本發(fā)明屬于河道流量測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于航拍無人機的測量河道流量的方法。
背景技術(shù)：
我國河流眾多，河流的綜合利用在國家經(jīng)濟社會發(fā)展中占有重要的地位。由于我國國土面積大，地形復雜，降雨量分布不均，往往有些地方發(fā)生洪澇災害，給國家和人民造成巨大損失。還有每到雨季時節(jié)，受到持續(xù)強降雨的影響，長江流域有些地方就會發(fā)生超警戒水位，給人們的財產(chǎn)和生命帶來威脅。因此，做好河流流速測量工作對預防洪澇災害，保護國家和人民的財產(chǎn)安全具有重要意義。
在洪水期間，河流流速的測量往往采用是人工投放浮標，利用秒表、對講機、經(jīng)緯儀等這些工具對浮標流過距離和使用時間進行確定，來計算河流的流速。該方法存在很多缺點，如測量時，設(shè)立上、中、下三個浮標斷面，斷面設(shè)置采用在河道兩岸分別設(shè)立水泥樁，浮標流經(jīng)斷面時，依靠工作人員肉眼瞄準三點一線，確定浮標距離和時間，由于人為因素測量誤差較大，測量結(jié)果準確性不高；面臨著浮標被沖走的問題，增加了測量過程的不穩(wěn)定性；測量過程中，往往需要多人配合計算浮標流過距離和時間來計算河流的流速，高洪期間不確定因素多，測量不便，不能保證測量人員的生命安全。傳統(tǒng)浮標法測量流量投資大、占用人工多，效率低，不利于快速搶測洪峰流量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于航拍無人機的測量河道流量的方法。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種基于航拍無人機的測量河道流量的方法，其包括以下步驟：
s1、浮標斷面設(shè)立：按照河水順流的方向在河道橋梁下游選定上、中、下三個浮標測流斷面，利用激光測距儀測量得出上、中、下三個斷面之間的間距；在上述三個浮標測流斷面處分別設(shè)有一個紅外激光筆，紅外激光筆架設(shè)角度正好使紅外激光筆發(fā)出的激光束顯示在河岸兩側(cè)且與河道形成直角的線段；以紅外激光筆發(fā)出的激光束作為斷面線，利用激光測距儀分別測量上斷面線、中斷面線、下斷面線位于河道兩岸之間的寬度；
s2、水深測量：利用航拍無人機搭載超聲波水深儀，沿中斷面線勻速飛行，快速進行水深測量；
s3、中斷面架設(shè)航拍無人機：航拍無人機架設(shè)在中斷面一側(cè)的岸邊位置，保持相機鏡頭方向與中斷面線成一條直線，且將起點距的零點與相機鏡頭下端重疊，中斷面另一側(cè)的岸邊與相機鏡頭上端重疊；
s4、投放浮標：根據(jù)水面寬度確定需要的浮標數(shù)量，從橋梁處按照間隔均勻距離向河道中連續(xù)投放若干個浮標，要求每個浮標位置都能投到航拍無人機的相機鏡頭視野之內(nèi)；
s5、當投下的浮標通過上斷面、中斷面、下斷面時，利用航拍無人機按照投放浮標、上斷面拍攝、中斷面拍攝、下斷面拍攝的操作流程進行連續(xù)拍攝；
s6、判讀浮標、測流歷時、計算起點距和計算虛流量；
判讀浮標：a、在計算機上預存無浮標時的上斷面、中斷面、下斷面攝像圖片資料，選出經(jīng)過上斷面線、下斷面線的浮標圖片，與步驟s5中的下斷面的攝像圖片進行對比，判明有效的浮標；
b、將計算機中有效的中斷面浮標圖片打印，以備分析；
測流歷時：依據(jù)上斷面、下斷面處航拍無人機顯示的有效浮標圖像的時間差求得測流歷時；
采用比例尺法、計算法或?qū)崟r測距法計算起點距；
