基于無人機攝影的河道流量計算分析

馮光亮

(新疆峻特設計工程有限公司 阿拉爾分公司,新疆 阿拉爾 843000)

0 引 言

河道流量的準確估算對于水資源管理、洪水預警和防洪減災等領域具有重要意義[1]。傳統的河道流量估算方法主要基于地面觀測和數學模型,但這些方法存在著數據獲取困難和模型不準確的問題。隨著無人機技術的飛速發展,無人機航空攝影測量作為一種新的數據獲取和測量手段,為河道流量估算提供了全新的途徑。

無人機航空攝影測量技術具有高分辨率、靈活性和低成本等顯著優勢。通過搭載高分辨率相機進行航拍,可以獲取河道及其周邊地區的詳細圖像信息[2]。這些圖像可通過影像處理和數字圖像測量技術進行處理,從而提取出河道的幾何參數,如水面寬度、水面高程和水面流速等關鍵參數[3-5]。

本研究旨在探索利用無人機航空攝影測量技術,結合河道流量估算方法,根據無人機測量獲取河道幾何參數,依據DOM與DSM影像處理的結果,確定據曼寧公式的參數,通過RA、RMSE和MPE評價無人機攝影的河道流量計算可靠度,實現對河道流量的準確估計。研究結果可為水資源管理、洪水預警和防洪減災等領域提供參考。

1 研究對象及方法原理

1.1 研究對象

本文以新疆地區準格爾盆地東-西軸線上的五大內河流域為研究對象,截取卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等5個代表斷面進行徑流估算研究。其中,卡贊營斷面居上游,離河源14km;博爾通古、安集海和大河沿子居中游,分別占河流總長的36%、51%和63%;二叉河居下游,離河源10km。

由于無法直接測量水下地形,本文根據規范采用“流速-面積法”計算斷面,采用“一點法”獲取平均流速。根據規范,計算得到卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河的平均流速分別為1.3、1.27、1.1、1.24和0.7m/s,斷面面積分別為19.99、28.37、96.69、15.33和10.75m2,實測流量分別為25.98、36.03、106.36、19.01和7.53m3/s。

1.2 曼寧公式

由曼寧公式可知,在無壓力狀態下的水流計算經驗性公式為[6]:

v=CR1/2J1/2

(1)

式中:v為斷面流速,m/s;C為謝才系數,m1/2/s;R為水力半徑,m;J為水力梯度,Pa/m。

由于大多數河流為紊流,孫東坡和丁新求對曼寧公式的系數進行修正:

(2)

式中:A為面積,m2;n為糙率,無量綱。

由曼寧公式可知,流量計算所需參數分為實測參數與航測參數兩類。其中,實測參數為A和R;航測參數為n和J。本文采用無人機獲取的DOM影像計算J,通過對DSM影像與DOM影像的分析得到n,A和R通過實測的水下地形數據獲取。

1.3 無人機性能參數及評價方法

本文采用型號為Phantom-4-pro的無人機,相機型號和影像傳感器分別為FC300X和Sony Exmor R CMOS,相機像素為1 200萬(4000×3000),最大光圈和焦距分別為f/2.8和20 mm。無人機在卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的飛控參數為:飛行高度分別為100、70、90、90和70m;重疊率均為90%;飛行面積分別為196 035、56 207、226 547、192 850和165 346m2。

通過對5個不同高度下無人機的垂直與水平方向誤差校核發現,其RMSE達到厘米級精度。本文采用的無人機測量精度是可靠的,可用于河道地形信息的獲取。本文選取RA、RMSE和MPE評價無人機測量方法的合理性與可靠性,計算方法如下:

(3)

式中:Qe為估算的徑流值,m3/s;Qm為實測值,m3/s;n為次數。

根據規范可知,RA不應超過20%;RA、RMSE與MPE代表該方法的可靠性。

2 計算結果

2.1 水力梯度和水力半徑

水力梯度是指在水流中的液壓坡度或壓力變化率,為高程差與高程的比值,用于描述水流在垂直或水平方向上的壓力差異,因此高程對水力梯度影響顯著。由于水流從高壓區域流向低壓區域,因此水力梯度確定了水流的流向。本文研究5個河流斷面的上下游高程。通過計算可知,卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的水力梯度分別為0.014、0.013、0.007、0.007和0.003。由此可知,卡贊營斷面和博爾通古斷面的水力梯度最大,水流最急;二叉河斷面的水力梯度最小,該地地勢平緩,水流最慢。

水力半徑是指流體在通道或管道中流動時的有效半徑,用于計算液體的流速和液體的流量,與斷面形狀有關。在水利工程、土木工程和流體力學等領域,水力半徑是一個重要的參數,對于確定流體的速度分布、能量損失和流體運動的穩定性等方面具有重要意義。本文結合無人機測得的各斷面形狀見圖1;水面線與曲線圍成的形狀為實際過水斷面,將所圍面積與濕周的比值作為水力半徑,計算結果見表1。

