基于无人机技术的航空水面流速法测流系统开发及应用研究

刘望天,陈慧莎

(广东省水文局佛山水文分局，广东 佛山 528000)

随着现代科学技术的高速发展，无人机技术应用越来越广泛，基于无人机技术的航空水面流速法施测河道流量变得有可能[1]。据了解，全国水文行业已经开始逐步研究无人机技术如何应用于水文工作实践中，其中广东省水文局茂名水文分局已实现采用无人机进行水质采样，湖南省长沙水文水资源勘测中心也采用无人机开展了应急水文测验，无人机技术在水文行业应用取得了初步成果。

水文工作最核心技术和最关键环节是河道流量测验问题。河道流量测验手段的现代化，是水文行业现代化的重要基石。声学多普勒流速仪法，无论是走航式ADCP，还是定点式H-ADCP，近20 a都获得了应用上的巨大成功，国产声学多普勒流速仪也开始量产并销售应用，但在高含沙量、大流速的超标准洪水、溃坝或决堤等突发性水事件的流量测验中，还停留于浮标法、面积比降法。根据水文测验原理，结合作者多年水文测验实践经验，提出了基于无人机技术的航空水面流速法测流系统开发思路，系统在马口、三水水文站进行了初步测试，结果令人满意，具有较大的应用前景。

1 航空水面流速法基本原理

河道流量测验关键问题，首要解决横渡河道大断面问题。在河宽500 m以内的河道可采用半自动或全自动过河缆道，也可采用马力大的测船横渡断面，或者采用跨河大桥牵引仪器设备。

航空水面流速法的基本原理是，通过无人机技术搭载雷达测流仪或抛投电子浮标，测定河道在断面水平方向的水面流速分布，通过建立水面流速与断面流速的定量关系，或者建立虚流量与实测流量的关系，从而获得实测流量。水面流速测验的准确性和可靠性以及是否满足水面流速横向分布规律，是航空水面流速法流量测验精度关键所在[2]。

利用无人机测得沿断面水平方向逐条垂线的水面流速后，有两种计算方法计算虚流量，一种是部分面积法，即类似于水面浮标法流量测验计算方法，通过逐点水面流速计算两垂线间的部分水面流速，通过借用断面计算两垂线间的部分面积，部分流速乘以部分面积得到部分虚流量，然后部分流量相加，得到断面虚流量。另一种是单宽流量法，即采用测速垂线水面流速乘以测速垂线水深(也是测深垂线)，然后单宽流量乘以水面宽后相加得到断面虚流量。最后，再建立虚流量与实测流量的关系，通过比测试验或通过经验系数获得流量系数K，从而得到河道实际流量。

1.1 部分面积法

部分面积法计算虚流量如图1所示[3]。

图1 部分面积法计算示意

两垂线间部分面积计算公式如下：

Ai=(di-1+di)×bi÷2

(1)

两垂线间部分流速计算公式如下：

Vmi=(Vi-1+Vi)÷2

(2)

岸边系数根据河道流量规范选取，水深均匀变浅至零的斜坡岸边可取0.67～0.75，不平整陡岸边可取0.8，光滑陡岸边可取0.9，死水与流水交界处的水边可取0.6。

断面流量按照下式计算：

(3)

实际流量为：

Q=K1×Qm

(4)

1.2 单宽流量法

利用测得的水面流速计算流量，首先计算单宽虚流量qf，然后采用断面上各部分单宽流量代数和的方法，计算断面虚流量Qf：

(5)

式中n为部分数；Bi为第i部分的宽度；Qfi、Qfi+1分别为第i和第i+1条垂线上的单宽虚流量，Qfi=Vi×hi(Vi为水面流速，hi为该处水深)。

实际流量为：

Q=K2×Qf

(6)

两种计算方法各有优势，部分面积法符合传统河道流量测验方法，无人机雷达测流仪或激光测速仪只是实测沿横断面上的逐条垂线水面流速的工具，但需要选取岸边系数。单宽流量法在实践河道流量测验中比较少用，但计算简单，不需要选取岸边系数。

2 系统开发思路简介

2.1 设计理念

通过利用无人机飞行平台技术、平面微波雷达技术，结合水文应急测验需求，着眼于河道流速、流量快速监测，将河流的流速、流量等信息，实时综合展现在软件二维地图功能界面上，实现直观化、智能化、立体化流量测验智慧管理，提高水文应急监测信息化水平。

