劉望天,陳慧莎

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，基于無人機(jī)技術(shù)的航空水面流速法施測河道流量變得有可能[1]。據(jù)了解，全國水文行業(yè)已經(jīng)開始逐步研究無人機(jī)技術(shù)如何應(yīng)用于水文工作實(shí)踐中，其中廣東省水文局茂名水文分局已實(shí)現(xiàn)采用無人機(jī)進(jìn)行水質(zhì)采樣，湖南省長沙水文水資源勘測中心也采用無人機(jī)開展了應(yīng)急水文測驗(yàn)，無人機(jī)技術(shù)在水文行業(yè)應(yīng)用取得了初步成果。

水文工作最核心技術(shù)和最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是河道流量測驗(yàn)問題。河道流量測驗(yàn)手段的現(xiàn)代化，是水文行業(yè)現(xiàn)代化的重要基石。聲學(xué)多普勒流速儀法，無論是走航式ADCP，還是定點(diǎn)式H-ADCP，近20 a都獲得了應(yīng)用上的巨大成功，國產(chǎn)聲學(xué)多普勒流速儀也開始量產(chǎn)并銷售應(yīng)用，但在高含沙量、大流速的超標(biāo)準(zhǔn)洪水、潰壩或決堤等突發(fā)性水事件的流量測驗(yàn)中，還停留于浮標(biāo)法、面積比降法。根據(jù)水文測驗(yàn)原理，結(jié)合作者多年水文測驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了基于無人機(jī)技術(shù)的航空水面流速法測流系統(tǒng)開發(fā)思路，系統(tǒng)在馬口、三水水文站進(jìn)行了初步測試，結(jié)果令人滿意，具有較大的應(yīng)用前景。

1 航空水面流速法基本原理

河道流量測驗(yàn)關(guān)鍵問題，首要解決橫渡河道大斷面問題。在河寬500 m以內(nèi)的河道可采用半自動或全自動過河纜道，也可采用馬力大的測船橫渡斷面，或者采用跨河大橋牽引儀器設(shè)備。

航空水面流速法的基本原理是，通過無人機(jī)技術(shù)搭載雷達(dá)測流儀或拋投電子浮標(biāo)，測定河道在斷面水平方向的水面流速分布，通過建立水面流速與斷面流速的定量關(guān)系，或者建立虛流量與實(shí)測流量的關(guān)系，從而獲得實(shí)測流量。水面流速測驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性以及是否滿足水面流速橫向分布規(guī)律，是航空水面流速法流量測驗(yàn)精度關(guān)鍵所在[2]。

利用無人機(jī)測得沿斷面水平方向逐條垂線的水面流速后，有兩種計(jì)算方法計(jì)算虛流量，一種是部分面積法，即類似于水面浮標(biāo)法流量測驗(yàn)計(jì)算方法，通過逐點(diǎn)水面流速計(jì)算兩垂線間的部分水面流速，通過借用斷面計(jì)算兩垂線間的部分面積，部分流速乘以部分面積得到部分虛流量，然后部分流量相加，得到斷面虛流量。另一種是單寬流量法，即采用測速垂線水面流速乘以測速垂線水深(也是測深垂線)，然后單寬流量乘以水面寬后相加得到斷面虛流量。最后，再建立虛流量與實(shí)測流量的關(guān)系，通過比測試驗(yàn)或通過經(jīng)驗(yàn)系數(shù)獲得流量系數(shù)K，從而得到河道實(shí)際流量。

1.1 部分面積法

部分面積法計(jì)算虛流量如圖1所示[3]。

圖1 部分面積法計(jì)算示意

兩垂線間部分面積計(jì)算公式如下：

Ai=(di-1+di)×bi÷2

(1)

兩垂線間部分流速計(jì)算公式如下：

Vmi=(Vi-1+Vi)÷2

(2)

岸邊系數(shù)根據(jù)河道流量規(guī)范選取，水深均勻變淺至零的斜坡岸邊可取0.67～0.75，不平整陡岸邊可取0.8，光滑陡岸邊可取0.9，死水與流水交界處的水邊可取0.6。

斷面流量按照下式計(jì)算：

(3)

實(shí)際流量為：

Q=K1×Qm

(4)

1.2 單寬流量法

利用測得的水面流速計(jì)算流量，首先計(jì)算單寬虛流量qf，然后采用斷面上各部分單寬流量代數(shù)和的方法，計(jì)算斷面虛流量Qf：

(5)

式中n為部分?jǐn)?shù)；Bi為第i部分的寬度；Qfi、Qfi+1分別為第i和第i+1條垂線上的單寬虛流量，Qfi=Vi×hi(Vi為水面流速，hi為該處水深)。

