CN108917860A - 基于航拍激光点云的河道流量测验方法 - Google Patents
基于航拍激光点云的河道流量测验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于航拍激光点云的河道流量测验方法，采用无人机搭载三维激光扫描仪、照像机和定位系统，在固定水文断面或者选择规则顺直河段的非固定水文测流断面，从上游沿河道中轴线向下游飞行，获取测验河段三维激光点云数据、影像图；水情中心通过定位系统资料，实现影像图和激光点云图的坐标配准；在枯水季节，利用三维激光点云数据和水下断面测验方法，获取河道上、中、下三个大断面图；在需要测流时，依据点云数据获得上、中、下三个断面的实时水位；依据影像图和激光点云数据确定中断面附近多个天然浮标，计算某一固定时间内天然浮标的运行距离，由此通过天然浮标测流法或比降面积测流法得出河道流量，从而实现河道断面自动化测流。
Description
技术领域：
本发明涉及一种河道流量测量方法，特别是涉及一种基于航拍激光点云的河道流量测验方法。
背景技术：
在采用无人机搭载电波流速仪、雷达测验水面流速时，由于无人机的摆动，测速误差难于避免；当采用单纯影像方法开展浮标测速时，由于影像定位缺陷，误差也不可避免。随着社会经济发展，水污染治理攻坚战、河长制落实、防汛抗旱、山洪灾害防御、水生态文明建设等对河道流量监测提出了更多的需求，常规测流方式已经不能满足河道流量测验需要，实现河道断面自动化测流一直是水文行业追求的目标。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种测量精度高、机动性强、方法实用且可靠性高的基于航拍激光点云的河道流量测验方法。
本发明的技术方案是：
一种基于航拍激光点云的河道流量测验方法，采用无人机搭载三维激光扫描仪、照像机和定位系统，在固定水文断面或者选择规则顺直河段的非固定水文测流断面，从上游500米沿河道中轴线向下游飞行1000米，获取测验河段三维激光点云数据、影像图；通过无线通讯将获取的资料发送至水情中心；水情中心通过定位系统资料，实现影像图和激光点云图的坐标配准；利用三维激光点云数据，在河道上、中、下获取三个河道大断面图，三个大断面相邻两者之间的间距控制在200～500米，依据河道宽度而定；同时依据点云数据获得上、中、下三个断面的实时水位；依据影像图和激光点云数据确定中断面附近多个天然浮标，计算某一固定时间内各个天然浮标的运行距离，由此通过天然浮标测流法或比降面积测流法得出河道流量。
所述河道大断面的获取方法是：采用无人机在枯水季节在预设测流断面河段飞行一次，获取激光点云数据和影像图，截取大断面图；水下部分通过其他水文方法获取水下大断面图，与截取的大断面图合成为完整的断面图；在需要测流的河段，需要提前采集激光点云数据和影像图。
所述天然浮标测流法适用于中小河流高、中、低水的流量测验，在需要测流时，通过无人机获取测流河段三维激光点云数据和影像图；在影像图上，自动确定n个天然漂浮物作为天然浮标，确定的天然浮标要在横断面上分布基本均匀，通过激光点云数据可以提高天然浮标的的定位精度；依据相差时间t的两帧图片，或者无人机位于中断面上空时，拍摄相差t时间段的几幅照片，计算各个浮标运行的距离，并投影到水流方向的距离为Li，i＝1,2,…,n。天然浮标流速为Vi,则第i个天然浮标流速为
Vi＝Li/t，
水面平均流速V＝∑Vi/n，
则：Q＝ΦA V，
其中，Q为断面流量，其单位是m3/s；A为中断面过水面积，其单位是m2，通过实时水位和已经获得的大断面图计算获得；Φ为浮标系数，采用已经率定的系数或者经验浮标系数。
