无人机测流系统在水文应急监测的应用思考

李亚涛 1，黄娟萍 2

1.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012 ； 2. 福建省水文水资源勘测局闽江河口水文实验站，福建 福州 350001

[摘要] 现有的水文测验手段对于水文应急测流、不适用常规测验方式站点和灾后水文调查时期的测流还存在一些瓶颈，而无人机水文应急监测系统通过远程遥控方式进行测流，既可节省人力成本，又可适用于不同的地理环境条件，有效扩大水文资料收集范围，可广泛运用于汛中巡测和灾后水文调查。无人机水文应急监测系统是对传统水文监测技术的有利补充，是一种非常规应急测流技术方法。无人机测流系统可根据设置的断面信息、垂线信息、测流参数信息等相关信息按照预设航线飞行一键完成自动测流，在测流过程中实时显示飞行状态和航测点流速数据，并传输至地面站，测流结束后系统自动计算断面流量。

[关键词] 无人机；应急监测；水面流速；

引言

水文应急监测工作的特点主要表现为：时间紧、任务重、现场情况复杂、非常规性、专业技术综合性强。政府决策部门在启动应急预案时需要水文部门以最快的速度提供水文数据以供决策数据支撑，部分地区自然灾害发生时水文设施几乎全损，交通、通讯、监测人工员人身安全均可能面临威胁，采用常规测量方式很可能无法及时取得现场各种特征资料，导致水文分析计算没有数据支撑。

1无人机测流系统

1.1无人机测流系统组成

无水文应急无人机流量测验系统是无人机技术和非接触监测技术（如雷达波流速仪测流技术、探地雷达技术、三维激光、无线通信技术）的融合，系统由智能实测部分和控制中心两部分组成，采集河流的流速、水情数据、河流断面数据等信息。

南方HO1300无人机由飞行器，遥控器，云台相机以及配套使用的South Ground Control地面站组成。飞控系统集成于飞行器机身内，可拆卸式云台位于机身下部，可通过遥控器控制云台以及相机。也可以通过South Ground Control地面站给飞行器规划航线，使其自动航线飞行。

测流系统软件的基本功能主要包含数据采集、无人机飞行控制、通信、数据存储、测流控制软件。各模块之间相互依托、相互联系，有机构成一个统一的整体，

1.2无人机测流系统工作流程

无人机测流系统通过在测流软件中配置测站参数信息、实测断面数据、测流垂线和测流参数后点击启动测流，测流软件会自动启飞无人机，系统根据接受测流类型、测流垂线信息、测站测流信息进行水文测流，测流过程中软件每隔1秒发送一次获取飞机工况信息、位置信息、流速信息。

2实际应用比测

为检验无人机测流系统在天然河流中应用实际效果，此次比测选取水文资料比较齐全的横江水文站进行测试。主要进行了以下几项比测:

1.无人机测流系统与缆道流速仪法测流水面流速比测；

2.无人机测流系统所测虚流量与缆道流速度仪法所测流量关系；

3.经验公式所算无人机测流系统所测流量与缆道流速度仪法所测流量误差。

2.1横江水文站基本情况

横江水文站设立于1940年4月，为国家基本水文站，位于四川省宜宾市叙州区横江镇和平村，是横江汇入金沙江前的控制站点，控制集水面积14781km2,占横江流域面积的98.7%。测验断面河道顺直长约400m，低水为急滩控制，高水为下游弯道与河槽控制，河床为卵石组成，左深右浅，呈U型，断面较稳定。

2.2横江水文站测流现状

横江水文站测流现阶段采用缆道搭载LS25-3A型流速仪配以HLJ-2T流速直读仪无线接收流速信号进行流量测验，按5-8线二点法（0.2、0.8）、测速历时100或60秒测速施测流量，水位流量呈单一关系曲线（常测法）。经多年收集的水文资料分析出了3线水面1点法、7线水面1点法两种简测法（用于高洪水）的水面流速度系数，3线水面1点法系数为0.86，7线水面1点法系数为0.84；3线0.2一点代表线法（用于低水），流速系数0.884。

2.3无人机测流

无人机测流系统采用南方HO1300无人机搭截南京水利水文自动化研究所研制的NSY-SVR-SW1型雷达流速仪，流速仪测速范围0.1～20m/s。

3数据比测分析

3.1水面流速比测

无人机测水面流速速度快，且测点位于缆道下方，为确保安全流速比测选取水位较平稳时段，由缆道搭载流速仪按5线先进行水面流速测量，再由无人机搭载雷达法流速仪在相同测速垂线进行水面流速测验，水面流速比测见表1。

表1 无人机水面流速测验与缆道流速测验对比表

3.2无人机测虚流量与实测流量对比

通过无人机按常测法5线测水面流速结合断面数据先计算出虚流量，同步按照常测法5线两点法进行流量测验，无人机测得的虚流量与实测流量进行对比。由于受上游电站影响，部分测次无人机测流水位与缆道测流水位不同，用同时段实测流量通过水位进行内查流量对比，对比结果见表2。

表2无人机测虚流量与实测流量对比

3.3采用水面流速0.86系数计算流量与实测流量误差分析

根据横江水文站用历年资料分析出的3线一点代表线法率定的流速系数初步确定水面流速系数为0.86，采用0.86系数计算断面流量与日常测验方式5线两点法实测流量进行对比计算误差，误差统计见表3。

表3水面流速0.86系数计算流量与实测流量误差分析

3.4时间对比分析

横江水文站使用缆道流速仪进行流量测验，使5线二点法单次流量测验时间需要1小时左右，使用7线0.2简测法单次测验时间需要30分钟左右，3线水面一点简测法单次测验时间需15分钟左右，高洪水位测验过程中，容易出现流速仪被撞坏或被水面下漂浮物缠绕导致无信号输出，测验时间会大大增加。使用无人机搭载雷达波流速仪进行流量测验，单次测验时间在10分钟左右，可以大大提高测验效率。

4存在的问题及建议

1．无人机测流系统以其灵活、便捷的工作方式，对于应急水文测验在要求更快、环境恶劣的条件下有着重要的意义。

2．鉴于水文应急监测工作的非常规性，因此，监测数据的精度也不能按照常规要求，可适当放宽，从单站比测数据来看，效果还是较明显，建议水文应急监测中可以采用。

3．该无人机测流系统续航能力较差，水文应急监测时有可能电力系统得不到保障，需要解决无人机续航能力才能更好的应用于应急监测。

4．无人机测流过程中飞机离水面的高度也会对测流成果有影响，初步分析原因为：无人机桨叶在快速旋转中产生的气流对水面形成扰动。

5．后期还需要继续开展比测工作，最好是在高水时进行比测，同时需要考虑极端情况下飞机夜航及雨天工作。