計算虛流量：虛流速是依據(jù)測流歷時及上斷面、下斷面間距求得，即根據(jù)公式v=l/t；v為虛流速，l為上斷面、下斷面之間的間距，t為測流歷時。
進一步地，上述的步驟s3中，中斷面架設(shè)航拍無人機時，在需要攝像的上斷面、中斷面、下斷面均設(shè)有平面定位點，平面定位點為斷面線與河道兩岸的交叉點，平面定位點位置等距離設(shè)在中斷面線的上、下游，每次航拍無人機的俯角以本岸斷面定位點進入攝像取景框的底線為準，航拍無人機取景框的頂線與河道對岸的平面定位點重疊確定。
進一步地，上述的步驟s6中，計算起點距的方法為，斷面上按照測流垂線布設(shè)的要求排列出已知起點距不同垂線位置的浮標，然后拍攝出圖片，并在該圖片中將浮標的起點距標記出來，即做出比例尺，并將此數(shù)據(jù)內(nèi)容存入計算機中；浮標在中斷面的位置確定以后，用設(shè)定的比例尺在計算機上把斷面線上的浮標距離直接量算出來，即求得浮標在上斷面、下斷面的起點距。
進一步地，上述的步驟s6中，計算起點距的方法為，利用航拍無人機垂直定位功能，測定直升機垂直高度a，記錄航拍無人機的相機拍攝浮標時顯示的實時俯角θ，根據(jù)公式l=actgθ，求得浮標起點距。
進一步地，上述的步驟s6中，計算起點距的方法為，采用激光測距儀，當浮標流經(jīng)中斷面時，采用激光測距儀照準浮標，進行實時距離測定，并予以記錄。
由于采用如上所述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性：
該基于航拍無人機的測量河道流量的方法，其應用航拍無人機在水面浮標法測流中，采用航拍無人機的自動跟蹤、拍攝功能，快速拍攝水面浮標流動照片，結(jié)合計算機圖像軟件photoshop和autocad處理圖片，取得浮標起點距和流速數(shù)據(jù)，僅需3～8分鐘的時間，極大地縮短測流歷時，大大提高浮標法施測洪水流量效率，從而在整體上提高測流的時效性，實現(xiàn)快速準確的水面流速測量，再借助其他水深測量工具，即可計算出河道斷面流量，從而使得浮標法測流不受地域、測流條件限制，實現(xiàn)測流方法高效、快捷、準確、便利。而且也無需專門建造浮標投放設(shè)施，在任何野外河道斷面均可進行流量測驗，給水文勘測工作也帶來極大便利條件。特別是航拍無人機更加適用于中泓浮標法測量特大洪水流量，為搶測超標準洪水提供了一種更加可靠、快捷的水文測驗方法。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細說明。
該基于航拍無人機的測量河道流量的方法，其包括以下具體步驟：
s1、浮標斷面設(shè)立：按照河水順流的方向在河道橋梁下游選定上、中、下三個浮標測流斷面，上斷面、中斷面、下斷面設(shè)置均采用在河道兩岸分別設(shè)立水泥樁，利用激光測距儀測量得出上、中、下三個斷面之間的間距；在上述三個浮標測流斷面處分別設(shè)有一個紅外激光筆，紅外激光筆架設(shè)角度正好使紅外激光筆發(fā)出的激光束顯示在河岸兩側(cè)且與河道形成直角的線段；以紅外激光筆發(fā)出的激光束作為斷面線，以適應各種氣候環(huán)境的要求；利用激光測距儀分別測量上斷面線、中斷面線、下斷面線位于河道兩岸之間的寬度l上、l中、l下；
s2、水深測量：利用航拍無人機搭載超聲波水深儀（超聲波水深儀的質(zhì)量<2.5kg），沿中斷面線勻速飛行，快速進行水深測量；在實際操作中，可先將航拍無人機的相機系統(tǒng)卸載，以盡量減少航拍無人機的載荷；
