无人机测流在萍乡水文站应用监测分析

文／易珍、肖思思、殷勇 赣江下游水文水资源监测中心 江西宜春 336000

引言：

无人机技术在现代科学技术的飞速发展中得到了广泛的应用，利用无人机技术进行水文流量监测是可行的。水文测验是水文事业发展的核心工作，也是最重要的环节。充分利用现有有限人员和仪器设备高效地开展水文监测，是提高水文测验工作质量，推动水利事业实现现代化的一个重要基础。无论是采用水文缆道测流，还是采用声学多普勒流速剖面仪都取得了很大的成功，国内的多普勒流速仪已经投入市场，但在大流量、突发洪水时，仍停留在浮标法、面积比降法等传统方法上。据悉，目前，水文部门正在逐步探索无人机技术在水文工作中的运用，提出了以无人机为基础的表面流速法测流系统的研制思想。本文从水文测验的基本原理出发，并结合多年的水文测验工作经验，在萍乡水文站对无人机技术监测进行了初步试验，取得了良好的成效。

1、无人机技术概况

中国近几年的科学技术创新有了长足的进步，无人机技术取得了重大突破，特别是无人机是民用领域的领头羊。其民间应用的范围以政府一级的公务活动为主，约占全部职能的80%。中国的无人机在民用方面的研究与应用，在技术能力上取得了巨大的进步，近年来，在民用和工业方面的发展更是突飞猛进，在世界范围内的影响力是无可取代的；可以说是业内的领军人物，其中最优秀的就是无人机技术，在国际上的竞争中占据了绝对的上风。

1.1 技术原理

1.2 技术特点

无人机在水文测验中的技术特征如下：一是双重冗余的安全保证，无人机系统中配备了两个GPS、一个飞行控制和一个磁罗盘，可以保证飞行和测量；二是差分实时GPS，可以高精度地进行高程和起点距离的测量；三是无人机的八轴动力系统，可以保证无人机在单桨受损时，不会因为没有双桨而影响到飞机的返航和着陆；四是无人机在测试场地海拔4500m 的情况下，依然能保证飞行安全；五是无人机一键返回功能，可以在紧急情况下，保证飞行的安全性；六是无人机能够保证大风6 级以下的正常起飞和降落；七是无人机中包含了起落架、机翼、机臂和测试设备等部件的折叠和拆卸；八是无人机的所有部件都可以实现集装箱的摆放，一般的越野车也可以快速的运送；九是无人机的整体结构采用了模块化设计，可以快速拆卸，非常方便紧急情况下的处置；十是使用维修方便，技术培训后就能熟练使用；十一是能够实现飞机黑箱的全过程自动记录；十二是无人机的技术人员可以预先设定好飞行参数，使其能够自行飞行；十三是无人机的电力系统，安装了一个报警装置，可以实时监控电力的使用情况。

1.3 无人机测流的优点

（1）具有很高的精确度，可以实现毫米的高度和起始距离。（2）操纵性好，可以对遥控按钮进行水边采集，速度测量。（3）设备具备良好的扩展能力，无人机可以搭载水文设备、摄像设备以及其它设备。（4）水下能见度高，配备了可调式摄像机，便于从不同角度观察水面。（5）采用的俯视图和剖面图符合水文工作的特点。（6）精确的坐标，可以将无人机的飞行轨迹和飞行过程，复制到地图上。（7）强大的数据交换能力，可以通过软件推导出流量计算表格。（8）程序可追溯，该软件具有“重放飞行程序”和“回放记录档”的功能，可以实现对流量测量的实时显示。（9）一键智能测流启动，无人机在航路上，自动悬浮测速。

2、萍乡水文站建设现状

2.1 流域现状

萍乡水文站建于萍水河上游，其流域大多为山区，具有山区性洪水特性，陡涨陡落，以单峰型呈现，洪峰维持时间短，在应急监测或高洪测验中常规测验设备效率低，部分区域无法监测。

2.2 监测现状

萍乡水文站装备有数字式雨量计、浮子式水位计、全自动蒸发观测装置；走航式ADCP；视频监控系统，无人机应急监测系统，实现了雨量、水位、蒸发；实时在线监测、图像传输、突发事件监测等水文要素，使水文监测基本达到了现代化。

在测洪能力使用范围内主要采用水文缆道。水文缆道测流是水文测站外业测验方式中最基本的一种技术装备，操作简单，在中低水测流不但能够保障安全、节省人力，而且能够准确采集数据、保证测验精度质量，可靠的水文资料为防汛起着重要作用。