實(shí)際流量為：

Q=K2×Qf

(6)

兩種計(jì)算方法各有優(yōu)勢，部分面積法符合傳統(tǒng)河道流量測驗(yàn)方法，無人機(jī)雷達(dá)測流儀或激光測速儀只是實(shí)測沿橫斷面上的逐條垂線水面流速的工具，但需要選取岸邊系數(shù)。單寬流量法在實(shí)踐河道流量測驗(yàn)中比較少用，但計(jì)算簡單，不需要選取岸邊系數(shù)。

2 系統(tǒng)開發(fā)思路簡介

2.1 設(shè)計(jì)理念

通過利用無人機(jī)飛行平臺技術(shù)、平面微波雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合水文應(yīng)急測驗(yàn)需求，著眼于河道流速、流量快速監(jiān)測，將河流的流速、流量等信息，實(shí)時綜合展現(xiàn)在軟件二維地圖功能界面上，實(shí)現(xiàn)直觀化、智能化、立體化流量測驗(yàn)智慧管理，提高水文應(yīng)急監(jiān)測信息化水平。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

硬件系統(tǒng)又分為空中設(shè)備、地面設(shè)備?？罩性O(shè)備由無人機(jī)、增穩(wěn)云臺、智能測流雷達(dá)、水位計(jì)構(gòu)成。地面設(shè)備由無線接收端、移動終端設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)組成?？罩性O(shè)備與地面設(shè)備兩者之間通過無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

無人機(jī)搭載水面流速雷達(dá)，進(jìn)行水體流速的測量。當(dāng)無人機(jī)飛到水面上空時，將攜帶的流速雷達(dá)靠近水面，進(jìn)行水流速度測量，雷達(dá)可以實(shí)時回傳數(shù)據(jù)到地面站系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)分析，實(shí)時監(jiān)測水面流速。主要設(shè)備如圖2～3所示[4]。

圖2 專業(yè)級六旋翼無人機(jī)

圖3 測流雷達(dá)及水位計(jì)實(shí)物和無線接收終端

軟件系統(tǒng)包括測流軟件系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)。測流軟件系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)沿河道大斷面測量時的水邊點(diǎn)的判別，以及各測速垂線的水面流速測量，最后計(jì)算為符合河道流量測驗(yàn)規(guī)范的流速及流量測驗(yàn)成果表。后臺管理系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)測流軟件系統(tǒng)及無人機(jī)硬件系統(tǒng)的綜合管理，協(xié)調(diào)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時作業(yè)。后臺管理系統(tǒng)框架分?jǐn)?shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層3個層次(如圖4所示)。

圖4 后臺管理系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)專業(yè)級六旋翼飛行器具有續(xù)航時間長、負(fù)載重量大，具備飛行速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜的場景和GPS信號不佳的情況。機(jī)身采用可折疊式設(shè)計(jì)，可快速拆卸及安裝；碳纖維機(jī)體，強(qiáng)度高，重量輕；內(nèi)置GPS模塊，可實(shí)時定位飛行位置；有效傳輸距離達(dá)10 km?？諜C(jī)僅重3 kg，輕量化機(jī)身設(shè)計(jì)不僅帶來了高強(qiáng)度、質(zhì)量輕的本征特性，具備在非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性，耐腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可在5級風(fēng)速下、小雨條件下安全飛行[5]。

2)無人機(jī)智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動航線功能，失控保護(hù)功能，低電量智能返航功能。三姿態(tài)傳感器冗余，雙磁羅盤備份設(shè)計(jì)。三模GPS定位傳感器，支持北斗、GPS和GLONASS。遙控鏈路遙控、圖傳、數(shù)傳三合一鏈路模塊，遙控信號2.4 G，信號加密算法，遙控距離≥2 km。云臺為兩軸無刷電機(jī)自穩(wěn)云臺，時刻穩(wěn)住垂直和水平方向的角度，使雷達(dá)始終保持平穩(wěn)，對準(zhǔn)測速目標(biāo)。高精度姿態(tài)傳感器，垂直和水平精度達(dá)到0.1°[6]。

3)采用三維實(shí)景地圖平臺能夠真實(shí)立體場景還原，精細(xì)度高，細(xì)節(jié)豐滿；可以實(shí)現(xiàn)三維立體測量，場景智能模擬，巡邏模擬，阻擋分析；支持各種數(shù)據(jù)信息接入平臺，實(shí)現(xiàn)城市精細(xì)化管理，網(wǎng)格化管理，立體化管理。