所述比降面积测量法适用于山丘区中小河流高、中水的流量测验，在需要测流时，通过无人机获取测流河段三维激光点云数据和影像图；坐标配准后，获取上、中、下三个断面的实时水位，并分别计算上、中、下三个断面的过水断面面积、湿周、水力半径、河段水面比降；
(1)当测流断面为人工渠道或者河道顺直、规则时：
式中：Q—流量，其单位是m3/s；n—河床糙率；A—中断面过水断面面积，其单位是m2；R＝A/X；R—水力半径，其单位是m，X—湿周，其单位是m；J—水面比降；
(2)当上、中、下三个断面有变化时
1)当水流情势为恒定流时：
式中：
Qs——比降—面积法测算的流量(m3/s)；
Au、AL——比降上、下水道断面面积(m2)；
g——重力加速度(m/s2)；
Ls——比降上、下断面间距(m)；
S——水面比降；
ξ——局部阻力系数。当河段收缩时宜取0，逐渐扩散时宜取0.3-0.5；
α——动能校正系数，可取值1.10；
——河段平均输水率。；
2)当水流情势为非恒定流时：
Sw——当地加速度引起的坡降，涨水取正号，落水取负号，实际采用有差限计算；
——断面平均流速；
t——时间；
3)河段平均输水率应分别情况按下列公式计算：
当比降上、中、下断面，沿程变化不均匀时：
式中
n——河段糙率；
Am——比降中断面水道断面面积(m2)；
Ru、Rm、RL——比降上、中、下断面的水力半径(m)。
当只设有比降上、下断面，或上、中、下三个断面变化基本均匀时：
在没有开展糙率参数率定的河道断面，通过所述天然浮标测流法计算流量，作为流量真值，计算相应水位时的河道糙率；采用这一方法开展多次测流，并计算不同水位级的糙率，从而建立不同水位级的糙率参数库，用于所述比降面积测量法的流量计算。
所述照像机包括可见光照相机或/和红外照相机，能够获取白天和夜间影像，实现全天候测流。本发明的有益效果是：
1、本发明能够满足《河道流量测验规范》的要求，并且融合航拍激光点云、影像、图形处理技术、水文测验技术为一体，采用非接触测流方式解决固定水文断面、非固定水文断面流量自动化监测问题。
2、本发明通过三维激光点云、影像图的融合分析，提高了测流精度，采用两种计算方法计算流量，实现了自动化测流技术的创新和突破。
3、本发明既可以适用于固定水文断面的流量监测，又可以用于随机河道断面的流量监测，对河道决口、突发水事件、堰塞湖泄流、中小河流巡测、山洪沟道测流均具有重大实用价值。
4、本发明能够采用浮标测流成果，自动开展不同水位级的河道糙率率定，在有河道糙率参数的水文断面，通过两种流量计算方法计算结果的对比分析，可以进一步提高流量测验精度。
5、本发明通过红外相机，获取夜间影像，可以实现全天候测流，填补了夜间测流的空白；该方法测流机动性强，方法实用，可靠性高。
6、本发明解决了中小河道测流自动化问题，在现有自动测流方法方面处于领先水平，具有广泛的应用前景，适用于固定水文断面和非固定水文断面的自动化测流，具有较好的经济效益和社会效益。
具体实施方式：
基于航拍激光点云的河道流量测验方法的原理是：
1、原理：
采用无人机搭载三维激光扫描仪、照像机和定位系统，在固定水文断面，或者选择规则顺直河段的非固定水文测流断面，从上游500米沿河道中轴线向下游飞行1000米左右，获取测验河段三维激光点云数据、影像图；通过无线通讯将获取的资料发送至水情中心；水情中心软件系统通过定位系统资料，实现影像图和激光点云图的坐标配准；利用三维激光点云数据，在河道上、中、下获取三个河道大断面图，三个断面相邻两者之间的间距通常控制在200～500米，依据河道宽度而定。同时依据点云数据获得上、中、下三个断面的实时水位；依据影像图和激光点云数据，通过软件确定中断面附近多个天然浮标，计算某一固定时间内各个天然浮标的运行距离。由此通过浮标法或比降面积法计算河道流量。通过红外相机，获取夜间影像，可以实现全天候测流。