2.3 应急监测情况

在高洪水期采用非接触式设备，如:手持式电波流速仪、无人机测流。两者使用情况可以减轻测验强度，保证测验人员人身安全，但前期需对仪器设备进行率定比测分析，保障结果在允许范围内。

手持式电波流速仪使用一般是在桥上设置相应垂线，并固定三脚架上，保持雷达波束发射方向和水流方向平行，进行方向校准，对准水流目标，屏幕显示瞬时水流速度，结合大断面资料，得出相应流量。

据介绍，目前乡喜配肥站技术人员正在对配肥站技术进行升级。在操作使用上，有望达到用手机自动控制，实现施肥自动化操作更加精准、简易。“我们为实现智慧农业迈出了一小步。从目前数据来看，我们的近万亩的示范区比农民常规灌溉施肥对照区已产生明显的区别。节水示范区的数据表明，在节省灌溉水40%的基础上，玉米长势喜人，产量有望达到每亩1.1吨。这给了我们很强的信心。我们今年做了近万亩，预计明年推广5万亩，后期在整个大佘太镇乃至整个乌拉特前旗进行大面积推广！”胡克纬表示。

无人机测流系统由无人机机体、高清云台摄像机、搭载GPS、遥控器、测流系统软件组成。实现了毫米级的定位，利用无人机卫星的测流高度、测速垂线、飞行路线、图像制图系统，依次通过监视每根垂线的水面视频和照片，一键完成起飞、定位和测流。待飞行器执行完任务返回地面后，关闭飞行器与遥控器。将本次拍摄断面水面流动的实时画面视频导入无人机影像测流系统程序进行解算，得出断面的实时水位、流速、流量水文数据。

2.4 实现信息传输网络化

萍乡水文站建成了100M 因特网、分布无线网，使测站网络无缝覆盖，保证了各种水文资料的稳定传输。萍乡站的各种信息系统都是通过互联网接入云端资源的，高速的宽带接入为水文、视频监控、视频会议等提供了快速的反应和稳定支持。

3、无人机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

无人机水面流速仪，主要是利用无人机技术，在测量断面横向上，根据水流速度和河流宽度的变化，选择若干垂线，测量垂线表面流速。从无人机的续航里程和飞行时间来看，垂线之间的间距最好是1/10 或1/5，即100m，选择5条垂线即可。如果按照一条直线测量30s（算上悬挂和起飞到下一个位置，实际速度大概需要40s），无人机的测量时间大概在10min 钟左右。根据无人机的30min 钟续航时间，在紧急情况下，可以测量3 次流量。若出现堤坝决口或水库决口等紧急情况，可用1/50 的垂线宽度，或3 根垂线或1 根垂线均可，以增加对洪水灾害的监测和为防灾减灾提供参考。

3.2 水面岸边识别及选定首条测速垂线

在任何一条河流的测流断面上进行流量测试时，应先测量水面宽度，确定左岸和右岸水边点，这是计算流量的一个重要指标，也是无人机在空中设置测速垂线的唯一依据。以无人机上的相机为基础，智能识别水面、陆地交接点，并结合无人机与水面、陆地相对高度的相对变异数据进行综合分析，是最佳的选择。比如在陡坡的水泥或在陆地和水面之间的水泥砂浆。因很多河流的大段都有水草，在水陆边界上的位置并不是很清楚，所以在无人机拍下图片后，利用专家鉴定，通过水边图片的识别和比对，来确定水边的位置。以上两种方案很难鉴别，最好的办法是：无人机先在流量测验段上空飞行一次，根据照片和人工判断确定左、右岸水边，再根据大断面、水位等参数确定左、右岸。左、右岸识别是为了确定第一条测速垂线的宽度和位置，最好的选择是离岸边1/10 的位置，比如，如果河道宽度是100m，无人机中的第一根测速垂线是10，第二根测速垂线是30m，依此类推最后一根是90m。

3.3 无人机悬停高度对水面流速的影响

水流速度主要受到风力、风向及水利工程的影响，特别是在高水位时，水流速度大。无人机在测量时，机翼悬浆在低空处对水流的干扰产生很大波动，所以无人机飞行高度对水流速度的影响是非常重要的，要根据不同的海拔点来确定最佳的悬浮高度。依据无人机中的经验和雷达测流器或激光速度计的测量范围40%～60%的距离内，然后考虑无人机转子的对流风速干扰。比如，当测量距离为30m，安装水平角度为35°时，可以选择5m、10m 和15m 无人机的悬停高度进行初步测试，最终确定哪一种是最佳的。