4)以地圖界面呈現(xiàn)起飛點(diǎn)、作業(yè)數(shù)據(jù)、無人機(jī)航線、任務(wù)點(diǎn)、人員位置等信息，點(diǎn)擊當(dāng)前作業(yè)的無人機(jī)可查看工作狀態(tài)、飛行數(shù)據(jù)和作業(yè)情況等參數(shù)等信息。后臺人員對航線、執(zhí)行任務(wù)無人機(jī)的性能和狀態(tài)、任務(wù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行全面管理與實(shí)時監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時將在主頁面進(jìn)行告警。

3 航空水面流速法技術(shù)難點(diǎn)分析

3.1 測流垂線及測點(diǎn)測流時間選定

航空水面流速法主要是通過無人機(jī)沿著測流斷面水平方向橫渡河道，根據(jù)流速沿河寬的變化，選定一定數(shù)量的垂線進(jìn)行測定垂線水面流速?？紤]無人機(jī)續(xù)航能力及飛行時間，宜選取河寬的1/10或1/5作為垂線間的距離，例如100 m河寬，選取5條垂線就可以了。若是按照1條垂線實(shí)測30 s的話(除去懸停及起飛至另一位置，實(shí)際測速時間約為40 s)，那么整個無人機(jī)測流時間大約在10 min以內(nèi)。按照無人機(jī)續(xù)航能力30 min計(jì)算，在應(yīng)急流量測驗(yàn)中可施測流量3次。在非常緊急情況下，例如大堤潰決或水庫大壩潰壩，可采用水面寬的1/50垂線數(shù)，或者3條垂線或1條垂線也是可以的，這樣施測流量次數(shù)更多，為應(yīng)急搶險及防洪減災(zāi)提供依據(jù)。

3.2 水面岸邊識別及選定首條測速垂線

在任一河道測流斷面進(jìn)行流量測驗(yàn)，首先要實(shí)測水面寬，確定左岸、右岸水邊點(diǎn)，這是計(jì)算流量的重要參數(shù)，也是無人機(jī)在空中布設(shè)測速垂線的唯一依據(jù)。通過無人機(jī)搭載攝像機(jī)進(jìn)行圖像智能識別水面、陸地交接位置，并結(jié)合無人機(jī)與水面、陸地的相對高度突變數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，是首選的方法，這種方法適合于水陸交界處高差變化大，特征明顯的測流斷面，例如陡岸混凝土或漿砌石陸水交界處。由于許多河道大斷面有水草，水陸交界處不太明顯，識別岸邊的方法是，無人機(jī)拍攝照片后，采用專家識別方法(建立岸邊類型數(shù)據(jù)庫)，將水邊照片進(jìn)行識別匹配，確定水邊點(diǎn)。上述兩種方法技術(shù)難度比較大，可優(yōu)先采用的方法是，無人機(jī)沿著流量測驗(yàn)斷面先飛行1次，通過拍照和人工經(jīng)驗(yàn)判斷確定左、右岸水邊，結(jié)合大斷面及水位等參數(shù)確定左、右岸。

左右岸識別的目的在于確定水面寬以及首條測速垂線的位置，宜選取距離岸邊水面寬1/10位置作為首條測速垂線，例如，河面寬確定100 m，那么在無人機(jī)起飛岸別水邊點(diǎn)為零點(diǎn)，往河中間10 m作為首條測速垂線，其余測速垂線分別是10 m、30 m、50 m、70 m、90 m位置。

3.3 無人機(jī)懸停高度對水面流速的影響

河道水面流速受風(fēng)速風(fēng)向和過往船只的影響大，尤其在較低流速更是首要影響因子。無人機(jī)的旋翼產(chǎn)生的對流風(fēng)在距離水面較低時，對水的擾動會產(chǎn)生顯著作用[7]，因此，研究無人機(jī)旋翼風(fēng)速在不同高度對水面流速的影響尤為關(guān)鍵，需要通過不同高度定點(diǎn)測量確定最佳懸停高度。根據(jù)無人機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)判斷和雷達(dá)測流儀或激光測速儀的量程范圍，優(yōu)選雷達(dá)測流儀或激光測速儀的量程范圍的40%～60%距離處為懸停高度，再考慮無人機(jī)旋翼的對流風(fēng)速擾動。例如，雷達(dá)測流儀或激光測速儀的量程范圍在30 m，安裝水平角為35°時，可選定5 m、10 m、15 m無人機(jī)懸停高度進(jìn)行初步試驗(yàn)，究竟哪個高度值最優(yōu)，只有通過定點(diǎn)試驗(yàn)才能確定。

