کاربرد فناوری پهپاد در بررسی تغییرات مورفومتری رودخانه (مطالعه موردی: رودخانه واز، چمستان) | ||
| پژوهشهای دانش زمین | ||
| دوره 15، شماره 2 - شماره پیاپی 58، 1403، صفحه 43-56 اصل مقاله (1.22 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/esrj.2024.104522 | ||
| نویسندگان | ||
| مریم رشیدی1؛ محمدمهدی حسین زاده* 1؛ رضا اسماعیلی2 | ||
| 1گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران | ||
| 2گروه جغرافیا، دانشکده علوم انسانی و اجتماعی، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه فناوری نوظهور و به سرعت در حال تکامل سیستم‌های هوایی بدون سرنشین (UAS) با به دست آوردن دادههای جغرافیایی دقیق مکانی، امکانات جدیدی را برای تحقیق در ژئومورفولوژی ارائه میدهد. ارتفاع پایین پرواز به محققان اجازه میدهد تا تصاویری را در سطوح بالایی از جزئیات به دست آورند که این جزئیات برای تجزیه و تحلیل دقیق اشکال ژئومورفیک رودخانهای ضروری است. تصاویر منطقهای گرفته شده در ارتفاع کم با استفاده از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین تولید مدلهای رقومی ارتفاعی با وضوح بالا را فراهم میکند. این دادهها برای نقشه برداری دقیق و تجزیه و تحلیل مورفومتریک لندفرمهای رودخانه، و تشخیص تغییرات توپوگرافی کوتاه مدت به دلیل فرسایش و رسوب رودخانه مفید هستند. از اوایل دهه 2010، استفاده از پهپادهای مجهز به دوربین RGB بهطور گسترده در ژئومورفولوژی مورد استفاده قرار گرفت. قابلیت عکسبرداری هوایی در ارتفاع پایین و متعاقب آن فتوگرامتری تکنیکهای ساختار حرکتی (structure from motion-sfm) را افزایش داده است. تکنیکهای ساختار حرکتی (sfm) به لطف تشخیص خودکار نقاط اتصال متعدد، تراز خودکار بسیاری از تصاویر (صدها تا هزاران) را امکانپذیر میکند و سپس ابر نقطه متراکم و DEM های شطرنجی تولید میکند. تصاویر مشتق شده از پهپاد، تصاویر هوایی معمولی و تصاویر زمینی معمولاً پلتفرمهایی برای مدلهای سه بعدی توسط SfM هستند. مواد و روشها حوضه آبخیز واز در دامنه شمالی سلسله جبال البرز و در جنوب شهر چمستان واقع شده است که از نظر تقسیمات سیاسی، این حوضه در شهرستان نور از استان مازندران قرار دارد. ابتدا با استفاده از روش کتابخانهای مقالات علمی داخلی و خارجی مطالعه شد تا پیشینه و روشهای مختلف استفاده از پهپاد در مطالعات رودخانهای بررسی شود و چارچوب مطالعاتی تهیه گردد. پس از تصویربرداری، پردازش آن در نرمافزار متاشیپ (Metashape 1.5.5) انجام و تصویر ارتوفتو و مدل ارتفاعی رقومی (DEM) با دقت سانتیمتر جهت تهیه مقاطع عرضی و بررسی خصوصیات مورفومتریک و هیدرولوژیک رودخانه استخراج شد. نتایج و بحث تغییرات عرضی کانال در 2 بازه از رودخانه واز مورد بررسی قرار گرفت. اولین مرحله از تجریه و تحلیل شامل ساخت مدل ارتفاعی براساس خروجی از تصاویر بدست آمده به وسیله پهپاد در محیط نرمافزار متاشیپ با اندازه پیکس 6/4 سانتیمتر است. با استفاده از اندازه‌گیری مقاطع عرضی کانال در دبی لبالبی و دبی لبه کانال، داده‌هایی شامل عرض و عمق کانال فعال، مساحت مقطع عرضی، عمق متوسط، شعاع هیدرولیک و نسبت پهنا به عمق کانال رود را میتوان بدست آورد. این مقادیر میتوانند با دادههای هیدرولیک ترکیب شده تا با استفاده از آن سرعت جریان، دبی، قدرت رود، تنش برشی و سایر پارامترهایی که برای کمی کردن فرایندهای کانال مهم هستند محاسبه شوند. در مقایسه آماری دو بازه در دبی لبه کانال پارامترهای مساحت مقطع عرضی، شعاع هیدرولیک، سرعت جریان، حداکثر و میانگین عمق کانال، نسبت عرض به عمق، عرض کانال مستعد سیلاب، نسبت عمق کانال، دبی و عدد فرود کاهش مقدار این پارامترها در پایین دست نسبت به بالادست شده است اما دو پارامتر تنش برشی و قدرت مخصوص رود افزایش خصوصیات کانال در پایین دست نسبت به بالادست است. در دبی لبالبی کانال، تمامی پارامترها به جز قدرت مخصوص رود مقادیر در بازه دو نسبت به بازه یک کاهشی است اما در پارامتر قدرت مخصوص رود افزایش در پایین دست نسبت به بالادست وجود داشته است. در ادامه پژوهش تغییرات مقاطع عرضی در دو بازه مورد بررسی قرار گرفت. در بالادست به واسطه برداشت شن و ماسه، ایجاد جاده در عرض کانال و ایجاد کانال فرعی، در ترکیب و جنس کرانه راست