入的研究。1958年，兹纳门斯基出版了《沙地风蚀过程的实验研究和沙堆防止问题》，并将其率先用于公路防治沙害，标志着风沙运动的理论研究逐步迈入实际应用。1981年，吴正、彭世古等编著了我国首部沙漠地区公路工程专著《沙漠地区公路工程》，对中华人民共和国成立以来30余年的沙漠地区公路建设成果进行系统总结，为沙漠地区公路沙害研究奠定了基础。1997年，董治宝等建立了风况资料与野外观测相结合的研究方法，分析了塔里木石油公路风沙危害的形成。随后，国内众多学者依据风况资料与实地观测，对沙漠地区公路风沙运动与沙害进行了深入研究。其中，张登山等（2016）[3]以青海湖东克土沙区为研究地，从起沙风、输沙势等方面反映环湖东路的风沙运动强度。韩致文等（2005）[4]利用塔克拉玛干沙漠公路沿线三个气象站的数据进行分析，对塔克拉玛干沙漠公路沿线风沙运动的时空特征进行了研究。陈红等（2015）[5]基于塔克拉玛干沙漠东南缘的风况数据和野外观测的积沙蚀积数据分析，对区域内风沙运动进行了研究。但由于沙漠地区范围大，地形随时间变化频繁，且实地人工测量工作量大、周期长、精确度低，所测数据不能准确地反映研究区的实际情况。

无人机倾斜摄影测量技术是测绘遥感领域近几年发展起来的一项高新技术，以大范围、高精度、高清晰度的方式全面感知复杂场景。通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果，直观反映地物的外观、位置、高度等属性，保证精度的同时提升生产效率,可以获取更多类型的测绘成果，在数字化成果应用方面具有较好的前景。相对传统人工测量，具有外业采集效率高、作业成本低、作业灵活等优点，因此很多学者通过无人机倾斜摄影技术定期采集数字影像，对沙漠地区进行研究。其中，钱广强等（2019）[6]借助无人机倾斜摄影技术，实现了对新月形沙丘群三维形态的精确测量，满足了大比例尺地形测量的要求；李锦荣等（2021）[7]以乌兰和布沙漠沿黄段沙丘为研究对象，应用无人机航拍技术对沙丘的移动速度及其影响因素进行了解析；孔霄等（2020）[8]通过无人机倾斜摄影对别里库姆沙漠进行航拍，分析得到了回涡沙丘的形态特征与空间分布特征。

因此，本文以乌玛高速公路腾格里沙漠腹地路基试验段为研究对象，基于无人机倾斜摄影技术和气象站数据，研究沙丘远近不同时路基两侧的积沙变化，并对线路沙害特征及成因进行分析，研究结果可为沙漠地区公路选线和沙害防治提供参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于腾格里沙漠腹地，乌玛高速公路正线K171+800区段附近修建的一条试验段公路（见图1），无防护体系，全长500 m，线路走向大致为西偏南45°，与正线走向基本一致。该区域沙丘分布广泛、沙源充足、植被稀少、风沙运动频繁，路基两侧及表面存在多处积沙。

图1 乌玛高速试验段位置

1.2 风况数据来源

本文气象数据来源于乌玛高速试验段设置的全自动气象仪，观测高度为2.5 m，采集频率为5 min/次，用于监测风向、风速、降水、气温等气象数据，并建立气象数字管理平台，对数据进行收集和整理（见图2）。选择2020年8月至2021年8月的气象数据，以对应积沙数据进行后续分析。

图2 全自动气象仪及气象数字管理平台

1.3 积沙数据来源

本文积沙数据来自乌玛高速试验段的无人机倾斜摄影，为保证数据及时、准确，根据项目特点，航测选用多旋翼无人机（大疆M300RTK）与垂直起降式固定翼无人机Q10（见图3）结合飞行的方式进行项目数字地形采集。项目处于沙漠地区，飞行区域面积较大，且早晚天气变化剧烈，能够提供飞行的时间有限，为提高飞行效率，针对本项目选用的赛尔镜头和睿博镜头（见图4）依据相机像素及相机特点，精确计算该镜头下航线高度，有效保证航拍效率，同时保证影像数据精确。

图3 航测选用无人机

图4 无人机镜头

软件方面，采用Pix4D与Context Capture，配合生成倾斜摄影模型[9]（见图5），选取2020年8月初到2021年7月末的倾斜摄影数据，并从中剔除测量范围不完整、成像较差的数据，最终保留2020年8月初、10月、12月，以及2021年5月、7月底的倾斜摄影数据，分别作为2020年夏季至2021年夏季的积沙数据来源[10]。

