趙建華，葉 文，阮哲偉，孫圣舒，施韶暉，龔靖培

（1.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局，江蘇宿遷 223800；2.南京昊控軟件技術(shù)有限公司，江蘇南京 210000）

1 概述

在水文測驗工作中，常規(guī)的測量方法包括浮標法、流速儀法等。

浮標法［1-2］一般采用細長的浮筒樣式，采用常規(guī)前方角度交會法定位測量，浮標法存在著測量精度低，勞動強度大，工作效率不高，易受天氣和環(huán)境影響，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理自動化程度不高的等缺陷。流速儀法［3-5］是目前主流的測量手段，流速儀的種類繁多，目前水文測驗中較為常用的是ADCP多普勒流速儀［6-8］。ADCP的特點是數(shù)據(jù)準確，但是作為接觸式的測量技術(shù)，仍然存在設(shè)備架設(shè)成本高及作業(yè)風險大等缺陷。

近年來，一些廠家把雷達流速儀、雷達水位計和無人機技術(shù)相結(jié)合推出了無人機雷達測流系統(tǒng)［9-11］，實現(xiàn)了對河流表面流速的非接觸測量的模式。無人機雷達測流系統(tǒng)繼承了無人機的高機動性和靈活便捷的優(yōu)勢，同時能夠基本滿足水文測驗的基本要求，尤其在條件惡劣的應(yīng)急測流場景下能夠更安全、更高效地獲得準確的數(shù)據(jù)。但是由于數(shù)據(jù)精度容易受到風浪的影響，雷達流速儀在低流速場景下的應(yīng)用效果并不好。

視覺測流技術(shù)［12］是一種基于圖像的河流水面圖像測速技術(shù)。相比于雷達法等非接觸式測流技術(shù)，視覺測流技術(shù)具有瞬時全場流速測量的特點，在快速獲取瞬時流場、湍流特征、流動模式等方面具有明顯優(yōu)勢。視覺測流技術(shù)以天然漂浮物及水面紋理模態(tài)作為示蹤物，通過智能識別算法精準甄別波浪、紋理及示蹤物，使得視覺測流技術(shù)在低流速場景具有更優(yōu)異的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，更適用于天然河道表面流速及流量的監(jiān)測。

2 系統(tǒng)組成

無人機視覺測流系統(tǒng)是以無人機平臺搭載專業(yè)視覺流速測量儀，采用自主研發(fā)的HAIT算法引擎對野外河道流速、流向進行測量。該系統(tǒng)的核心技術(shù)基于自主開發(fā)的表面流場計算（HAIT）算法引擎。該算法引擎集圖像識別技術(shù)、粒子圖像測速技術(shù)與粒子追蹤測速技術(shù)于一體，支持圖像追蹤的處理算法和超細化流場速度分布分析，最小可實現(xiàn)4×4像素矩陣的速度矢量分析。無人機視覺測流系統(tǒng)的測量方式、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)表達符合水文規(guī)范要求。

無人機視覺測流系統(tǒng)（圖1）主要由機體、飛控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、視覺測流儀、粒子拋投器和地面站組成。

圖1 無人機視覺測流系統(tǒng)

（1）機體主體為碳纖維材質(zhì)，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)同時具有較高的強度。氣動布局采用四旋翼的整體結(jié)構(gòu)，具有高效的氣動效率和靈活的機動特性。

（2）飛控系統(tǒng)位于機體主倉內(nèi)，負責整架飛機的運動控制、智能導航和安全保障等。飛控系統(tǒng)接入各類傳感器的實時數(shù)據(jù)，包括位置、高度、航向和姿態(tài)，指引無人機按照預定的航線精準飛行。

（3）通訊系統(tǒng)負責無人機與地面站之間的信息鏈路搭建。通過電臺的不同頻段，實現(xiàn)無人機與地面站之間的狀態(tài)數(shù)據(jù)、遙控信號和視頻圖像的實時傳輸。

（4）動力系統(tǒng)包括電池、電調(diào)、電機和螺旋槳，分別負責無人機的能源供給、電流分配、能量轉(zhuǎn)化和產(chǎn)生升力。動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是無人機飛行安全的重要保障。

（5）視覺測流儀是一臺高性能工業(yè)相機，通過三軸增穩(wěn)云臺與無人機固連，安裝于無人機的正前方。視覺測流儀通過數(shù)據(jù)傳輸線纜與通訊系統(tǒng)建立雙向鏈接，一方面向地面站傳輸視頻影像，另一方面接受來自地面站的控制信號。三軸增穩(wěn)云臺能夠控制視覺測流儀的測量姿態(tài)與朝向，應(yīng)用于不同的測量場景。

（6）粒子拋投器用于拋撒示蹤顆粒，安裝于無人機的正后方。由閥門控制每次拋投的粒子數(shù)量，由飛盤將粒子水平向后拋撒。

（7）地面站由遙控器和控制軟件組成。遙控器的物理按鍵能夠?qū)o人機、視覺測流儀和粒子拋投器遠程控制，控制軟件提供了飛行控制、狀態(tài)顯示、任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)展示、報表導出等一系列功能模塊。

3 測量方法

無人機視覺測流系統(tǒng)在河道流量測驗中所使用的方法為流速面積法。在監(jiān)測斷面上根據(jù)水文測驗規(guī)范選取多條垂線，無人機飛行至垂線正上方懸停進行視覺流速測量，依次獲取每條垂線的表面流速。選取合適的系數(shù)計算垂線平均流速，再乘以對應(yīng)的部分斷面面積求得部分流量，將部分流量求和得到全斷面流量。

無人機會精準執(zhí)行地面站預設(shè)的飛行任務(wù)，開啟自動飛行。無人機從左岸起飛并飛向測點位置，通過RTK的精準定位懸停在測點正上方，通過毫米波雷達定高傳感器保持距離水面的高度。無人機穩(wěn)定懸停后，根據(jù)羅盤調(diào)整無人機的方向，使得機頭朝向垂直于斷面線并指向下游，同時視覺測流儀的三軸增穩(wěn)云臺調(diào)整視覺測流儀的拍攝視角，使得相機鉛垂向下，測量垂線處于圖像畫面的中心位置，如圖2所示。

圖2 無人機測流系統(tǒng)的測驗模式

開始測量后，地面站自動控制粒子拋投器，向上游拋撒示蹤顆粒，示蹤顆粒會隨著水流向下游漂流進入相機視野，智能算法準確地識別示蹤顆粒，并實時計算出示蹤顆粒的流動速度作為該測點表面流速V1。重復以上測量流程，將所有測流垂線的表面流速（V1，V2，…Vm）依次測出后，使用流速面積法計算河流全斷面流量Q，如圖3所示。

圖3 斷面流速分布及斷面地形

全斷面流量的計算公式為

式中：Q為全斷面流量，m3/s；μi為垂線表面流速求解垂線平均流速的修正系數(shù)；Vi為垂線表面流速，m/s；Si為垂線對應(yīng)的部分斷面面積，m2；m為垂線總數(shù)量。

4 比測試驗

2022年1月20日，在長江干流開展了無人機視覺測流系統(tǒng)與走航式聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）的比測試驗。無人機視覺測流系統(tǒng)導入斷面地形數(shù)據(jù)后，規(guī)劃自動測驗任務(wù)。走航式ADCP的測驗流程遵循河流流量測驗規(guī)范（GB50179—2015）。

無人機視覺測量系統(tǒng)與走航式ADCP同時開始施測，斷面寬度約2 200 m，水位14.30 m。無人機視覺測流系統(tǒng)選取5條垂線，起點距分別為800 m、1 031 m、1 262 m、1 493 m、1 724 m。無人機從起飛到降落完成整套施測流程，共用時16 min，垂線表面流速數(shù)據(jù)見表1。

表1 無人機視覺測流系統(tǒng)的垂線表面流速測量結(jié)果

5條垂線的表面流速分別為0.808 m/s、0.937 m/s、1.250 m/s、1.414 m/s、1.344 m/s。根據(jù)水文測驗規(guī)范流速面積法求得斷面虛流量為15 040.0 m3/s，根據(jù)該斷面浮標系數(shù)的經(jīng)驗取值，浮標系數(shù)μ取0.86，因此斷面流量為12 934.4 m3/s。

斷面流速分布如圖4所示。

圖4 無人視覺測流系統(tǒng)測驗的表面流速分布

同時進行測驗的走航式ADCP的斷面流量測驗結(jié)果為12 400 m3/s。通過分析可知，無人機視覺測流系統(tǒng)本次流量測驗的誤差為4.3%。

5 結(jié)語

作為非接觸測量技術(shù)，比測試驗體現(xiàn)了無人機視覺測流技術(shù)在實際應(yīng)用中的便捷、高效和精準的優(yōu)勢。

（1）得益于無人機平臺的便攜性，無論是山區(qū)河流還是平原河流，無論是應(yīng)急監(jiān)測還是常規(guī)測驗，無人機視覺測流系統(tǒng)都能夠即開即用。

（2）無人機平臺的高機動性，有助于測流系統(tǒng)能夠高效地完成河流所有垂線的測驗任務(wù)。

（3）視覺測流算法智能且精準，能夠準確識別河流表面漂浮物和紋理模態(tài)，量程覆蓋從低到高的全速域范圍并確保數(shù)據(jù)精準，且系統(tǒng)測流誤差小于5%，解決了測流儀器在低流速場景下數(shù)據(jù)失真的技術(shù)問題。