2.2 系统组成

系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。

硬件系统又分为空中设备、地面设备。空中设备由无人机、增稳云台、智能测流雷达、水位计构成。地面设备由无线接收端、移动终端设备、嵌入式系统组成。空中设备与地面设备两者之间通过无线传输方式进行数据通讯。

无人机搭载水面流速雷达，进行水体流速的测量。当无人机飞到水面上空时，将携带的流速雷达靠近水面，进行水流速度测量，雷达可以实时回传数据到地面站系统，进行实时数据分析，实时监测水面流速。主要设备如图2～3所示[4]。

图2 专业级六旋翼无人机

图3 测流雷达及水位计实物和无线接收终端

软件系统包括测流软件系统和后台管理系统。测流软件系统主要是实现无人机沿河道大断面测量时的水边点的判别，以及各测速垂线的水面流速测量，最后计算为符合河道流量测验规范的流速及流量测验成果表。后台管理系统主要是实现测流软件系统及无人机硬件系统的综合管理，协调无人机进行实时作业。后台管理系统框架分数据层、服务层和应用层3个层次(如图4所示)。

图4 后台管理系统架构示意

2.3 系统特点

1)专业级六旋翼飞行器具有续航时间长、负载重量大，具备飞行速度快、安全性高等优点，适用于复杂的场景和GPS信号不佳的情况。机身采用可折叠式设计，可快速拆卸及安装；碳纤维机体，强度高，重量轻；内置GPS模块，可实时定位飞行位置；有效传输距离达10 km。空机仅重3 kg，轻量化机身设计不仅带来了高强度、质量轻的本征特性，具备在非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性，耐腐蚀性等诸多优点，可在5级风速下、小雨条件下安全飞行[5]。

2)无人机智能控制系统可实现自动航线功能，失控保护功能，低电量智能返航功能。三姿态传感器冗余，双磁罗盘备份设计。三模GPS定位传感器，支持北斗、GPS和GLONASS。遥控链路遥控、图传、数传三合一链路模块，遥控信号2.4 G，信号加密算法，遥控距离≥2 km。云台为两轴无刷电机自稳云台，时刻稳住垂直和水平方向的角度，使雷达始终保持平稳，对准测速目标。高精度姿态传感器，垂直和水平精度达到0.1°[6]。

3)采用三维实景地图平台能够真实立体场景还原，精细度高，细节丰满；可以实现三维立体测量，场景智能模拟，巡逻模拟，阻挡分析；支持各种数据信息接入平台，实现城市精细化管理，网格化管理，立体化管理。

4)以地图界面呈现起飞点、作业数据、无人机航线、任务点、人员位置等信息，点击当前作业的无人机可查看工作状态、飞行数据和作业情况等参数等信息。后台人员对航线、执行任务无人机的性能和状态、任务数据等进行全面管理与实时监控，出现异常情况时将在主页面进行告警。

3 航空水面流速法技术难点分析

3.1 测流垂线及测点测流时间选定

航空水面流速法主要是通过无人机沿着测流断面水平方向横渡河道，根据流速沿河宽的变化，选定一定数量的垂线进行测定垂线水面流速。考虑无人机续航能力及飞行时间，宜选取河宽的1/10或1/5作为垂线间的距离，例如100 m河宽，选取5条垂线就可以了。若是按照1条垂线实测30 s的话(除去悬停及起飞至另一位置，实际测速时间约为40 s)，那么整个无人机测流时间大约在10 min以内。按照无人机续航能力30 min计算，在应急流量测验中可施测流量3次。在非常紧急情况下，例如大堤溃决或水库大坝溃坝，可采用水面宽的1/50垂线数，或者3条垂线或1条垂线也是可以的，这样施测流量次数更多，为应急抢险及防洪减灾提供依据。

3.2 水面岸边识别及选定首条测速垂线

在任一河道测流断面进行流量测验，首先要实测水面宽，确定左岸、右岸水边点，这是计算流量的重要参数，也是无人机在空中布设测速垂线的唯一依据。通过无人机搭载摄像机进行图像智能识别水面、陆地交接位置，并结合无人机与水面、陆地的相对高度突变数据进行综合分析，是首选的方法，这种方法适合于水陆交界处高差变化大，特征明显的测流断面，例如陡岸混凝土或浆砌石陆水交界处。由于许多河道大断面有水草，水陆交界处不太明显，识别岸边的方法是，无人机拍摄照片后，采用专家识别方法(建立岸边类型数据库)，将水边照片进行识别匹配，确定水边点。上述两种方法技术难度比较大，可优先采用的方法是，无人机沿着流量测验断面先飞行1次，通过拍照和人工经验判断确定左、右岸水边，结合大断面及水位等参数确定左、右岸。

左右岸识别的目的在于确定水面宽以及首条测速垂线的位置，宜选取距离岸边水面宽1/10位置作为首条测速垂线，例如，河面宽确定100 m，那么在无人机起飞岸别水边点为零点，往河中间10 m作为首条测速垂线，其余测速垂线分别是10 m、30 m、50 m、70 m、90 m位置。

3.3 无人机悬停高度对水面流速的影响

河道水面流速受风速风向和过往船只的影响大，尤其在较低流速更是首要影响因子。无人机的旋翼产生的对流风在距离水面较低时，对水的扰动会产生显著作用[7]，因此，研究无人机旋翼风速在不同高度对水面流速的影响尤为关键，需要通过不同高度定点测量确定最佳悬停高度。根据无人机飞行经验判断和雷达测流仪或激光测速仪的量程范围，优选雷达测流仪或激光测速仪的量程范围的40%～60%距离处为悬停高度，再考虑无人机旋翼的对流风速扰动。例如，雷达测流仪或激光测速仪的量程范围在30 m，安装水平角为35°时，可选定5 m、10 m、15 m无人机悬停高度进行初步试验，究竟哪个高度值最优，只有通过定点试验才能确定。

3.4 大断面的面积计算

对于有实测大断面的测流断面来说，可以直接输入大断面数据，计算流量采用借用断面，这在《河道流量测验规范》是允许的。在突发性水事件如溃堤、溃坝发生后，利用无人机测验河道或溃口水面流速的方法，十分可行有效。此种情况下，水文应急测验需要解决一个问题，那就是无实测资料的断面面积计算问题。该问题可通过研究不同河道的几何尺寸经验值来初算，例如断面形状(如V型断面、U型断面、梯形断面)、河道宽深比经验系数。在实际水文应急测验中，河段宽度往往容易得到。

3.5 岸边系数选择

这个问题相对来说容易解决，在已知的河道断面上测验流量，采用实际应用值；在未实测断面上，采用经验系数即可[8]。值得一提的是，采用单宽流量法计算虚流量，避免了岸边系数选择问题。

3.6 雷达测流仪测速存在波动的技术处理

一般采用滤波法[9]，也可采用无人机搭载雷达测流仪或激光测速仪，按照2 s测量1个数据计算，30 s可以测量15个水面流速数据。水面流速波动问题，处理方法有3种：① 去掉最大、次大、最小、次小值后算术平均值计算；② 所有数据平均值计算；③ 选取合理的点流速后再计算，在程序开发时考虑就即可[10]。

3.7 采用抛投式电子浮标测验垂线流速

在实践中，选用天然浮标的水面浮标法测验大洪水流量是一种有效、安全、可靠的方法。现在，采用无人机抛投电子浮标使得水面流速测量更加安全可靠，还可以根据不同的起点距抛多个浮标，通过电子浮标计算不同垂线的水面流速，进而计算断面虚流量。电子浮标需要特制，按照与水面接触后运行的位置，识别在断面的垂线位置，自身通过GPS定位系统自动计算电子浮标的流速。

4 初步测试分析

2020年6月，西江、北江发生较大洪水，分别在马口、三水站开展了无人机搭载雷达测流仪比测试验和无人机投掷电子浮标测速试验。

4.1 无人机搭载雷达测流仪试验

2020年6月10日，在马口站开展了六旋翼无人机无人机搭载雷达测流仪测流初步试验。六旋翼无人机采用碳纤维一体机壳，轴距为1 133 mm，空载续航时间为38 min，负载续航能力为28 min，最大载荷能力为4 kg，最大飞行速度达50 km/h。。

雷达测流仪是一种采用微波技术的测流仪器，专用于天然河流、渠/涵/管道等水流波动场所的表面流速监测。产品采用最新一代平面微波雷达技术，并采用自有后端处理技术精确提取水流速度，可实现非接触式自动监测(技术参数见表1)。

表1 雷达测流仪技术参数

试验时段为6月10日15:00～16:00，水位为6.60 m，流量为36 500m3/s，断面平均流速为1.93 m/s。试验位置为马口站流速仪测流断面(基下1 082 m)、金马大桥下游约300 m[11](见图5)，试验结果如图6～7所示。