图5 倾斜摄影模型

1.4 路基典型断面选取

为获得公路路基两侧的积沙数据，根据不同季节的无人机倾斜摄影数据，在直线段选取距沙丘不同距离的5个有沙害和1个无沙害路基断面，以1984世界大地测量系统（world geodetic system 1984，WGS-84）为统一坐标系，以垂直于线路方向分别提取路基两侧50 m范围内的积沙高程，断面位置如表1和图6所示。

表1 路基断面位置

图6 路基断面位置示意图

2 风沙环境特征

2.1 起沙风

风是引起风沙运动的主要动因，当风速逐渐增大到沙粒的起动风速时，地表沙粒才会开始脱离静止状态而进入运动状态，形成风沙运动。腾格里沙漠起沙风速为5 m/s[11]，以3月—5月为春季，6月—8月为夏季，9月—11月为春季，12月—次年2月为冬季，对风速风向数据整理分析得到起沙风玫瑰图（见图7）。

由图7可知，全年区域起沙风以西北风为主，东南风和西南风次之。风速以春季和夏季最为强劲，冬季次之，秋季最弱。春季起沙风向主要以NNW和SW为主，占该季节总起沙风的26%，SE次之，占该季节总起沙风的18%；夏季起沙风向主要以ESE为主，占该季节总起沙风的21.3%，北风次之，占该季节总起沙风的14.3%；秋季起沙风向以SW为主，占该季节总起沙风的一半以上；冬季起沙风主要以WNW和NNW为主，占该季节总起沙风的67.3%。

图7 起沙风玫瑰图

2.2 输沙势

输沙势是衡量区域风沙运动强度及风沙地貌演变的重要指标，表示潜在的输沙能力。依据Fryberger提出的输沙势方程进行计算，绘制全年和各季节的输沙势玫瑰图（见图8）。

由图8可知，全年区域合成输沙势为40.57 VU，合成输沙方向RDD为120.57°，表明沙物质从西北向东南方向输送移动。各季节合成输沙势以春季最大，为32.04 VU，方向114.60°，沙物质从西北向东南方向输送；冬季和夏季次之，分别为22.77 VU和19.94 VU，方向分别为124.99°和298.27°，分别向西北和东南方向输沙；秋季最小，为3.69 VU，方向50.01°，向东北方向输沙。根据Fryberger提出的通过方向变率(RDP/DP)划分风况的方法[12]，对四个季节的风况进行划分，秋季和冬季在0.3～0.8之间，属于钝双峰型或锐双峰型；春季和夏季最小(＜0.3)，属于复杂或钝双峰型。

3 远沙丘路基两侧积沙变化及沙害

3.1 远沙丘路基两侧积沙变化

路基断面1两侧积沙变化情况如图9所示，路基两侧是一片向下凹陷的沙地。可以看出，随着时间的推移，路基迎风侧沙地和路基边坡堆积的积沙变化具有明显的季节性特征。秋季虽然风速很小，但由于西南方向沙源稀少，风沙流很难达到饱和，积沙厚度整体减少约3 m，在路基边坡及坡脚处较小，仅减少10 cm；春冬两季风速较大，且西北方向由于沙丘的存在而沙源充足，风沙流在凹陷沙地容易达到饱和[13]，积沙厚度逐渐增加，但变化幅度较小，厚度整体增加约2.5 m，在路基边坡及坡脚处增加20～45 cm；夏季风速较大，东南方向的风沙流在路基左侧形成减速沉降区[14]，积沙厚度增加20～40 cm，在路面产生积沙，厚度约为20 cm。背风侧积沙变化情况与迎风侧略有不同，主要表现为夏季积沙厚度减少，其他季节厚度逐渐增加，但路基边坡及坡脚积沙变化程度很小。

图9 路基断面1两侧积沙变化

3.2 远沙丘路基两侧沙害分析

由远沙丘路基两侧积沙变化可知，迎风侧边坡及坡脚处积沙缓慢堆积，直至夏季堆积至路面，而背风侧积沙蚀积程度相对较小，因此远沙丘路基两侧沙害主要为迎风侧产生的沙埋现象（见图10）。

图10 路基迎风侧沙埋

路基迎风侧积沙堆积是由近地风沙流达到饱和导致的，风沙流是否易饱和主要由沙源情况和风速变化情况决定。其中沙源主要来源于路基迎风侧较远处的沙丘，路基附近风速变化主要取决于凹陷沙地的特征。

为研究不同沙丘和沙地对远沙丘路基迎风侧沙埋的影响，将沙地坡度相同但沙埋程度不同的断面1、断面2、断面3与无沙埋的断面4分为两组（见表2），并对第一组断面的沙埋面积、沙埋量进行测量（见图11），其对比结果如图12、图13所示。