表1 各斷面水力半徑

圖1 各斷面信息

2.2 糙率取值

糙率是指在流體通過管道、河流或渠道等通道時,通道內表面的粗糙程度或摩擦特性,用于描述通道內壁面與流體之間的摩擦阻力,影響流體的流速和流量。糙率對流體的流速和流量有顯著影響,較高的糙率會增加通道內壁面與流體之間的摩擦阻力,導致流速降低和能量損失增加。另一方面,較低的糙率會減小摩擦阻力,使流速增加。本文在傳統的經驗取值基礎上,考慮當地的地理環境、植被情況和畜牧業發展情況,對糙率的取值略大于經驗值,上述各斷面的糙率取值分別為0.09、0.11、0.16、0.08和0.07。

2.3 流量計算結果及精度分析

根據前文所述,確定曼寧公式中的水力梯度、水力半徑和糙率參數的取值。通過計算可知,卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面采用無人機攝影用于河道流量計算的相對精度分別為10.58%、28.48%、1.43%、3.98%和9.21%,實測值與計算值之間的誤差在20%以內即為可靠。因此,卡贊營、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的流量估算結果準確,合格率達到80%。由于博爾通斷面地區河水渾濁,無人機難以準確捕捉信息,導致該地區的糙率取值偏低,進而導致了較高的誤差。通過計算可知,RMSE為4.82m3/s,MPE為0.065,表明本文提出的采用無人機攝影計算河道流量的方法可靠。見表2。

表2 精度分析

2.4 影響因素

通過研究發現,影響無人機攝影計算河道流量精度的因素主要在于下墊面數據的獲取和估算過程。研究區下墊面數據的獲取是影響無人機航測數據精度的因素,主要涉及以下幾個方面:①下墊面的準確高程信息對于無人機航測數據的精度至關重要。如果下墊面的高程數據不準確或不完整,無人機在飛行過程中無法準確測量地物的高度,進而影響地形重建、三維模型生成等應用的精度。②下墊面的形狀數據包括地表的起伏、坡度等信息。這些數據對于無人機的航跡規劃和飛行控制至關重要,下墊面的形狀數據不準確或不完整,導致航測數據的精度下降。③下墊面的紋理信息對于無人機航測數據的圖像匹配和特征提取非常重要。如果下墊面的紋理信息缺乏或質量不佳,無人機在飛行過程中可能無法準確捕捉地物的紋理信息,導致航測數據的精度受到影響。

2.5 實測數據的必要性和水下地形測量的解決方法

了解實測數據的必要性和水下地形測量的解決方法,對準確估算河道流量至關重要。通過使用實測數據,可以構建出包含河道幾何特征的河道數字模型,同時運用流量計來得到水量和流速測量數據。常見的水下地形測量方法包括單線激光測距儀、聲吶測量和多波束測量。這些技術都可以用來收集水下地形數據,可以構建3D數字模型。水下地形測量是河道流量估算的關鍵之一,必須使用現有的技術,如單線激光測距儀、多波束測量和多傳感器系統。通過這些技術,可以創建準確的數字模型,在水動力學和水資源管理領域獲得準確的流量表征和預測。

此外,還有一些需要注意的問題:①即使有了實測數據和水下地形測量,河道流量估算仍然存在誤差。這是由于河道中的水流和水位高度等實際狀況的影響。因此,在河道流量估算時,需要考慮誤差的范圍和精度。②收集實測數據和進行水下地形測量需要大量的時間和人力資源。因此,河道流量估算需要精心設計和詳細計劃,以確保資源和時間利用最大化,并在測量過程中獲得最佳效果。③無人機技術的快速發展(如智能機器人和深度學習技術),為無人機航拍河道流量測量提供了更多的可能性。可以預見,未來隨著技術的不斷提升和使用方法的創新,無人機航拍測量河道流量,將成為一項更加高效、便捷、準確的方式。

3 結 論

本文將無人機攝影技術與經典曼寧公式相結合,對卡贊營、博爾通古、安集海、大河沿子和二叉河等斷面的河道流量進行了測量對比。結論如下:

1)由于高程變化對水力梯度的影響顯著,而無人機可準確捕捉河道斷面的變化。因此,無人機攝影有利于確定經典曼寧公式中的水力梯度和水力半徑參數的取值。

2)相比于經驗法對糙率取值,無人機攝影能準確獲取地形、植被、護坡和卵石等詳細信息,可提高估算具體河流糙率取值的精度。

3)通過選取RA、RMSE和MPE作為評價無人機攝影用于河道流量計算的可靠度,結果顯示,其平均誤差為10.74%,RMSE達到厘米級精度,無人機攝影用于河道流量計算結果可靠。

4)準確獲取下墊面數據和曼寧公式計算參數,對河道流量最終計算結果具有顯著的影響。