图5 马口站试验位置示意

图6 试验期间马口站水位流量过程线示意

在流速仪测流断面选取8条垂线进行无人机搭载雷达测流仪测速，起点距分别为：195 m、295 m、395 m、495 m、595 m、695 m、795 m、845 m。无人机悬停高度分别离水面10 m、15 m，无人机搭载的雷达测流仪面向迎水方向，无人机在垂线上方悬停30 s。测得各垂线表面流速详见表2。

表2 无人机搭载雷达测流仪各垂线测速数据 m/s

同时，马口水文站采用走航式ADCP进行流量测验，将走航式ADCP流量与无人机搭载雷达测流仪测流数据进行对比。从断面横向流速分布来看，无人机搭载雷达测流仪测得离水面10 m测得流速略大于离水面15 m流速，总体趋势与走航式ADCP横向流速分布趋势一致(见图8)。

图8 马口站不同测验方法流速横向分布对比示意

计算无人机搭载雷达测流仪法的断面虚流量，其中无人机悬停高度10 m的计算虚流量为38 900 m3/s，悬停高度15 m的计算虚流量为35 400 m3/s，两者均与马口站走航式ADCP(RDI 300 kHz)测验成果相近(结果对比见表3)。

表3 无人机搭载雷达测流仪比测试验流量对比

4.2 无人机抛投电子浮标测流试验

6月10日，在三水水文站开展无人机抛投电子浮标测速试验，测试河段为北江干流水道三水水文站基本水尺断面到三水二桥上游边沿，距离约660 m[12]。无人机在三水站基本水尺断面上游约50 m抛投电子浮标，投放位置为基本水尺断面中泓位置，运行一段时间经过基本水尺断面，其中电子浮标每秒测流速1次。采用人工计算平均流速与电子浮标时段流速均值对比，校核电子浮标GPS测定流速的准确性。

抛投式电子浮标测速仪采用最新北斗+GPS共计度定位技术记录无人机抛投式电子浮标测速仪实时轨迹，从而计算出对应流速，使用非常方便，采用重力摆锤设计，使设备始终垂直于水面，确保设备的可靠性，适用于全天候应急测流。主要技术指标如下：

① 测速范围：0.15～30 m/s；

② 测速精度：±0.1 m/s；

③ 通信方式：2G/3G/4G移动网络；

④ 定位方式：GPS+北斗+LBS 三模定位；

⑤ 重量：1.39 kg。

测验时段为6月10日18:00～19:00，三水水文站水位6.78 m，H-ADCP在线流量为11 900 m3/s，断面平均流速为1.60 m/s,测验期间水位流量关系曲线见图9。从对比结果来看，电子浮标测验流速与人工计算流速结果相当(见表4)。

图9 试验期间三水站水位流量过程示意

表4 电子浮标流速比测 m/s

4.3 测试初步结论

在马口站水位6.60 m、流量36 500 m3/s、断面平均流速1.93 m/s情况下，无人机搭载雷达测流仪测流结果与走航式ADCP测验结果相近，悬停高度10 m、15 m测得的虚流量与实测流量误差分别为6.6%和-3.0%；无人机搭载雷达测流仪测的断面流速横向分布与走航式ADCP基本一致。

在三水站水位6.78 m、流量11 900 m3/s情况下，开展无人机抛投电子浮标测速，无人机抛投电子浮标GPS测定流速与人工计时的计算结果误差在6%以内，电子浮标流速测验基本可信。

经过初步测试，基于无人机的航空水面流速法流量测验系统开发思路正确、合理，在高流速、大流量条件下是适用的。

5 航空水面流速法测流系统展望

在河道流量测验中，解决跨河或渡河的问题，无人机是安全有效的手段之一，可一机多用，适用多个断面，在突发性水事件如溃堤、溃坝的应急水文测验中，是安全可靠效率高的测流方法之一。

由于洪水条件限制，试验次数不多，下一步首先将通过不同飞行高度试验优选无人机悬停高度，通过多处多次大流速、大流量的比测试验，评判测验精度，确定流量系数。其次，分析出不同河流、不同区域的断面特征系数，即可随时测验任何河流、任何河段的断面流量。再次，利用互联网技术以及空间地理信息，实现每处河流的河道流量可随时监测。这样，无人机航空水面流速法测验系统将具有很大的推广应用价值。