2、河道断面的获取方法：
我国北方中小河流多为季节性河流，出现降水时，河道涨水；无降水时，处于低水或干涸状态。因此采用无人机在枯水季节在预设测流断面河段飞行一次，获取激光点云数据和影像图，截取大断面图。水下部分通过其他水文方法获取水下大断面图，与截取的大断面图合成为完整的断面图。因此在需要测流的河段，需要提前采集激光点云数据和影像图。
3、天然浮标测流计算方法：
本方法适用于中小河流高、中、低水的流量测验。在需要测流时，通过无人机获取测流河段三维激光点云数据和影像图。在影像图上，自动确定n个天然漂浮物作为天然浮标，确定的天然浮标要在横断面上分布基本均匀，通过激光点云数据可以提高天然浮标的的定位精度。依据相差时间t的两帧图片，或者无人机位于中断面上空时，拍摄相差t时间段的几幅照片，计算各个浮标运行的距离，并投影到水流方向的距离为Li，i＝1,2,…,n。天然浮标流速为Vi,则第i个天然浮标流速为
Vi＝Li/t
水面平均流速V＝∑Vi/n
则Q＝ΦA V
其中，Q为断面流量(m3/s)；A为中断面过水面积(m2)，可以通过实时水位和已经获得的大断面图计算获得；Φ为浮标系数，采用已经率定的系数或者经验浮标系数。
4、采用比降面积计算流量的方法：
本方法适用于山丘区中小河流高、中水的流量测验。在需要测流时，通过无人机获取测流河段三维激光点云数据和影像图。坐标配准后，获取上、中、下三个断面的实时水位，并分别计算上、中、下三个断面的过水断面面积、湿周、水力半径、河段水面比降等。
(1)当测流断面为人工渠道或者河道顺直、规则时
式中：Q—流量(m3/s)；
n—河床糙率；
A—中断面过水断面面积(m2)；
R＝A/X；R—水力半径(m)，X—湿周(m)；
J—水面比降。
(2)当上、中、下三个断面有变化时
1)当水流情势为恒定流时：
式中
Qs——比降—面积法测算的流量(m3/s)；
Au、AL——比降上、下水道断面面积(m2)；
g——重力加速度(m/s2)；
Ls——比降上、下断面间距(m)；
S——水面比降；
ξ——局部阻力系数。当河段收缩时宜取0，逐渐扩散时宜取0.3-0.5；
α——动能校正系数，可取值1.10；
——河段平均输水率。
2)当水流情势为非恒定流时：
Sw——当地加速度引起的坡降，涨水取正号，落水取负号，实际采用有差限计算；
——断面平均流速；
t——时间
3)河段平均输水率应分别情况按下列公式计算：
当比降上、中、下断面，沿程变化不均匀时：
式中
n——河段糙率；
Am——比降中断面水道断面面积(m2)；
Ru、Rm、RL——比降上、中、下断面的水力半径(m)。
当只设有比降上、下断面，或上、中、下三个断面变化基本均匀时：
5、河道糙率的自动率定方法：
在没有开展糙率参数率定的河道断面，通过浮标法计算流量，作为流量真值，计算相应水位时的河道糙率。采用这一方法开展多次测流，并计算不同水位级的糙率，从而建立不同水位级的糙率参数库，用于以后本方法的流量计算。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种基于航拍激光点云的河道流量测验方法，其特征是：采用无人机搭载三维激光扫描仪、照像机和定位系统，在固定水文断面或者选择规则顺直河段的非固定水文测流断面，从上游500米沿河道中轴线向下游飞行1000米，获取测验河段三维激光点云数据、影像图；通过无线通讯将获取的资料发送至水情中心；水情中心通过定位系统资料，实现影像图和激光点云图的坐标配准；利用三维激光点云数据，在河道上、中、下获取三个河道大断面图，三个大断面相邻两者之间的间距控制在200～500米，依据河道宽度而定；同时依据点云数据获得上、中、下三个断面的实时水位；依据影像图和激光点云数据确定中断面附近多个天然浮标，计算某一固定时间内各个天然浮标的运行距离，由此通过天然浮标测流法或比降面积测流法得出河道流量。