3.4 大断面的面积计算

对具有实测的河道大断面资料，可以直接在无人机系统输入大断面资料，利用《河道流量测验规范》中规定的断面数据进行流量计算。若在发生溃坝等突发水事故后，这种没有实际观测数据的条件下，如何进行剖面面积的计算是一项亟待解决的问题。通常是对各种河道的几何尺寸经验值的分析，可以初步计算出断面形状（V 型断面、U型断面、梯形断面）、河道宽深比经验系数等。而在实际的突发事件水文测验中，河道的宽度可以很容易地获得。一般情况下，采用无人机对河道或溃口处水流速度进行测试，是非常有效和可行的。

3.5 岸边系数选择

该问题比较好求解，在已知的河流剖面上进行流量测试，并用实际数据进行比对；对于未经测量的剖面，可以采用经验系数法或者利用单宽流方法进行计算，从而解决了河岸系数的选取问题。

3.6 无人机测流存在波动的技术处理

通常采用滤波法，也可以在无人机上安装有雷达测速仪或激光测速仪，根据2s 一次的数据进行计算，30s 即可测得15 条水面速度。针对水流速度的波动，可采用3种不同的处理方式：（1）计算去除最大、最小值后的算术平均；（2）计算全部资料的平均数；（3）在确定了一定的流量后，才能进行计算，并在编程时加以考虑。

4、无人机测流在萍乡水文站使用分析

随着新仪器的大量应用，无人机影像测流已经成为水文行业流量测验的常规仪器。无人机影像测流轻巧，携带方便，机动性强，可无视地形进行流量监测和查看洪水情况。无人机影像测流是非接触式流速测量仪，在大洪水时可在事先设置的起飞点起飞，按照事先制定的路线飞往断面上，按测定的断面和制定的测速垂线布设，实时的测出水面流速。虽然无人机影像测流是一种先进的河流流量测验系统，已得到推广应用。但它存在以下不足之处：（1）大雨天无法施测，无人机影像测流的原理是通过图像法分析水面漂浮物情况，下雨时，水面雨点会影像无人机识别水面漂浮物，无法得出流速。（2）水面不能太干净，且流速不能太小，需达到0.30m/s 以上。（3）只适应白天监测，晚上光线暗淡无法测量。因此，要全面了解无人机影像测流的数据准确性，势必要对其进行校测和分析。

4.1 无人机影像测流水面流速系数率定

4.1.1 比测方法

在萍乡水文站流速仪测流断面，水位大致相等，设置垂线，分别对转子流速仪与无人机影像测流同时开展水面测速，并进行流量计算；获得两种不同仪器测试的流量结果，并对其进行了比较和分析。

4.1.2 比测资料系列

将收集的30 次可靠数据无人机与缆道流速仪水面流速进行率定分析，取无人机水面流速系数K0.0=0.93，相关关系：y=0.9304x 。结果见图1。

图1 缆道流速仪水面流速与无人机水面流速比测相关图

4.2 流量成果分析

结合无人机影像测流与转子流速仪实测的流速相关关系和萍乡站大断面图，得出同一水位相应流量。流速仪与无人机测流流量成果相关图，详见图2。

图2 流速仪与无人机测流流量成果相关图

4.3 误差分析

本文采用《水文资料整编规范》SL/247-2020的方法，进行误差分析。其相对误差及标准差计算公式如下:

公式中：δ-以百分比表示的测量误差；Q虚-无人机测量的虚流量；Q实-转子式流速仪测量实际的流量；SY-相对标准偏差（%）、Y-算术平均值、Yi-第i 项测定。

结果表明：漂浮物多的情况下，无人机测量成果可靠性较好；漂浮物少或者水质较清的情况，成果较差。本次收集部分数据测试结果比较合理。满足《水文资料整编规范》SL/247-2020 标准。

结语：

根据比较测得的数据，对无人机在萍乡水文站进行了测量，结果表明，该仪器具有很高的测量准确率，符合《河流流量测验规范》GB50179-2015 的浮标法测流精度，符合《水文资料整编规范SL/247-2020》的规定，可用于萍乡水文站中高水位的测流。利用无人机影像测量的流量，测试设施简单，不受水草、缆道的影响；由于受漂浮物的影响，能够在复杂的水流条件下进行水位流速的监测，既能减少人工测量的风险，又能提高流速的精确性，可以有效地对洪水进行紧急监测，为城市低洼地区受灾群众赢得宝贵的疏散时间。所以，无人机测流是一种非常有价值的测量方法，可以用于超警戒洪水，也可以用于洪水预测。