无人机测流应用在水文站应急测流的可靠性研究

曾 爽，罗咏涛

(四川省雅安水文水资源勘测局，四川 雅安，625000)

1 引言

水文站在遇到高洪时，涨率较快，漂浮物多，风浪大。铅鱼、电波流速仪需要缆道、ADCP需要测量船、雷达枪需要有桥梁支撑，诸如此类应用，都存在各种不便，随着无人机技术的日益成熟，逐渐形成了无人机+行业应用的模式。近几年水灾害频繁出现，以及应急监测的迫切需要，无人机+水利应用开始出现并广泛应用。无人机测流是水文测验与无人机的完美结合，是专为水文应急监测和水文调查量身打造的水文测验方案。针对洪水时期常规应急监测方法难以执行的情况，利用无人机起飞便捷、不受地形影响的优势，加上高精度水文河道监测设备，完美地解决了洪水期间应急监测困难的问题。

2 无人机测流工作原理及优点

2.1 无人机测流工作原理

由无人机搭载多普勒原理的测速仪器，应用多普勒效应(即移动物体对所接收到电磁波有频移动效应)，根据接收到的反射波频移量计算得出被测物体的运动速度。配合专用无人机测流软件，可以实现在固定垂线，固定高度对水面进行测速，测速时，电波流速仪发射的微波斜向射到需要测速的水面上。由于有一定斜度，所以除部分微波能量被水吸收外，一部分会折射或散射损失掉。但总有一小部分微波被水面波浪的迎波面反射回来，产生的多普勒频移信息被仪器的天线接收。测出反射信号和发射信号的频率差，便可以计算出水面流速。

2.2 无人机测流的优点

(1)精度高，无论是高程还是起点距，都可达到厘米级精度。

(2)操控性好，可通过操作遥控器上的按键，采集水边、采集水位、测速。

(3)设备扩充性好，无人机可搭载水文设备、可搭载摄像设备，还可搭载其他设备。

(4)水面可视性强，设备搭载2个可切换的摄像头，方便多角度观测水面。

(5)符合水文工作习惯，软件上的俯视图、断面图符合水文工作习惯。

(6)坐标系精准，无人机飞行轨迹、飞行过程，可叠加在交通图、影像图上显示。

(7)数据交换功能强，软件可导出流量计算表。

(8)过程可回溯，软件中的“重现飞行过程”“播放日志文件”功能，可再现测流过程。

(9)测流过程智能，系统可启动一键测流，无人机沿航线飞行，自动悬停测速。

3 无人机测流在荥经水文站使用分析

3.1 荥经水文站基本概况

荥经水文站建于1951年12月1日，该站测验断面位于荥河与经河汇合口下游约1.5km，由于基本水尺断面与测流断面不一致，故在1956年6月1日将基本水尺断面上迁60m与测流断面重合，称荥经(二)站。荥经(二)站地处荥经县大田坝乡新文村，站址坐标为东经102°51′、北纬29°49′，集水面积1694km2，高程系统采用吴淞基面，距上游荥经县城约4km，距河口27km，多年平均径流量超过30亿m3。该站测验项目有降水、水位、流量、泥沙等，属国家三类精度站。

荥经河属于山溪性河流，水深、流速都较大，河床较为稳定，该站水位流量关系多为多线型，大多数涨水时间都在深夜，且受上游电站调水影响，水位涨率较大，陡涨陡落，所以涨坡测流很困难。

3.2 无人机搭载电波流速仪测流水面流速系数率定

3.2.1 比测方法

在转子式流速仪测验的相同级水位，相同垂线进行电波流速仪测速，两者的相应水位基本相同，分别进行流量计算，得到两种流速仪测验的流量成果，并进行比测分析统计及计算。

3.2.2 比测资料系列

根据荥经站2020年在不同水位级采用两种流速仪所测的流量成果(转子式流速仪测得实际流量，无人机搭载电波流速仪测得虚流量，且符合GB 50179-2015《河流流量测验规范》要求)，以转子式流速仪测量值为真值，电波流速仪测量值为虚值，进行比较分析及误差统计。并对比分析相同垂线下无人机0.0和流速仪0.6的流速分布情况(如图2)，流速分布走向基本一致，且与断面形状基本对应。

图1 2020年荥经站断面

图2 V电波0.0与V流速仪0.6高中低流速对比分布

荥经水文站2020年无人机搭载电波流速仪和LS25-1转子式流速仪比测资料及误差分析见表1。

表1 荥经(二)站流速仪与无人机测流流量误差

3.3 系数分析

分别建立无人机搭载电波流速仪与转子式流速仪水位流量关系，经三线检验合格，其中电波流速仪随机不确定度为8.6%，系统误差-1%，转子式流速仪随机不确定度为6.4%，系统误差为0.0%，均符合《水文资料整编规范》(SL 247-2012)要求。

建立无人机搭载电波流速仪与转子式流速仪所测流量关系曲线，得出无人机搭载电波流速仪系数见图3，流速仪流量与电波虚流量关系式为Q=Q0.0×0.86-64.4。

图3 荥经(二)站2020年流速仪与无人机测流流量关系

3.4 误差计算

误差分析参照《水文资料整编规范》(SL 247-2012)中测量精度要求，其相对误差及标准差计算公式如下：

式中：δ——测量误差，用百分数表示(%)；

Q虚——电波流速仪测得的虚流量；

Q实——转子式流速仪测得的实际流量；

SY——相对标准差(%)；

Y——算术平均值；

Yi——第i个测量值。

将60份流量作关系检验，各项检验均合理，成果如下：

(1)误差水平

系统误差：P=0%。

相对误差在±3%以内的合格率：P=55%。

相对误差在±5%以内的合格率：P=83.3%。

相对误差在±8%以内的合格率：P=90%。

相对误差在±12%以内的合格率：P=96.7%。

(2)符号检验

正号个数k=26，负号个数k=34，测点总数n=60，显著性水平a=0.25，u=0.9，u(1-a/2)=1.15，u

(3)适线检验

变换符号次数k=35，测点总数n=60，k>0.5(n-1)，免作此检验。

(4)偏离系数检验

平均相对偏离值的标准sp=0.6%，统计量t=-0.95，显著性水平a=0.1，临界值t(1-a/2)=1.67，│t│

(5)测点标准差

测点总数n=60，实测流量标准差Se=4.6%。

4 结论

通过对比测资料进行系统地分析，可以发现无人机搭载电波流速仪在荥经水文站测流精度较高，满足《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)浮标法测流精度标准，符合《水文资料整编规范》(SL 247-2012)要求，可以作为荥经水文站中高水(Z>738.50m)测流的应急测验方法，其使用系数为Q=Q0.0×0.86-64.4。

采用无人机搭载电波流速仪实测流量，具有测验设施安装简单、不受水草、缆道、漂浮物影响，安全可靠、可以在较为复杂的水流情况下进行水面流速的测定，不仅可以降低人工测量的危险系数，而且可以提高流速准确度，还可以高效地完成洪峰流量的应急监测工作。因此，可以提前为下游做出可靠的预警预报信息，从而为城镇低洼地段受威胁群众争取到宝贵的撤离时间。无人机搭载电波流速仪是一种值得在超警戒洪水以及需要对洪水淹没进行分析和预判推广应用的测流手段。