2.根据权利要求1所述的基于航拍激光点云的河道流量测验方法，其特征是：所述河道大断面的获取方法是：采用无人机在枯水季节在预设测流断面河段飞行一次，获取激光点云数据和影像图，截取大断面图；水下部分通过其他水文方法获取水下大断面图，与截取的大断面图合成为完整的断面图；在需要测流的河段，需要提前采集激光点云数据和影像图。
3.根据权利要求1所述的基于航拍激光点云的河道流量测验方法，其特征是：所述天然浮标测流法适用于中小河流高、中、低水的流量测验，在需要测流时，通过无人机获取测流河段三维激光点云数据和影像图；在影像图上，自动确定n个天然漂浮物作为天然浮标，确定的天然浮标要在横断面上分布基本均匀，通过激光点云数据可以提高天然浮标的的定位精度；依据相差时间t的两帧图片，或者无人机位于中断面上空时，拍摄相差t时间段的几幅照片，计算各个浮标运行的距离，并投影到水流方向的距离为Li，i＝1,2,…,n。天然浮标流速为Vi,则第i个天然浮标流速为
Vi＝Li/t，
水面平均流速V＝∑Vi/n，
则：Q＝ΦA V，
其中，Q为断面流量，其单位是m3/s；A为中断面过水面积，其单位是m2，通过实时水位和已经获得的大断面图计算获得；Φ为浮标系数，采用已经率定的系数或者经验浮标系数。
4.根据权利要求1所述的基于航拍激光点云的河道流量测验方法，其特征是：所述比降面积测量法适用于山丘区中小河流高、中水的流量测验，在需要测流时，通过无人机获取测流河段三维激光点云数据和影像图；坐标配准后，获取上、中、下三个断面的实时水位，并分别计算上、中、下三个断面的过水断面面积、湿周、水力半径、河段水面比降；
(1)当测流断面为人工渠道或者河道顺直、规则时：
式中：Q—流量，其单位是m3/s；n—河床糙率；A—中断面过水断面面积，其单位是m2；R＝A/X；R—水力半径，其单位是m，X—湿周，其单位是m；J—水面比降；
(2)当上、中、下三个断面有变化时
1)当水流情势为恒定流时：
式中：
Qs——比降—面积法测算的流量(m3/s)；
Au、AL——比降上、下水道断面面积(m2)；
g——重力加速度(m/s2)；
Ls——比降上、下断面间距(m)；
S——水面比降；
ξ——局部阻力系数。当河段收缩时宜取0，逐渐扩散时宜取0.3-0.5；
α——动能校正系数，可取值1.10；
——河段平均输水率。；
2)当水流情势为非恒定流时：
Sw——当地加速度引起的坡降，涨水取正号，落水取负号，实际采用有差限计算；
——断面平均流速；
t——时间；
3)河段平均输水率应分别情况按下列公式计算：
当比降上、中、下断面，沿程变化不均匀时：
式中
n——河段糙率；
Am——比降中断面水道断面面积(m2)；
Ru、Rm、RL——比降上、中、下断面的水力半径(m)。
当只设有比降上、下断面，或上、中、下三个断面变化基本均匀时：
5.根据权利要求4所述的基于航拍激光点云的河道流量测验方法，其特征是：在没有开展糙率参数率定的河道断面，通过所述天然浮标测流法计算流量，作为流量真值，计算相应水位时的河道糙率；采用这一方法开展多次测流，并计算不同水位级的糙率，从而建立不同水位级的糙率参数库，用于所述比降面积测量法的流量计算。
6.根据权利要求1所述的基于航拍激光点云的河道流量测验方法，其特征是：所述照像机包括可见光照相机或/和红外照相机，能够获取白天和夜间影像，实现全天候测流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181130 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |