CN110736449B - 一种基于低空遥感的静水平均水深估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于低空遥感的静水平均水深估算的方法：步骤一：遥感波纹采集，控制无人机悬停于目标水域上方4～8m处，调整云台，使无人机搭载的镜头垂直向下正对水面；调整镜头参数，对焦至视野水面中心后开始录制视频；直到水面恢复平静没有波纹后停止录制；步骤二：水纹信息再提取：将波纹视频信息进行逐帧的分析，重现波纹由产生到消散的各个阶段；步骤三：水深估算：将水力学中微波在水中传播的能量方程与连续方程联合计算，将简化出平均水深与波纹传播速度之间的关系，通过测量波纹传播速度进而估算水深。本发明简化了测量步骤；使用新的数据源进行水深估算是一种方法层面的创新；对工作环境及地点要求较低，大大降低测量水深的难度。

Description

一种基于低空遥感的静水平均水深估算方法
技术领域
本发明涉及水波传动、遥感信息反演技术领域，具体的说是一种基于低空遥感的静水平均水深估算方法。
背景技术
当今世界范围内，存在着大量的无资料或稀缺资料地区，如何获取这些地区的水文信息一直是困扰国内外水文学家的难题之一。而水深是水文信息监测的重要基础数据，在断面径流计算、水资源管理及水灾害监测上具有重要的地位。目前通过遥感技术对水深进行估算的研究较为粗糙，且应用领域多处在卫星数据对大型河流的水深估测，而中小型河流水深的非接触式遥感探测技术发展还有待研究，在相关的文献或研究中鲜有提及。
对于水深的探测技术概括可分为直接测量和间接测量两种。前者是一种接触式的测量方法，主要通过探杆直接测量水深。该方法具有简单、快速、准确的特点，但对于一些不易到达的地区，如高山峡谷河流、宽广水域等，该方法的应用受到限制，难以获取必要的数据。间接测量是一种非接触式的测量方法，例如使用声波传播、激光传播、区域重力变化、水纹传播等信息反演水深数据。由于该方法可获得的信息具有多样性的特征，测量手段具有非接触性、适应范围广的特征，是技术的主要进步方向。特别是水体中天然存在或易于人工制造的波纹，通过对波纹传播信息的记录与解读估算水深相比其他简介测量方法更加方便实用。
由于自然状态下的波纹传播快、存在时间短，一直以来难以详细的记录波纹产生、传播、消失的细节过程信息。基于小型低空无人机的遥感技术，亦称之为低空遥感技术，拥有数据记录高效、信息密度大的特点，在各行各业都得到了普遍的应用。而小型无人机由于携带方便、易于操作、悬空稳定等特征，更是将低空遥感具有的优势发挥的更加出色。通过深度挖掘低空遥感技术获取的波纹信息估算水深的研究，将遥感技术的应用拓展到一个新的领域，这种非接触式的技术在快捷、高效的获取水深数据，弥补缺少资料地区水文信息的不足等方面具有良好的应用前景。
发明内容
本发明目的是提供一种基于低空遥感的静水平均水深估算方法。在低空遥感技术的支持下，通过分析水中波纹的产生、传播、消散信息进行水深较为准确的估测。
本发明可通过下述技术方案实现：
本发明是一种基于低空遥感的静水平均水深估算的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：遥感波纹采集
水波纹的采集是基于小型无人机的低空遥感技术。具体如下：控制无人机悬停于目标水域上方4～8m处，调整云台，使无人机搭载的镜头垂直向下正对水面；调整镜头参数，对焦至视野水面中心后开始录制视频；将准备的硬质规则物体垂直抛掷水中激起波纹，直到水面恢复平静没有波纹后停止录制。
其中，所述的水波纹可以为水体中天然波纹，更优的是通过投掷规则物体激起的水面波纹。
步骤二：水纹信息再提取：将步骤一通过低空遥感技术获取的波纹视频信息进行逐帧分析，重现波纹由产生到消散的各个阶段。具体过程如下：
波纹信息的再提取是将拍摄的视频逐帧播放，记录不同时间波纹的传播距离与形状变化，进而计算不同时间阶段波纹的传播速度，建立波纹传播速度、形状变化的模型，为水深估测提供基础数据。该模型为本发明在公开软件对视频分析技术的基础上进行的特别设计，模型机理如图1所示。
步骤三：水深估算
水深估算的数学及物理基础是水力学中微波在水中传播的能量方程与连续方程。能量方程与连续方程是水力学中的基本公式，通常用来分析水波的传播过程与流速的关系。两项方程的联合计算将简化出平均水深与波纹传播速度之间的关系，通过测量波纹传播速度进而估算水深。
本发明是一种基于低空遥感的静水平均水深估算方法，其优点及功效在于：
1.非接触式的测量手段扩展了远距离探测水深的方法，简化了测量步骤；
2.将无人机数据与已有波纹传播理论的结合，使用新的数据源进行水深估算是一种方法层面的创新；
3.高效稳定的低空遥感技术对环境的适应能力较强，对工作环境及工作地点的要求较低，降低了水深估算的难度。
附图说明
图1为本发明方法流程框图。
图2为研究区位置图。
图3为波纹扩散再现图。
图4为水深估算模型的机理图。
图5a、b为干扰微波的波速传播理论图。
图6为波纹扩散速度及平均速度图。
具体实施方案
本发明提出的水深估算方法，对于解决缺少资料地区水文数据获取难的问题是一种新的思路。本发明的提出，将扩展低空遥感技术的应用领域，同时也丰富了水深探测方法的可选择范围。
