無人機(jī)測流應(yīng)用在水文站應(yīng)急測流的可靠性研究

曾 爽，羅詠濤

(四川省雅安水文水資源勘測局，四川 雅安，625000)

1 引言

水文站在遇到高洪時，漲率較快，漂浮物多，風(fēng)浪大。鉛魚、電波流速儀需要纜道、ADCP需要測量船、雷達(dá)槍需要有橋梁支撐，諸如此類應(yīng)用，都存在各種不便，隨著無人機(jī)技術(shù)的日益成熟，逐漸形成了無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用的模式。近幾年水災(zāi)害頻繁出現(xiàn)，以及應(yīng)急監(jiān)測的迫切需要，無人機(jī)+水利應(yīng)用開始出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用。無人機(jī)測流是水文測驗與無人機(jī)的完美結(jié)合，是專為水文應(yīng)急監(jiān)測和水文調(diào)查量身打造的水文測驗方案。針對洪水時期常規(guī)應(yīng)急監(jiān)測方法難以執(zhí)行的情況，利用無人機(jī)起飛便捷、不受地形影響的優(yōu)勢，加上高精度水文河道監(jiān)測設(shè)備，完美地解決了洪水期間應(yīng)急監(jiān)測困難的問題。

2 無人機(jī)測流工作原理及優(yōu)點

2.1 無人機(jī)測流工作原理

由無人機(jī)搭載多普勒原理的測速儀器，應(yīng)用多普勒效應(yīng)(即移動物體對所接收到電磁波有頻移動效應(yīng))，根據(jù)接收到的反射波頻移量計算得出被測物體的運動速度。配合專用無人機(jī)測流軟件，可以實現(xiàn)在固定垂線，固定高度對水面進(jìn)行測速，測速時，電波流速儀發(fā)射的微波斜向射到需要測速的水面上。由于有一定斜度，所以除部分微波能量被水吸收外，一部分會折射或散射損失掉。但總有一小部分微波被水面波浪的迎波面反射回來，產(chǎn)生的多普勒頻移信息被儀器的天線接收。測出反射信號和發(fā)射信號的頻率差，便可以計算出水面流速。

2.2 無人機(jī)測流的優(yōu)點

(1)精度高，無論是高程還是起點距，都可達(dá)到厘米級精度。

(2)操控性好，可通過操作遙控器上的按鍵，采集水邊、采集水位、測速。

(3)設(shè)備擴(kuò)充性好，無人機(jī)可搭載水文設(shè)備、可搭載攝像設(shè)備，還可搭載其他設(shè)備。

(4)水面可視性強，設(shè)備搭載2個可切換的攝像頭，方便多角度觀測水面。

(5)符合水文工作習(xí)慣，軟件上的俯視圖、斷面圖符合水文工作習(xí)慣。

(6)坐標(biāo)系精準(zhǔn)，無人機(jī)飛行軌跡、飛行過程，可疊加在交通圖、影像圖上顯示。

(7)數(shù)據(jù)交換功能強，軟件可導(dǎo)出流量計算表。

(8)過程可回溯，軟件中的“重現(xiàn)飛行過程”“播放日志文件”功能，可再現(xiàn)測流過程。

(9)測流過程智能，系統(tǒng)可啟動一鍵測流，無人機(jī)沿航線飛行，自動懸停測速。

3 無人機(jī)測流在滎經(jīng)水文站使用分析

3.1 滎經(jīng)水文站基本概況

滎經(jīng)水文站建于1951年12月1日，該站測驗斷面位于滎河與經(jīng)河匯合口下游約1.5km，由于基本水尺斷面與測流斷面不一致，故在1956年6月1日將基本水尺斷面上遷60m與測流斷面重合，稱滎經(jīng)(二)站。滎經(jīng)(二)站地處滎經(jīng)縣大田壩鄉(xiāng)新文村，站址坐標(biāo)為東經(jīng)102°51′、北緯29°49′，集水面積1694km2，高程系統(tǒng)采用吳淞基面，距上游滎經(jīng)縣城約4km，距河口27km，多年平均徑流量超過30億m3。該站測驗項目有降水、水位、流量、泥沙等，屬國家三類精度站。

滎經(jīng)河屬于山溪性河流，水深、流速都較大，河床較為穩(wěn)定，該站水位流量關(guān)系多為多線型，大多數(shù)漲水時間都在深夜，且受上游電站調(diào)水影響，水位漲率較大，陡漲陡落，所以漲坡測流很困難。

3.2 無人機(jī)搭載電波流速儀測流水面流速系數(shù)率定

3.2.1 比測方法

在轉(zhuǎn)子式流速儀測驗的相同級水位，相同垂線進(jìn)行電波流速儀測速，兩者的相應(yīng)水位基本相同，分別進(jìn)行流量計算，得到兩種流速儀測驗的流量成果，并進(jìn)行比測分析統(tǒng)計及計算。