图11 沙埋测量

图12 第一组沙埋面积

图13 第一组沙埋量

表2 各断面沙丘高度及沙地坡度

由第一组测量对比结果可知，在沙地坡度都为1:2条件下，随着沙丘高度减小，迎风侧路面沙埋面积及沙埋量均呈下降趋势。因此，迎风侧沙丘高度对沙埋有较为显著的影响，当沙地坡度一定时，沙丘高度越大，沙埋情况越加严重。

相对于第一组断面，第二组沙丘高度增大1.8～3.3 m，但沙地坡度减小为1:3，对照现场情况（见图14）可以看出，积沙仅堆积到路堑边缘，没有在路面形成沙埋。由此可知，远沙丘路基迎风侧沙地坡度相对于沙丘高度，对沙埋有着更加显著的影响，随着沙地坡度减小，积沙堆积减弱。

图14 第二组积沙

4 近沙丘路基两侧积沙变化及沙害

4.1 近沙丘路基两侧积沙变化

近沙丘路基两侧积沙变化情况如图15所示，沙丘积沙变化为沙丘蚀积并逐渐移动的过程。在路基迎风侧，秋季起沙风主要为西南风，风速较弱，遇到高大沙丘风沙流极易饱和，在沙丘形成堆积，厚度增加3～6 m；春冬两季起沙风主要为西北风，风速较大，风沙流不易饱和，沙丘积沙厚度减少2～3 m的同时向路基移动；夏季起沙风主要为东南风，虽然风速较大，但东南方向沙源充足，风沙流在遇到高大沙丘时容易饱和，在沙丘迎风侧形成堆积。路基背风侧沙丘矮小，积沙变化与背风侧基本一致，但略有不同，具体表现为沙丘蚀积程度较小且往远离路基方向移动。

图15 路基断面6两侧积沙变化

4.2 近沙丘路基两侧沙害分析

由近沙丘路基两侧积沙变化可知，迎风侧沙丘逐渐移动至路面，春季形成少量沙埋，之后夏季东南方向风沙流饱和在沙丘迎风侧堆积，沙埋情况进一步恶化（见图16），而背风侧沙丘逐渐远离路基，且路基边坡及坡脚积沙变化很小，没有造成沙害。

图16 沙埋对比

由此可知迎风侧沙丘特征对沙埋有着十分重要的影响，因此对迎风侧沙丘特征不同的断面5与断面6不同季节的沙埋面积及积沙量进行测量（见图17、图18），研究不同特征沙丘（见表3）对迎风侧沙埋的影响。

图17 路基断面5沙埋测量

图18 路基断面6沙埋测量

表3 沙丘特征参数

图19为两断面沙埋面积及路面积沙量变化，春季沙丘在西北风作用下逐渐向路基移动，由于断面6沙丘略低于断面5，移动速度相对较快[15]，因此在春季断面6形成的沙埋较大，其中沙埋面积达8.8%，路面积沙量达41.7%。

夏季东南方向的风沙流饱和在沙丘迎风侧堆积，由图19可知，沙埋面积及路面积沙量显著增加。断面5（沙丘迎风侧坡度为1:5），沙埋面积增加17.03 m2，增加约138%，沙埋量增加2.7 m3，增加约321%；断面6（沙丘迎风侧坡度为1:2.7），沙埋面积增加27.8 m2，增加约207%，路面积沙量增加13.35 m3，增加约1122%。

图19 不同断面沙埋变化

因此，夏季风沙流饱和产生的沙埋要远大于春冬两季因沙丘移动而产生的沙埋，并且当沙丘迎风侧坡度较大时，沙埋情况更加严重。

5 结论

综上所述，沙漠地区公路与沙丘远近不同时，路基两侧的积沙变化也不同，其沙害特征也不同。本文基于无人机倾斜摄影技术，对乌玛高速试验段路基两侧与沙丘远近不同时的积沙变化及沙害进行分析，得到以下结论。

（1）远沙丘路基迎风侧积沙在秋季减少，其他季节逐渐增加，直至夏季积沙延伸至路面；背风侧积沙在夏季减少，其他季节缓慢增加，路基边坡及坡脚变化极小。

（2）远沙丘路基两侧沙害主要为迎风侧沙埋，当远处沙丘高度越大、沙地坡度越大，沙埋现象越加严重，其中沙地坡度大小对沙埋的影响效果更加显著。

（3）近沙丘路基两侧积沙变化为沙丘的蚀积和移动过程，夏秋两季为积沙增加，春冬两季沙丘在吹蚀的过程中逐渐往东南方向移动。

（4）近沙丘路基两侧沙害为迎风侧沙埋，夏季风沙流饱和产生的沙埋要远大于春冬两季因沙丘移动而产生的沙埋，沙丘高度越小，沙丘迎风侧坡度越大，沙埋情况越严重。