رودخانه و در پایین دست به واسطه ساخت سیل بند تغییرات ایجاد شده در رژیم جریان و رسوب رودخانه مشاهده شده است. نتیجهگیری دادههای بدست آمده از پهپاد به دلیل دقت بالای هندسی و قدرت تفکیک بالا امکان استخراج دادههای مورفومتری و هیدرولوژیک مرتبط با کانال و نیمرخهای عرضی را فراهم میکند. این دادهها با توجه به دقت بالا میتوانند جایگزین مناسبی برای کارهای میدانی از قبیل نقشه برداری با انواع دوربینها باشد. تصاویر ارتوفتو تهیه شده با استفاده از پهباد امکان شناسایی عوارض و لندفرمهای ژئومورفیک رودخانه را با دقت مناسب فراهم نموده است. براساس مقایسه دادههای بدست آمده در دو بازه از رودخانه واز مشخص گردید که مقاطع مختلف در بالا دست و پایین دست یکسان نیستند و تغییرات در ویژگیهای مورفومتریک باعث تغییر ویژگیهای هیدرولیک از جمله سرعت جریان، تنش برشی و قدرت مخصوص رود شده است. این تفاوت باعث تنوع اشکال ژئومورفیک در بازههای مورد مطالعه شده است | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| تصاویر پهپاد؛ تکنیک sfm؛ تغییرات مورفومتری؛ رودخانه واز | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| The application of drone technology in investigating the morphometric changes of the river (Case study: Vaz river, Chamestan) | ||
| نویسندگان [English] | ||
| maryam rashidi1؛ Mohammadmahdi Hosseinzadeh1؛ Reza Esmaili2 | ||
| 1Department of Physical Geography, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran | ||
| 2Department of Geography, Faculty of Humanities and Social Sciences, Mazandaran University, Babolsar, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction The newly emerging and rapidly evolving technology of Unmanned Aerial Systems (UASs), covering a wide range of devices and enabling photogrammetric applications from user-driven platform, presents new possibilities for research in geomorphology by obtaining spatially accurate geographic data. The low-level altitude of flight allows researchers to obtain imagery at high levels of detail, which is necessary for a detailed analysis of even fine fluvial forms of the dynamic river channels or landslides. After the early 2010s, the use of UAVs equipped with an RGB camera has become widely applied in geomorphology. It has expanded the capability of low-altitude aerial photo shootings and subsequent SfM photogrammetry. The basic principle of SfM photogrammetry is the same as the conventional photogrammetry, but SfM enables automatic alignment of many (hundreds to thousands) images thanks to automated detection of numerous tie-points, and then produces dense point cloud and rasterized DEMs, as well as orthorectified mosaic images. One of the advantages of SfM photogrammetry is its flexibility across camera platforms. conventional aerial images, and ground-based images are commonly used platforms to 3D models by SfM. Materials and Methods The Vaz watershed is located in the northern slope of the Alborz Mountain range and in the south of Chamestan city, which in terms of political divisions, this basin is located in Noor city of Mazandaran province. First, using the library method, international and domaestic scientific literature was studied in order to examine the background and different methods of using UAVs in river studies and to prepare a study framework. After imaging, it was processed in Metashape software (Metashape 1.5.5) and orthophoto image and digital elevation model (DEM) were extracted in centimeters in order to prepare cross-sections and check the morphometric and hydrological characteristics of the river. Results and Discussion The lateral changes of the Vaz River were studied across 2 different sections of the river. The first level of analysis included building an elevation model based on imagery provided by UAVs and processed in Metashape software, with a pixel resolution size of 4.6 centimeters. Through measuring cross sections of the channel at different flows at the edges and bankfull discharge of the channel, data was acquired. This data included active depth and width of the channel, cross sectional areas, average depth, hydraulic radius and width to depth ratio. These data could be combined with hydraulic data to calculate flow velocity, discharge, stream power, shear stress and other parameters which enable the quantification of river processes. In the statistical comparison of 2 reach at channel edge discharge, some parameters such as cross-sectional area, hydraulic radius, flow velocity, maximum and average channel depth, width-to-depth ratio, channel width susceptible to flooding, channel depth ratio, discharge and Froude number, decrease at the downstream section comparing to the upstream section. However, shear stress and specific stream power of the river increase in the downstream. At the bankfull discharge of the channel, all parameters except specific stream power of the river decrease comparing to the 1st section. The specific stream power increases at the 2nd section. Afterwards the research investigated the change in cross sections across the 2 sections. At the upstream, sand mining, road construction across the channel and construction of a secondary channel had changed the composition and material of the right banks of the river. At the downstream, dam construction, had changed the flow and sedimentation regime of the river. Conclusion The data acquired from UAVs enables extraction of relevant morphometric and hydrological data regarding the channel and its transverse sections, due to geometric precision and high resolution. The high precision of this data provides an appropriate alternative for field works such as mapping and surveying with different cameras. Orthophoto images prepared using UAVs have enabled the more accurate identification of geomorphic features and landforms. According to data acquired from the 2 different sections of River Vaz, it was demonstrated that upstream and downstream sections are not similar and variation in morphometric characteristics causes difference in hydraulic characteristics such as flow velocity, shear stress and specific stream power. These varieties have led to different geomorphic forms at the studied sections. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| UAV imagery, SFM technic, Morphometric changes, Vaz river | ||
| مراجع | ||
|
Bangen, S.G., Wheaton, J.M., Bouwes, N., Bouwes, B. and Jordan, C., 2014. A methodological intercomparison of topographic survey techniques for characterizing wadeable streams and rivers, Geomorphology, v. 206, p. 343-361. Brierley, G.L. and Fryirs, K., 2005. Geomorphology and River Management: Application of the River Style framework. Blackwell publishing, UK. 398 p. Dietrich, J.T., 2016. Riverscape mapping with helicopter-based structure-from-motion photogrammetry, Geomorphology, v. 252, p. 144-157. Fonstad, M.A., Dietrich, J.T., Courville, B.C., Jensen, J.L. and Carbonneau, P.E., 2013. Topographic structure from motion: A new development in photogrammetric measurement, Earth Surface Processes and Landforms, v. 38, p. 421-430. Flener, C., Vaaja, M., Jaakkola, A., Krooks, A., Kaartinen, H., Kukko, A., Kasvi, E., Hyyppa, H., Hyyppa, J. and Alho, P., 2013. Seamless mapping of river channels at high resolution using mobile LiDAR and UAV-photography. Remote Sens, v. 5, p. 6382-6407. Hosseinzadeh, M. and Esmaili, R., 2014. River geomorphology, concepts, forms and processes, Shahid Beheshti University Publications, 338 p (In persian). Hugenholtz, C.H., Whitehead, K., Brown, O.W., Barchyn, T.E., Moorman, B.J., LeClair, A., Riddell, K. and Hamilton, T., 2013. Geomorphological mapping with a small unmanned aircraft system (sUAS): Feature detection and accuracy assessment of a photogrammetrically-derived digital terrain model. Geomorphology, v. 194, p. 16-24. Knighton, A.D., 1981. Asymmetry of river channel cross-section: part 1, Quantitative indices, Earth Surface Processes and Landforms, v. 6, p. 581-588. Khairi, A., Hosseinzadeh, M.M. and Sadouq Vanini, S., 2022. The effect of transverse structures (bridges) on river morphology (case study: Jorband village, Chamestan, Mazandaran), Earth Science Research, v. 13(1), p. 150-171 (in Persian). Lejot, J., Delacourt, C., Piégay, H., Fournier, T., Trémélo, M. and Allemand, P., 2007. Very high spatial resolution imagery for channel bathymetry and topography from an unmanned mapping controlled platform. Earth Surf. Process. Landforms, v. 32, p. 1705-1725. Milne, J.A., 1983. Variation in cross-sectional asymmetry of coarse bedload river channels, Earth Surface Processes and Landforms, v. 8, p. 503-511. Miřijovský, J., Michalková, M.Š., Petyniak, O., Máčka, Z. and Trizna, M., 2015. Spatiotemporal evolution of a unique preserved meandering system in Central Europe the Morava River near Litovel. Catena, v. 127, p. 300-311. Nex, F. and Remondino, F., 2014. UAV for 3D mapping applications: A review. Applied Geomatics, v. 6, p. 1-15. Oguchi, T., Hayakawa, Y.S. and Wasklewicz, T., 2022. Remote Data in Fluvial Geomorphology: Characteristics and Applications, Treatise on Geomorphology, v. 6, p. 1116-1141. Passalacqua, P., Belmont, P., Staley, D.M., Simley, J.D., Arrowsmith, J.R., Bode, C.A., Crosby, C., DeLong, S.B., Glenn, N.F., Kelly, S.A., Lague, D., Sangireddy, H., Schaffrath, K., Tarboton, D.G., Wasklewicz, T. and Wheaton, J.M., 2015. Analyzing high resolution topography for advancing the understanding of mass and energy transfer through landscapes: A review. Earth-Science Reviews, v. 148, p. 174-193. Rayburg, S.C. and Neave, M., 2008. Assessing morphological complexity and diversity in river systems using three-dimensional asymmetry indices for bed elements, bedforms and bar units. River Research and Applications, v. 24, p. 1343-1361. doi:10.1002/rra.1096. Roy, S. and Sahu, A.S., 2018. Potential interaction between transport and stream networks over the lowland rivers in Eastern India, Journal of Environmental Management, v. 197, p. 316-330. Sofia, G., 2020. Combining geomorphometry, feature extraction techniques and Earth-surface processes research: The way forward. Geomorphology, v. 355, Doi: 10.1016/j.geomorph.2020.107055 Wyrick, J.R., Senter, A.E. and Pasternack, G.B., 2014. Revealing the natural complexity of Fluvial morphology through 2D hydrodynamic delineation of river landforms, Geomorphology, v. 210, p. 14-22. Westoby, M.J., Brasington, J., Glasser, N.F., Hambrey, M.J. and Reynolds, J.M., 2012. Structure from-motion photogrammetry: A low-cost, effective tool for geoscience applications, Geomorphology, v. 179, p. 300-314. Woodget, A.S., Carbonneau, P.E., Visser, F. and Maddock, I.P., 2014. Quantifying submerged fluvial topography using hyperspatial resolution UAS imagery and structure from motion photogrammetry, Earth Surface Processes and Landforms, v. 40, p. 47-64.
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 3,233 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,212 |
||