3.4 大斷面的面積計(jì)算

對于有實(shí)測大斷面的測流斷面來說，可以直接輸入大斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算流量采用借用斷面，這在《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》是允許的。在突發(fā)性水事件如潰堤、潰壩發(fā)生后，利用無人機(jī)測驗(yàn)河道或潰口水面流速的方法，十分可行有效。此種情況下，水文應(yīng)急測驗(yàn)需要解決一個問題，那就是無實(shí)測資料的斷面面積計(jì)算問題。該問題可通過研究不同河道的幾何尺寸經(jīng)驗(yàn)值來初算，例如斷面形狀(如V型斷面、U型斷面、梯形斷面)、河道寬深比經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。在實(shí)際水文應(yīng)急測驗(yàn)中，河段寬度往往容易得到。

3.5 岸邊系數(shù)選擇

這個問題相對來說容易解決，在已知的河道斷面上測驗(yàn)流量，采用實(shí)際應(yīng)用值；在未實(shí)測斷面上，采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)即可[8]。值得一提的是，采用單寬流量法計(jì)算虛流量，避免了岸邊系數(shù)選擇問題。

3.6 雷達(dá)測流儀測速存在波動的技術(shù)處理

一般采用濾波法[9]，也可采用無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀或激光測速儀，按照2 s測量1個數(shù)據(jù)計(jì)算，30 s可以測量15個水面流速數(shù)據(jù)。水面流速波動問題，處理方法有3種：① 去掉最大、次大、最小、次小值后算術(shù)平均值計(jì)算；② 所有數(shù)據(jù)平均值計(jì)算；③ 選取合理的點(diǎn)流速后再計(jì)算，在程序開發(fā)時考慮就即可[10]。

3.7 采用拋投式電子浮標(biāo)測驗(yàn)垂線流速

在實(shí)踐中，選用天然浮標(biāo)的水面浮標(biāo)法測驗(yàn)大洪水流量是一種有效、安全、可靠的方法?，F(xiàn)在，采用無人機(jī)拋投電子浮標(biāo)使得水面流速測量更加安全可靠，還可以根據(jù)不同的起點(diǎn)距拋多個浮標(biāo)，通過電子浮標(biāo)計(jì)算不同垂線的水面流速，進(jìn)而計(jì)算斷面虛流量。電子浮標(biāo)需要特制，按照與水面接觸后運(yùn)行的位置，識別在斷面的垂線位置，自身通過GPS定位系統(tǒng)自動計(jì)算電子浮標(biāo)的流速。

4 初步測試分析

2020年6月，西江、北江發(fā)生較大洪水，分別在馬口、三水站開展了無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀比測試驗(yàn)和無人機(jī)投擲電子浮標(biāo)測速試驗(yàn)。

4.1 無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀試驗(yàn)

2020年6月10日，在馬口站開展了六旋翼無人機(jī)無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀測流初步試驗(yàn)。六旋翼無人機(jī)采用碳纖維一體機(jī)殼，軸距為1 133 mm，空載續(xù)航時間為38 min，負(fù)載續(xù)航能力為28 min，最大載荷能力為4 kg，最大飛行速度達(dá)50 km/h。。

雷達(dá)測流儀是一種采用微波技術(shù)的測流儀器，專用于天然河流、渠/涵/管道等水流波動場所的表面流速監(jiān)測。產(chǎn)品采用最新一代平面微波雷達(dá)技術(shù)，并采用自有后端處理技術(shù)精確提取水流速度，可實(shí)現(xiàn)非接觸式自動監(jiān)測(技術(shù)參數(shù)見表1)。

表1 雷達(dá)測流儀技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)時段為6月10日15:00～16:00，水位為6.60 m，流量為36 500m3/s，斷面平均流速為1.93 m/s。試驗(yàn)位置為馬口站流速儀測流斷面(基下1 082 m)、金馬大橋下游約300 m[11](見圖5)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～7所示。

圖5 馬口站試驗(yàn)位置示意

圖6 試驗(yàn)期間馬口站水位流量過程線示意

在流速儀測流斷面選取8條垂線進(jìn)行無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀測速，起點(diǎn)距分別為：195 m、295 m、395 m、495 m、595 m、695 m、795 m、845 m。無人機(jī)懸停高度分別離水面10 m、15 m，無人機(jī)搭載的雷達(dá)測流儀面向迎水方向，無人機(jī)在垂線上方懸停30 s。測得各垂線表面流速詳見表2。

表2 無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀各垂線測速數(shù)據(jù) m/s

同時，馬口水文站采用走航式ADCP進(jìn)行流量測驗(yàn)，將走航式ADCP流量與無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀測流數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。從斷面橫向流速分布來看，無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀測得離水面10 m測得流速略大于離水面15 m流速，總體趨勢與走航式ADCP橫向流速分布趨勢一致(見圖8)。