见图1，本发明是一种通过水纹估算水深的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：研究对象选取
由于水波产生与传播的过程中能量存在极大的损耗，面积较大区域的水深估测误差是不可控的。因此本研究的研究对象为具有开放水面的中小型河流水体，包括但不限于中小型河湖、农业水渠、蓄水池等。
以此为标准，本实施例选取中国黑龙江省佳木斯市859农场内河流、水渠及蓄水池为研究对象，分别进行了水深估算技术的研究(图2)。859农场隶属黑龙江省农垦总局建三江管理局，位于三江平原的东北部。地理位置为47°18′～47°50′N，133°50′～134°33′E，面积1345km2，属寒温带季风气候。该农场内种植水稻面积较广，存在较多人工修建、形状规整的排水沟渠及蓄水池，为此次实验提供了良好的条件。
步骤二：遥感波纹采集
选取某规则蓄水池，控制无人机悬停于目标水域上方5m处，调整云台，使无人机搭载的镜头垂直向下正对水面。调整镜头参数，对焦至视野水面中心后开始录制视频，将准备的直径10cm混凝土球垂直抛掷水中激起波纹，直到水面恢复平静没有波纹后停止录制。
在本实施例中，大疆公司生产的精灵4P四旋翼无人机作为低空遥感的信息采集平台，在GPS和飞控系统的控制下，悬停精度为±0.1m，对于正面拍摄波纹信息提供了稳定可靠的平台。该款无人机所携带的相机拍摄视频最大码流为60Mbps，支持包括4K在内的多种格式视频格式，为后期分析提取波纹从产生到消散各阶段的细节数据提供了可能。
步骤三：波纹重现
将通过低空遥感技术获取的波纹视频信息通过PotPlayer软件进行逐帧的分析，重现波纹由产生到消散的各个阶段，记录波纹传播时间与传播距离，细致监测波纹扩散的情况，挑选较为完整的波纹作为具体研究分析的对象，如图3所示。计算不同时间阶段波纹的传播速度，建立波纹传播速度、形状变化的模型，为水深估测提供基础数据。该模型为本发明在公开软件对视频分析技术的基础上进行的特别设计，模型机理如图4所示。
步骤四：水深估测
静水中干扰微波的波速传播研究是本发明的理论基础。如图5a、b所示，为任意断面形状的平底棱柱明渠，假设其水深为h,水面宽为W,过水断面为A。水深静止时人工干扰产生波高为Δh的微小干扰波，假设其传播速度为v。当我们以此时产生的波纹为参考对象时，水体将以速度v向波纹的反方向运动。对于波峰断面和波前静止水面建立能量方程如下式所示：
Figure BDA0002229051210000041
其中v1、v2分别为波峰与波前水体的相对流速，g为万有引力常数。
波前断面水体相对波峰流速v2与波纹运动速度相同，则由连续方程可得:
v1(A+ΔA)＝v2A＝cA
其中ΔA为由于干扰波的产生新增水体断面，ΔA＝wΔh。则连续方程计算v1可得：
Figure BDA0002229051210000051
将上式代入能量方程可得：
Figure BDA0002229051210000052
其中
Figure BDA0002229051210000053
即为平均水深，以
Figure BDA0002229051210000054
表示。当干扰波为微波时，即一般条件下的波纹，波高Δh要远小于断面平均水深
Figure BDA0002229051210000055
故有：
Figure BDA0002229051210000056
上式即为任意断面形状的棱柱体明渠静水微波波速计算方法，对其进行再计算，在已知波速的情况下估算水深公式如下所示：
Figure BDA0002229051210000057
静水中波纹各个方向扩散速度理论上是一致的，但是受到水底地形的影响，实际的扩散速度在各个方向上表现出细微的差异。横断面对于计算未知水道的流量、水力半径等各项信息是重要的，因此我们选择和岸边垂直的方向进行波纹扩散速度的详细记录。波纹扩散速度及平均速度如图6所示。基于以上所提出的方法，断面平均水深计算得0.61m。

Claims (1)

1.一种基于低空遥感的静水平均水深估算的方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤一：遥感波纹采集，是基于小型无人机的低空遥感技术；具体如下：控制无人机悬停于目标水域上方4～8m处，调整云台，使无人机搭载的镜头垂直向下正对水面；调整镜头参数，对焦至视野水面中心后开始录制视频；将准备的硬质规则物体垂直抛掷水中激起波纹，直到水面恢复平静没有波纹后停止录制；
步骤二：波纹信息再提取：将步骤一通过低空遥感技术获取的波纹视频信息进行逐帧的分析，重现波纹由产生到消散的各个阶段；
波纹信息的再提取是将拍摄的视频逐帧播放，记录不同时间波纹的传播距离与形状变化，进而计算不同时间阶段波纹的传播速度，建立波纹形状变化与传播速度的对应关系，为水深估测提供基础数据；
步骤三：水深估算：水深估算的数学及物理基础是水力学中微波在水中传播的能量方程与连续方程；能量方程与连续方程是水力学中的基本公式，用来分析波纹的传播过程与波纹传播速度的关系；两项方程的联合计算将简化出平均水深与波纹传播速度之间的关系，结合步骤二中由波纹形状变化得到的波纹传播速度进行水深的估算。
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