s3、中斷面架設(shè)航拍無人機：航拍無人機架設(shè)在中斷面一側(cè)的岸邊位置，保持相機鏡頭方向與中斷面線成一條直線，且將起點距的零點與相機鏡頭下端重疊，中斷面另一側(cè)的岸邊與相機鏡頭上端重疊；
s4、投放浮標：根據(jù)水面寬度確定需要的浮標數(shù)量，將浮標分別按序編號，從橋梁處按照間隔均勻距離向河道中連續(xù)投放若干個浮標，要求每個浮標位置都能投到航拍無人機的相機鏡頭視野之內(nèi)；
s5、當浮標流經(jīng)上斷面時，轉(zhuǎn)動無人機的相機鏡頭至上斷面，進行連續(xù)拍照；當浮標流經(jīng)中斷面時，轉(zhuǎn)動無人機的相機鏡頭至中斷面，進行連續(xù)拍照，同時記錄每個浮標流經(jīng)中斷面時的照相機俯角θ，當浮標流經(jīng)下斷面時，轉(zhuǎn)動無人機的相機鏡頭至下斷面，進行連續(xù)拍攝；既可以連續(xù)施測，也可測一次流量將拍攝的圖像存儲到計算機后，再測下一次流量（視漲水情況而定）；
s6、判讀浮標、測流歷時、計算起點距、計算虛流量。
判讀浮標：a、在計算機上預存無浮標時的上斷面、中斷面、下斷面攝像圖片資料，選出經(jīng)過上斷面線、下斷面線的浮標圖片，與步驟s5中的下斷面的攝像圖片，此攝像圖片進行放大處理，進行對比，如浮標的位置、編號、現(xiàn)場記錄、投放順序，判明有效的浮標；
b、將計算機中有效的中斷面浮標圖片按最大圖幅打印，滿足精度要求：常規(guī)a4紙的圖幅，以備分析；
測流歷時：將浮標在上斷面、下斷面處航拍無人機顯示的有效浮標圖像的時間相減，即得該浮標的測流歷時t，測流歷時t能夠精確到0.1秒；
采用比例尺法、計算法或?qū)崟r測距法計算起點距；
計算虛流量：虛流速是依據(jù)測流歷時及上斷面、下斷面間距求得，即公式：v=l/t；v為虛流速，l為上斷面、下斷面之間的間距，t為測流歷時。
上述的步驟s3中，中斷面架設(shè)航拍無人機時，在需要攝像的上斷面、中斷面、下斷面均設(shè)有平面定位點，平面定位點為斷面線與河道兩岸的交叉點，平面定位點位置等距離設(shè)在中斷面線的上、下游，每次航拍無人機的俯角以本岸斷面定位點進入攝像取景框的底線為準，航拍無人機取景框的頂線與河道對岸的平面定位點重疊確定。
設(shè)置平面定位點，用于計算每個被攝浮標的和中斷面在拍攝圖片中的起點距，以及精確定位航拍無人機的俯角和極角并保持其數(shù)值不變。
當航拍無人機的極角與斷面線一致，即航拍無人機架設(shè)點與左右斷樁三點一線且航拍無人機取景框的中間十字絲與左右斷面樁重合，此時極角為0度。每次測流架設(shè)航拍無人機必須保持與中斷面線一致，即極角為0度。
以大疆（dji）精靈phantom4pro智能航拍無人機作為優(yōu)選方案。
上述的步驟s3中，航拍無人機高度和相機角度的確定，應滿足中斷面左右兩岸與相機鏡頭上、下端重疊為準，以最大限度地滿足起點距測量的精度要求。
下面描述航拍無人機架設(shè)高度的確定。
根據(jù)極坐標定點的原理，起點距的測算公式為：l=actgθcosψ；
式中，l---起點距（m）；θ---實測俯角；a--水面與航拍無人機水平視線的高差（m）；ψ--極角；
當航拍無人機位于斷面線時，極角ψ為0°，cos0°=1，則有l(wèi)=actgθ，起點距只與航拍無人機的高度a和俯角θ有關(guān)。
為了保證測量成果的精度，必須使航拍無人機架設(shè)點有一定的高度，這個高度應保證在最高洪水位使航拍無人機對最遠一點視線的俯角不小于4°。
求證如下：
對極坐標測算公式兩邊取對數(shù)：lnl=lna+lnctgθ+lncosψ；
微分得dl/l=da/a-2dθ/sin2θ-tgψdψ；