圖8 馬口站不同測驗(yàn)方法流速橫向分布對比示意

計(jì)算無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀法的斷面虛流量，其中無人機(jī)懸停高度10 m的計(jì)算虛流量為38 900 m3/s，懸停高度15 m的計(jì)算虛流量為35 400 m3/s，兩者均與馬口站走航式ADCP(RDI 300 kHz)測驗(yàn)成果相近(結(jié)果對比見表3)。

表3 無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀比測試驗(yàn)流量對比

4.2 無人機(jī)拋投電子浮標(biāo)測流試驗(yàn)

6月10日，在三水水文站開展無人機(jī)拋投電子浮標(biāo)測速試驗(yàn)，測試河段為北江干流水道三水水文站基本水尺斷面到三水二橋上游邊沿，距離約660 m[12]。無人機(jī)在三水站基本水尺斷面上游約50 m拋投電子浮標(biāo)，投放位置為基本水尺斷面中泓位置，運(yùn)行一段時間經(jīng)過基本水尺斷面，其中電子浮標(biāo)每秒測流速1次。采用人工計(jì)算平均流速與電子浮標(biāo)時段流速均值對比，校核電子浮標(biāo)GPS測定流速的準(zhǔn)確性。

拋投式電子浮標(biāo)測速儀采用最新北斗+GPS共計(jì)度定位技術(shù)記錄無人機(jī)拋投式電子浮標(biāo)測速儀實(shí)時軌跡，從而計(jì)算出對應(yīng)流速，使用非常方便，采用重力擺錘設(shè)計(jì)，使設(shè)備始終垂直于水面，確保設(shè)備的可靠性，適用于全天候應(yīng)急測流。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

① 測速范圍：0.15～30 m/s；

② 測速精度：±0.1 m/s；

③ 通信方式：2G/3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)；

④ 定位方式：GPS+北斗+LBS 三模定位；

⑤ 重量：1.39 kg。

測驗(yàn)時段為6月10日18:00～19:00，三水水文站水位6.78 m，H-ADCP在線流量為11 900 m3/s，斷面平均流速為1.60 m/s,測驗(yàn)期間水位流量關(guān)系曲線見圖9。從對比結(jié)果來看，電子浮標(biāo)測驗(yàn)流速與人工計(jì)算流速結(jié)果相當(dāng)(見表4)。

圖9 試驗(yàn)期間三水站水位流量過程示意

表4 電子浮標(biāo)流速比測 m/s

4.3 測試初步結(jié)論

在馬口站水位6.60 m、流量36 500 m3/s、斷面平均流速1.93 m/s情況下，無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀測流結(jié)果與走航式ADCP測驗(yàn)結(jié)果相近，懸停高度10 m、15 m測得的虛流量與實(shí)測流量誤差分別為6.6%和-3.0%；無人機(jī)搭載雷達(dá)測流儀測的斷面流速橫向分布與走航式ADCP基本一致。

在三水站水位6.78 m、流量11 900 m3/s情況下，開展無人機(jī)拋投電子浮標(biāo)測速，無人機(jī)拋投電子浮標(biāo)GPS測定流速與人工計(jì)時的計(jì)算結(jié)果誤差在6%以內(nèi)，電子浮標(biāo)流速測驗(yàn)基本可信。

經(jīng)過初步測試，基于無人機(jī)的航空水面流速法流量測驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)思路正確、合理，在高流速、大流量條件下是適用的。

5 航空水面流速法測流系統(tǒng)展望

在河道流量測驗(yàn)中，解決跨河或渡河的問題，無人機(jī)是安全有效的手段之一，可一機(jī)多用，適用多個斷面，在突發(fā)性水事件如潰堤、潰壩的應(yīng)急水文測驗(yàn)中，是安全可靠效率高的測流方法之一。

由于洪水條件限制，試驗(yàn)次數(shù)不多，下一步首先將通過不同飛行高度試驗(yàn)優(yōu)選無人機(jī)懸停高度，通過多處多次大流速、大流量的比測試驗(yàn)，評判測驗(yàn)精度，確定流量系數(shù)。其次，分析出不同河流、不同區(qū)域的斷面特征系數(shù)，即可隨時測驗(yàn)任何河流、任何河段的斷面流量。再次，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及空間地理信息，實(shí)現(xiàn)每處河流的河道流量可隨時監(jiān)測。這樣，無人機(jī)航空水面流速法測驗(yàn)系統(tǒng)將具有很大的推廣應(yīng)用價值。