無人機測流在萍鄉水文站應用監測分析

文／易珍、肖思思、殷勇 贛江下游水文水資源監測中心 江西宜春 336000

引言：

無人機技術在現代科學技術的飛速發展中得到了廣泛的應用，利用無人機技術進行水文流量監測是可行的。水文測驗是水文事業發展的核心工作，也是最重要的環節。充分利用現有有限人員和儀器設備高效地開展水文監測，是提高水文測驗工作質量，推動水利事業實現現代化的一個重要基礎。無論是采用水文纜道測流，還是采用聲學多普勒流速剖面儀都取得了很大的成功，國內的多普勒流速儀已經投入市場，但在大流量、突發洪水時，仍停留在浮標法、面積比降法等傳統方法上。據悉，目前，水文部門正在逐步探索無人機技術在水文工作中的運用，提出了以無人機為基礎的表面流速法測流系統的研制思想。本文從水文測驗的基本原理出發，并結合多年的水文測驗工作經驗，在萍鄉水文站對無人機技術監測進行了初步試驗，取得了良好的成效。

1、無人機技術概況

中國近幾年的科學技術創新有了長足的進步，無人機技術取得了重大突破，特別是無人機是民用領域的領頭羊。其民間應用的范圍以政府一級的公務活動為主，約占全部職能的80%。中國的無人機在民用方面的研究與應用，在技術能力上取得了巨大的進步，近年來，在民用和工業方面的發展更是突飛猛進，在世界范圍內的影響力是無可取代的；可以說是業內的領軍人物，其中最優秀的就是無人機技術，在國際上的競爭中占據了絕對的上風。

1.1 技術原理

1.2 技術特點

無人機在水文測驗中的技術特征如下：一是雙重冗余的安全保證，無人機系統中配備了兩個GPS、一個飛行控制和一個磁羅盤，可以保證飛行和測量；二是差分實時GPS，可以高精度地進行高程和起點距離的測量；三是無人機的八軸動力系統，可以保證無人機在單槳受損時，不會因為沒有雙槳而影響到飛機的返航和著陸；四是無人機在測試場地海拔4500m 的情況下，依然能保證飛行安全；五是無人機一鍵返回功能，可以在緊急情況下，保證飛行的安全性；六是無人機能夠保證大風6 級以下的正常起飛和降落；七是無人機中包含了起落架、機翼、機臂和測試設備等部件的折疊和拆卸；八是無人機的所有部件都可以實現集裝箱的擺放，一般的越野車也可以快速的運送；九是無人機的整體結構采用了模塊化設計，可以快速拆卸，非常方便緊急情況下的處置；十是使用維修方便，技術培訓后就能熟練使用；十一是能夠實現飛機黑箱的全過程自動記錄；十二是無人機的技術人員可以預先設定好飛行參數，使其能夠自行飛行；十三是無人機的電力系統，安裝了一個報警裝置，可以實時監控電力的使用情況。

1.3 無人機測流的優點

（1）具有很高的精確度，可以實現毫米的高度和起始距離。（2）操縱性好，可以對遙控按鈕進行水邊采集，速度測量。（3）設備具備良好的擴展能力，無人機可以搭載水文設備、攝像設備以及其它設備。（4）水下能見度高，配備了可調式攝像機，便于從不同角度觀察水面。（5）采用的俯視圖和剖面圖符合水文工作的特點。（6）精確的坐標，可以將無人機的飛行軌跡和飛行過程，復制到地圖上。（7）強大的數據交換能力，可以通過軟件推導出流量計算表格。（8）程序可追溯，該軟件具有“重放飛行程序”和“回放記錄檔”的功能，可以實現對流量測量的實時顯示。（9）一鍵智能測流啟動，無人機在航路上，自動懸浮測速。

2、萍鄉水文站建設現狀

2.1 流域現狀

萍鄉水文站建于萍水河上游，其流域大多為山區，具有山區性洪水特性，陡漲陡落，以單峰型呈現，洪峰維持時間短，在應急監測或高洪測驗中常規測驗設備效率低，部分區域無法監測。

2.2 監測現狀

萍鄉水文站裝備有數字式雨量計、浮子式水位計、全自動蒸發觀測裝置；走航式ADCP；視頻監控系統，無人機應急監測系統，實現了雨量、水位、蒸發；實時在線監測、圖像傳輸、突發事件監測等水文要素，使水文監測基本達到了現代化。

在測洪能力使用范圍內主要采用水文纜道。水文纜道測流是水文測站外業測驗方式中最基本的一種技術裝備，操作簡單，在中低水測流不但能夠保障安全、節省人力，而且能夠準確采集數據、保證測驗精度質量，可靠的水文資料為防汛起著重要作用。