因da/a、tgψdψ數(shù)值較小可忽略不計，所以
dl/l～2dθ/sin2θ；
以精度為1′的經(jīng)緯儀為準，其測角讀數(shù)誤差dθ取為“1′”，
若θ=1°時代入上式可算出dl/l=1.7%；
則θ=4°時，dl/l近似為0.42%，0.42%<起點距允許測量誤差0.5%，因此，當河岸有自然條件可以利用的，可直接利用自然條件進行攝像，根據(jù)公式l=actgθ，可得：a=l/ctgθ=l*tgθ。
當a和θ一定時，航拍無人機的高度只跟最高洪水位斷面寬度l成比例增加。以航拍無人機到最遠一點的俯角4°（斷面樁的俯角在航拍無人機架的高度確定后，用經(jīng)緯儀直接測量）為例，假定斷面寬度為50m時，根據(jù)上述公式a=l*tgθ，可得攝像所需高度為3.5m，此后斷面寬度每增加50m，航拍無人機架設(shè)需加高3.5m。同理可推求不同角度和不同斷面寬時航拍無人機的高度。
下面描述航拍無人機與定位點最短距離的確定。
航拍無人機的最大垂直視角在54°～58°，以航拍無人機精確定位2m高度為例，根據(jù)正弦定理sina/a=sinb/b，可得航拍無人機拍到最近一點的距離為距岸邊2.2m。因此，攝像點距離斷面樁直線距離應在2.2m以上。隨著儀器高度的增加，攝像點至斷面樁的距離也應成比例增加。因此，在安全距離許可的情況下，盡量降低航拍無人機飛行高度。
上述的步驟s6中，采用比例尺法計算起點距，由于航拍無人機的角度和高度已固定，因此拍攝的圖片比例均是一致的；在斷面上按照測流垂線布設(shè)的要求排列出已知起點距不同垂線位置的浮標，然后拍攝出圖片，并在該圖片中把浮標的起點距標記出來，即做出比例尺，并將此數(shù)據(jù)內(nèi)容存入計算機中；浮標在中斷面的位置確定以后，用設(shè)定的比例尺在計算機上把斷面線上的浮標距離直接量算出來，即求得該浮標在上斷面、下斷面的起點距；計算機上的比例尺根據(jù)起點距精度要求和圖幅的大小拉長或縮小。
比例尺法：以航拍無人機到最遠一點俯角4°、斷面寬度50m，無人機高度2m，比例1：1000為例，根據(jù)公式l=a/tgθ可得出不同角度的起點距，然后按照各角度的起點距做出比例尺。
制作比例尺：因為一般攝像器材的視角寬度為54°左右，本比例尺的標注尺寸以角度4°～58°，每1°為平均基準線，按上述角度對應的起點距的數(shù)據(jù)比例標出距離即可。實際工作中，可把經(jīng)緯儀架設(shè)到與航拍無人機同一位置和相同高度，直接測量出來左右斷樁的俯角度，然后把兩者之間的角度以每1°或每1′為平均基準線，將按其不同的俯角度和航拍無人機高度計算出來的起點距數(shù)據(jù)標到其對應的俯角度上，即制作出該比例尺并將此數(shù)據(jù)內(nèi)容存入計算機中，以后可用該比例尺將圖片中浮標的起點距直接量出。
比例尺根據(jù)需要角度和起點距可進行細分，以滿足工作需要。
上述的步驟s6中，采用計算法計算起點距，利用航拍無人機垂直定位功能，測定直升機垂直高度a。記錄航拍無人機的相機拍攝浮標時顯示的實時俯角θ，根據(jù)公式l=actgθ，求得浮標起點距。
上述的步驟s6中，采用實時測距法計算起點距，采用激光測距儀，當浮標流經(jīng)中斷面時，采用激光測距儀照準浮標，進行實時距離測定，并予以記錄。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，而非對本發(fā)明的限制，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的專利保護范圍之內(nèi)。