高 軍 談曉珊
(1.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012;2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心,江蘇 南京 210012)
水文測報是水旱災害防治的重要支撐,在歷年防汛抗旱減災的指揮決策、科學調度,有效處置險情、災情中發(fā)揮了關鍵作用[1]。特別是21世紀以來,各種新技術在水文儀器、設備及裝置方面的應用,使測、報、整、算、資料存貯檢索等各項水文業(yè)務,進入了一個完全嶄新的歷史階段。如水文巡測、水情遙測、水資源監(jiān)控、優(yōu)化配置及調度、公網和衛(wèi)星通信及遙感、天空地立體監(jiān)測、計算機信息處理、存貯、檢索,以及無人機、云平臺、物聯網、大數據業(yè)務應用等,極大地改變了水文測報技術的水平,同時也賦予了水文事業(yè)新的歷史使命[2]。
隨著現代科技發(fā)展,近年來河流流量測驗方法呈現出多樣化趨勢,技術不斷推陳出新,傳統的測流手段和設備已不能滿足信息化發(fā)展的需求,特別是對于防汛應急搶險流量的測驗[3-5]。當河流處于洪水期間時,傳統測流設備如纜道鉛魚,無法下水作業(yè)。當河流流速大于2m/s時,走航式ADCP遙控船也無法安全地進行流量測驗[6]。無人機因其機動靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、快速響應的多數據獲取能力,可以完成河道走向、水情監(jiān)測、水庫監(jiān)測、洪災區(qū)域檢查等工作[7-8]。同時,在水利管理上也具有廣大的應用前景,包括水域規(guī)劃、水利監(jiān)測與水利管理?;跓o人機平臺的測流系統應運而生,克服了傳統流量測驗存在的缺點,可隨時待命應對突發(fā)狀況,特別適用于防汛應急搶險測流。
無人機測流是水文測驗的一種新型流量測驗方式,系統包括空中設備和地面設備,主要由旋翼無人機、增穩(wěn)云臺、雷達流速儀、電臺通信系統、地面控制系統、供電系統和移動終端組成。其中,空中設備包括無人機、增穩(wěn)平臺、雷達流速儀;地面設備則由無線接收終端、移動終端構成,見圖1。該系統適用于流態(tài)穩(wěn)定的河流中應急及巡測流量監(jiān)測。
圖1 無人機測流系統結構示意圖
基于無人機測流系統各部分的工作原理如下:
a.無人機:用于掛載雷達流速儀、無線攝像頭等設備。
b.增穩(wěn)云臺:可以調整雷達流速儀的姿態(tài),使其符合雷達流速儀的安裝要求。當無人機懸停測流時,云臺能保持雷達流速儀的垂直角、橫滾角恒定,最大程度地減少用無人機自身振動以及風、雨等的因素導致的無人機晃動,保證測流精度。無線雷達流速儀通過流速儀云臺掛載于無人機上。
c.雷達流速儀:利用多普勒效應,測量水體表面的流速。當無人機懸停測流時,雷達流速儀采集水流流速數據,并通過內置的無線短傳模塊將數據傳輸至地面無線接收終端。
d.電臺通信系統:用于傳輸無人機控制指令和相關掛載設備的信息。
e.地面控制系統:用于發(fā)送指令和接收無人機等裝置的相關數據。
f.移動終端:地面移動終端為個人筆記本電腦或帶有USB接口的Windows平板,裝載測流軟件。
系統數據傳輸結構見圖2。
圖2 系統數據傳輸結構
無人機平臺的測流系統能夠將無線測流系統的核心功能發(fā)揮得淋漓盡致,能快速便捷測量出中小河流、大江大河等水文測驗對象的流速數據。還可以回傳經過區(qū)域的圖像信息,保證水利行業(yè)設備與新興先進產物牢牢結合。該系統可實現以下功能:?可同時傳輸搭載在無人機上的圖像與流速儀傳感器數據;?河道斷面圖顯示;?根據斷面數據進行飛行航線自動規(guī)劃;?測流雷達回傳數據解析、顯示;?輸入水位高度,可自動計算斷面面積、斷面流量、水面寬、平均流速、平均水深、最大流速、最大水深;?配套測流軟件自動生成符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)的測深、測速記載及流量計算表[9];?在測流過程中實時模擬飛行示意圖和航測點實時測速數據;?無人機飛行狀態(tài)監(jiān)測、低壓告警、自動返航、自身故障報警等。
基于無人機平臺的測流系統其實質是使用了流速面積法,前提條件是通過圖紙或實地勘察選取監(jiān)測河流的均勻斷面。其基本原理是通過橫斷面上單元面積的流量是該面積與水流速度(流速)的乘積,分別測量各個部分的流速和面積即可求得流量。雷達流速儀采用多普勒效應原理測量水體表面流速。雷達測流儀將24GHz的射頻信號沿軸向前方發(fā)射出去,信號遇到前方物體后發(fā)生漫反射,沿軸向返回的信號被接收到。由于物體的運動,接收到的信號頻率發(fā)生多普勒頻移,頻移量的大小與物體的速度成正比。通過解算多普勒頻率,就能夠得到物體移動的速度。
將流速儀的軸線和水流方向置于同一個鉛垂面內,見圖3,流速儀所測量的徑向多普勒速度為
圖3 雷達測流儀測量原理示意圖
v=vmcosα
(1)
式中:vm為雷達測流儀測量得到的多普勒速度,m/s;v為實際水流速度,m/s;α為雷達測流儀軸向方向與水流方向之間的夾角,(°)。
當雷達測流儀軸向方向與水流方向不在同一個鉛垂面內時,水流速為
v=vm+vm/cosβ
(2)
式中:β為是雷達測流儀軸向方向與水流方向在水平面內的夾角,(°)。
雷達測流儀能夠自動測量俯角,并對測量的速度進行余弦校正。在測量的時候,應盡量使β=0,即雷達測流儀前進方向與水流方向一致。當β≠0時,應對β進行實地測量, 并按式(2)進行校正。
無人機測流系統利用無人機搭載雷達測流模塊對河道流速進行監(jiān)測,當無人機飛到河流斷面指定位置后懸停,對水面流速進行測量,并將雷達流速儀監(jiān)測到的河流流速數據直接通過地面軟件回傳。測量流量時,將測流斷面分成若干個子斷面,系統調取后臺河道斷面起點距和高程數據,自動進行飛行航線規(guī)劃,起飛測量每個子斷面內垂線上一點的河流表面流速,并根據當前水位計算得到子斷面的平均流速和流量,再將各個子斷面的流量疊加,就得到整個斷面的流量。系統可同時計算得出河道的水面寬度、平均流速、平均水深、最大流速、最大水深等水文數據。
測流垂線按照《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179—2015)要求進行布設[10]。如圖4所示,虛線為測流斷面設置的垂線,共n條垂線,將測流斷面分為n+1個小斷面。每條垂線上的垂線平均流速vi垂為無人機在該測點雷達流速儀所測的表面流速vi表與水面流速系數k兩者的乘積,即:
vi垂=vi表k
(3)
圖4 測流斷面示意圖
式中:i為對應的測速垂線或測深垂線序號,i=1,2,…,n。
N+1個斷面各自小斷面流量計算法則如下:
Q1=v1表k1P1S1
(4)
(5)
Qn+1=vn表knP2Sn+1
(6)
Q總=Q1+Q2+Q3+…Qn+1
(7)
式中:i取值范圍為2~10;Si為相應小斷面面積,m2;P1和P2為岸邊系數。岸邊系數按照《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179—2015)內表B.7.1取值[10],見表1。
表1 岸邊系數
無人機測流系統地面移動終端配套測流軟件與空中的無線雷達流速儀形成配套一對一使用。測流軟件主界面會顯示測試站點、測試人員、天氣、測量參數及測流斷面,見圖5。對站點、測試人員及天氣信息進行編輯后,軟件可實現的主要功能如下:?測站基本參數配置;?實測斷面信息配置;?測流垂線與測流參數配置;?自動測流,無人機沿航線飛行,自動懸停測流:根據設置的斷面信息、垂線信息、測流參數信息,自動完成測流的過程,在測流過程中實時模擬飛行示意圖和航測點實時測速數據; ?數據計算與導出,測流軟件可計算并導出流量計算表,可生成測點-流速關系線;?日志管理:記錄用戶登錄、系統操作、程序更新等信息管理;?系統權限管理。
圖5 測流軟件主界面
經過現場多次實驗,將無人機測流與纜道流速儀測驗結果進行比測,結果見表2、表3,比測結果相對誤差都沒有超過13%,無人機測流基本能滿足應急搶險環(huán)境下的測流精度要求。
表2 無人機水面流速測驗與纜道流速儀測驗結果對比
表3 無人機定點懸停位置與實際水平距離對比
無人機平臺的測流系統主要用于沒有測流設備的河道洪水應急監(jiān)測,可在最短時間內測得流量數據,并及時上報給上級防汛部門,能夠大大減輕洪水災害造成的損失,為相關部門的應急決策提供科學、有力的技術支撐。智能社會的發(fā)展促使我們積極探索新技術與水文業(yè)務的深度融合,研究大數據、云計算、人工智能、無人機、移動互聯等現代信息技術在水文數據處理和信息服務中的應用,未來結合行業(yè)的應用需求和專業(yè)技術的開發(fā),加快空間遙測技術在水文監(jiān)測中的應用,適時地建立天地一體化、智慧化的水文監(jiān)測體系。