3.2.2 比測資料系列

根據(jù)滎經(jīng)站2020年在不同水位級采用兩種流速儀所測的流量成果(轉(zhuǎn)子式流速儀測得實際流量，無人機(jī)搭載電波流速儀測得虛流量，且符合GB 50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》要求)，以轉(zhuǎn)子式流速儀測量值為真值，電波流速儀測量值為虛值，進(jìn)行比較分析及誤差統(tǒng)計。并對比分析相同垂線下無人機(jī)0.0和流速儀0.6的流速分布情況(如圖2)，流速分布走向基本一致，且與斷面形狀基本對應(yīng)。

圖1 2020年滎經(jīng)站斷面

圖2 V電波0.0與V流速儀0.6高中低流速對比分布

滎經(jīng)水文站2020年無人機(jī)搭載電波流速儀和LS25-1轉(zhuǎn)子式流速儀比測資料及誤差分析見表1。

表1 滎經(jīng)(二)站流速儀與無人機(jī)測流流量誤差

3.3 系數(shù)分析

分別建立無人機(jī)搭載電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀水位流量關(guān)系，經(jīng)三線檢驗合格，其中電波流速儀隨機(jī)不確定度為8.6%，系統(tǒng)誤差-1%，轉(zhuǎn)子式流速儀隨機(jī)不確定度為6.4%，系統(tǒng)誤差為0.0%，均符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)要求。

建立無人機(jī)搭載電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀所測流量關(guān)系曲線，得出無人機(jī)搭載電波流速儀系數(shù)見圖3，流速儀流量與電波虛流量關(guān)系式為Q=Q0.0×0.86-64.4。

圖3 滎經(jīng)(二)站2020年流速儀與無人機(jī)測流流量關(guān)系

3.4 誤差計算

誤差分析參照《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)中測量精度要求，其相對誤差及標(biāo)準(zhǔn)差計算公式如下：

式中：δ——測量誤差，用百分?jǐn)?shù)表示(%)；

Q虛——電波流速儀測得的虛流量；

Q實——轉(zhuǎn)子式流速儀測得的實際流量；

SY——相對標(biāo)準(zhǔn)差(%)；

Y——算術(shù)平均值；

Yi——第i個測量值。

將60份流量作關(guān)系檢驗，各項檢驗均合理，成果如下：

(1)誤差水平

系統(tǒng)誤差：P=0%。

相對誤差在±3%以內(nèi)的合格率：P=55%。

相對誤差在±5%以內(nèi)的合格率：P=83.3%。

相對誤差在±8%以內(nèi)的合格率：P=90%。

相對誤差在±12%以內(nèi)的合格率：P=96.7%。

(2)符號檢驗

正號個數(shù)k=26，負(fù)號個數(shù)k=34，測點總數(shù)n=60，顯著性水平a=0.25，u=0.9，u(1-a/2)=1.15，u

(3)適線檢驗

變換符號次數(shù)k=35，測點總數(shù)n=60，k>0.5(n-1)，免作此檢驗。

(4)偏離系數(shù)檢驗

平均相對偏離值的標(biāo)準(zhǔn)sp=0.6%，統(tǒng)計量t=-0.95，顯著性水平a=0.1，臨界值t(1-a/2)=1.67，│t│

(5)測點標(biāo)準(zhǔn)差

測點總數(shù)n=60，實測流量標(biāo)準(zhǔn)差Se=4.6%。

4 結(jié)論

通過對比測資料進(jìn)行系統(tǒng)地分析，可以發(fā)現(xiàn)無人機(jī)搭載電波流速儀在滎經(jīng)水文站測流精度較高，滿足《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-2015)浮標(biāo)法測流精度標(biāo)準(zhǔn)，符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)要求，可以作為滎經(jīng)水文站中高水(Z>738.50m)測流的應(yīng)急測驗方法，其使用系數(shù)為Q=Q0.0×0.86-64.4。

采用無人機(jī)搭載電波流速儀實測流量，具有測驗設(shè)施安裝簡單、不受水草、纜道、漂浮物影響，安全可靠、可以在較為復(fù)雜的水流情況下進(jìn)行水面流速的測定，不僅可以降低人工測量的危險系數(shù)，而且可以提高流速準(zhǔn)確度，還可以高效地完成洪峰流量的應(yīng)急監(jiān)測工作。因此，可以提前為下游做出可靠的預(yù)警預(yù)報信息，從而為城鎮(zhèn)低洼地段受威脅群眾爭取到寶貴的撤離時間。無人機(jī)搭載電波流速儀是一種值得在超警戒洪水以及需要對洪水淹沒進(jìn)行分析和預(yù)判推廣應(yīng)用的測流手段。