2.3 應急監測情況

在高洪水期采用非接觸式設備，如:手持式電波流速儀、無人機測流。兩者使用情況可以減輕測驗強度，保證測驗人員人身安全，但前期需對儀器設備進行率定比測分析，保障結果在允許范圍內。

手持式電波流速儀使用一般是在橋上設置相應垂線，并固定三腳架上，保持雷達波束發射方向和水流方向平行，進行方向校準，對準水流目標，屏幕顯示瞬時水流速度，結合大斷面資料，得出相應流量。

據介紹，目前鄉喜配肥站技術人員正在對配肥站技術進行升級。在操作使用上，有望達到用手機自動控制，實現施肥自動化操作更加精準、簡易。“我們為實現智慧農業邁出了一小步。從目前數據來看，我們的近萬畝的示范區比農民常規灌溉施肥對照區已產生明顯的區別。節水示范區的數據表明，在節省灌溉水40%的基礎上，玉米長勢喜人，產量有望達到每畝1.1噸。這給了我們很強的信心。我們今年做了近萬畝，預計明年推廣5萬畝，后期在整個大佘太鎮乃至整個烏拉特前旗進行大面積推廣！”胡克緯表示。

無人機測流系統由無人機機體、高清云臺攝像機、搭載GPS、遙控器、測流系統軟件組成。實現了毫米級的定位，利用無人機衛星的測流高度、測速垂線、飛行路線、圖像制圖系統，依次通過監視每根垂線的水面視頻和照片，一鍵完成起飛、定位和測流。待飛行器執行完任務返回地面后，關閉飛行器與遙控器。將本次拍攝斷面水面流動的實時畫面視頻導入無人機影像測流系統程序進行解算，得出斷面的實時水位、流速、流量水文數據。

2.4 實現信息傳輸網絡化

萍鄉水文站建成了100M 因特網、分布無線網，使測站網絡無縫覆蓋，保證了各種水文資料的穩定傳輸。萍鄉站的各種信息系統都是通過互聯網接入云端資源的，高速的寬帶接入為水文、視頻監控、視頻會議等提供了快速的反應和穩定支持。

3、無人機水面流速法技術難點分析

3.1 測流垂線及測點測流時間選定

無人機水面流速儀，主要是利用無人機技術，在測量斷面橫向上，根據水流速度和河流寬度的變化，選擇若干垂線，測量垂線表面流速。從無人機的續航里程和飛行時間來看，垂線之間的間距最好是1/10 或1/5，即100m，選擇5條垂線即可。如果按照一條直線測量30s（算上懸掛和起飛到下一個位置，實際速度大概需要40s），無人機的測量時間大概在10min 鐘左右。根據無人機的30min 鐘續航時間，在緊急情況下，可以測量3 次流量。若出現堤壩決口或水庫決口等緊急情況，可用1/50 的垂線寬度，或3 根垂線或1 根垂線均可，以增加對洪水災害的監測和為防災減災提供參考。

3.2 水面岸邊識別及選定首條測速垂線

在任何一條河流的測流斷面上進行流量測試時，應先測量水面寬度，確定左岸和右岸水邊點，這是計算流量的一個重要指標，也是無人機在空中設置測速垂線的唯一依據。以無人機上的相機為基礎，智能識別水面、陸地交接點，并結合無人機與水面、陸地相對高度的相對變異數據進行綜合分析，是最佳的選擇。比如在陡坡的水泥或在陸地和水面之間的水泥砂漿。因很多河流的大段都有水草，在水陸邊界上的位置并不是很清楚，所以在無人機拍下圖片后，利用專家鑒定，通過水邊圖片的識別和比對，來確定水邊的位置。以上兩種方案很難鑒別，最好的辦法是：無人機先在流量測驗段上空飛行一次，根據照片和人工判斷確定左、右岸水邊，再根據大斷面、水位等參數確定左、右岸。左、右岸識別是為了確定第一條測速垂線的寬度和位置，最好的選擇是離岸邊1/10 的位置，比如，如果河道寬度是100m，無人機中的第一根測速垂線是10，第二根測速垂線是30m，依此類推最后一根是90m。

3.3 無人機懸停高度對水面流速的影響

水流速度主要受到風力、風向及水利工程的影響，特別是在高水位時，水流速度大。無人機在測量時，機翼懸漿在低空處對水流的干擾產生很大波動，所以無人機飛行高度對水流速度的影響是非常重要的，要根據不同的海拔點來確定最佳的懸浮高度。依據無人機中的經驗和雷達測流器或激光速度計的測量范圍40%～60%的距離內，然后考慮無人機轉子的對流風速干擾。比如，當測量距離為30m，安裝水平角度為35°時，可以選擇5m、10m 和15m 無人機的懸停高度進行初步測試，最終確定哪一種是最佳的。

3.4 大斷面的面積計算

對具有實測的河道大斷面資料，可以直接在無人機系統輸入大斷面資料，利用《河道流量測驗規范》中規定的斷面數據進行流量計算。若在發生潰壩等突發水事故后，這種沒有實際觀測數據的條件下，如何進行剖面面積的計算是一項亟待解決的問題。通常是對各種河道的幾何尺寸經驗值的分析，可以初步計算出斷面形狀（V 型斷面、U型斷面、梯形斷面）、河道寬深比經驗系數等。而在實際的突發事件水文測驗中，河道的寬度可以很容易地獲得。一般情況下，采用無人機對河道或潰口處水流速度進行測試，是非常有效和可行的。

3.5 岸邊系數選擇

該問題比較好求解，在已知的河流剖面上進行流量測試，并用實際數據進行比對；對于未經測量的剖面，可以采用經驗系數法或者利用單寬流方法進行計算，從而解決了河岸系數的選取問題。

3.6 無人機測流存在波動的技術處理

通常采用濾波法，也可以在無人機上安裝有雷達測速儀或激光測速儀，根據2s 一次的數據進行計算，30s 即可測得15 條水面速度。針對水流速度的波動，可采用3種不同的處理方式：（1）計算去除最大、最小值后的算術平均；（2）計算全部資料的平均數；（3）在確定了一定的流量后，才能進行計算，并在編程時加以考慮。

4、無人機測流在萍鄉水文站使用分析

隨著新儀器的大量應用，無人機影像測流已經成為水文行業流量測驗的常規儀器。無人機影像測流輕巧，攜帶方便，機動性強，可無視地形進行流量監測和查看洪水情況。無人機影像測流是非接觸式流速測量儀，在大洪水時可在事先設置的起飛點起飛，按照事先制定的路線飛往斷面上，按測定的斷面和制定的測速垂線布設，實時的測出水面流速。雖然無人機影像測流是一種先進的河流流量測驗系統，已得到推廣應用。但它存在以下不足之處：（1）大雨天無法施測，無人機影像測流的原理是通過圖像法分析水面漂浮物情況，下雨時，水面雨點會影像無人機識別水面漂浮物，無法得出流速。（2）水面不能太干凈，且流速不能太小，需達到0.30m/s 以上。（3）只適應白天監測，晚上光線暗淡無法測量。因此，要全面了解無人機影像測流的數據準確性，勢必要對其進行校測和分析。

4.1 無人機影像測流水面流速系數率定

4.1.1 比測方法

在萍鄉水文站流速儀測流斷面，水位大致相等，設置垂線，分別對轉子流速儀與無人機影像測流同時開展水面測速，并進行流量計算；獲得兩種不同儀器測試的流量結果，并對其進行了比較和分析。

4.1.2 比測資料系列

將收集的30 次可靠數據無人機與纜道流速儀水面流速進行率定分析，取無人機水面流速系數K0.0=0.93，相關關系：y=0.9304x 。結果見圖1。

圖1 纜道流速儀水面流速與無人機水面流速比測相關圖

4.2 流量成果分析

結合無人機影像測流與轉子流速儀實測的流速相關關系和萍鄉站大斷面圖，得出同一水位相應流量。流速儀與無人機測流流量成果相關圖，詳見圖2。

圖2 流速儀與無人機測流流量成果相關圖

4.3 誤差分析

本文采用《水文資料整編規范》SL/247-2020的方法，進行誤差分析。其相對誤差及標準差計算公式如下:

公式中：δ-以百分比表示的測量誤差；Q虛-無人機測量的虛流量；Q實-轉子式流速儀測量實際的流量；SY-相對標準偏差（%）、Y-算術平均值、Yi-第i 項測定。

結果表明：漂浮物多的情況下，無人機測量成果可靠性較好；漂浮物少或者水質較清的情況，成果較差。本次收集部分數據測試結果比較合理。滿足《水文資料整編規范》SL/247-2020 標準。

結語：

根據比較測得的數據，對無人機在萍鄉水文站進行了測量，結果表明，該儀器具有很高的測量準確率，符合《河流流量測驗規范》GB50179-2015 的浮標法測流精度，符合《水文資料整編規范SL/247-2020》的規定，可用于萍鄉水文站中高水位的測流。利用無人機影像測量的流量，測試設施簡單，不受水草、纜道的影響；由于受漂浮物的影響，能夠在復雜的水流條件下進行水位流速的監測，既能減少人工測量的風險，又能提高流速的精確性，可以有效地對洪水進行緊急監測，為城市低洼地區受災群眾贏得寶貴的疏散時間。所以，無人機測流是一種非常有價值的測量方法，可以用于超警戒洪水，也可以用于洪水預測。