本发明属于河道流量测技术领域，尤其是涉及一种基于航拍无人机的测量河道流量的方法。
背景技术：
我国河流众多，河流的综合利用在国家经济社会发展中占有重要的地位。由于我国国土面积大，地形复杂，降雨量分布不均，往往有些地方发生洪涝灾害，给国家和人民造成巨大损失。还有每到雨季时节，受到持续强降雨的影响，长江流域有些地方就会发生超警戒水位，给人们的财产和生命带来威胁。因此，做好河流流速测量工作对预防洪涝灾害，保护国家和人民的财产安全具有重要意义。
在洪水期间，河流流速的测量往往采用是人工投放浮标，利用秒表、对讲机、经纬仪等这些工具对浮标流过距离和使用时间进行确定，来计算河流的流速。该方法存在很多缺点，如测量时，设立上、中、下三个浮标断面，断面设置采用在河道两岸分别设立水泥桩，浮标流经断面时，依靠工作人员肉眼瞄准三点一线，确定浮标距离和时间，由于人为因素测量误差较大，测量结果准确性不高；面临着浮标被冲走的问题，增加了测量过程的不稳定性；测量过程中，往往需要多人配合计算浮标流过距离和时间来计算河流的流速，高洪期间不确定因素多，测量不便，不能保证测量人员的生命安全。传统浮标法测量流量投资大、占用人工多，效率低，不利于快速抢测洪峰流量。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于航拍无人机的测量河道流量的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于航拍无人机的测量河道流量的方法，其包括以下步骤：
s1、浮标断面设立：按照河水顺流的方向在河道桥梁下游选定上、中、下三个浮标测流断面，利用激光测距仪测量得出上、中、下三个断面之间的间距；在上述三个浮标测流断面处分别设有一个红外激光笔，红外激光笔架设角度正好使红外激光笔发出的激光束显示在河岸两侧且与河道形成直角的线段；以红外激光笔发出的激光束作为断面线，利用激光测距仪分别测量上断面线、中断面线、下断面线位于河道两岸之间的宽度；
s2、水深测量：利用航拍无人机搭载超声波水深仪，沿中断面线匀速飞行，快速进行水深测量；
s3、中断面架设航拍无人机：航拍无人机架设在中断面一侧的岸边位置，保持相机镜头方向与中断面线成一条直线，且将起点距的零点与相机镜头下端重叠，中断面另一侧的岸边与相机镜头上端重叠；
s4、投放浮标：根据水面宽度确定需要的浮标数量，从桥梁处按照间隔均匀距离向河道中连续投放若干个浮标，要求每个浮标位置都能投到航拍无人机的相机镜头视野之内；
s5、当投下的浮标通过上断面、中断面、下断面时，利用航拍无人机按照投放浮标、上断面拍摄、中断面拍摄、下断面拍摄的操作流程进行连续拍摄；
s6、判读浮标、测流历时、计算起点距和计算虚流量；
判读浮标：a、在计算机上预存无浮标时的上断面、中断面、下断面摄像图片资料，选出经过上断面线、下断面线的浮标图片，与步骤s5中的下断面的摄像图片进行对比，判明有效的浮标；
b、将计算机中有效的中断面浮标图片打印，以备分析；
测流历时：依据上断面、下断面处航拍无人机显示的有效浮标图像的时间差求得测流历时；
采用比例尺法、计算法或实时测距法计算起点距；
计算虚流量：虚流速是依据测流历时及上断面、下断面间距求得，即根据公式v=l/t；v为虚流速，l为上断面、下断面之间的间距，t为测流历时。
进一步地，上述的步骤s3中，中断面架设航拍无人机时，在需要摄像的上断面、中断面、下断面均设有平面定位点，平面定位点为断面线与河道两岸的交叉点，平面定位点位置等距离设在中断面线的上、下游，每次航拍无人机的俯角以本岸断面定位点进入摄像取景框的底线为准，航拍无人机取景框的顶线与河道对岸的平面定位点重叠确定。
进一步地，上述的步骤s6中，计算起点距的方法为，断面上按照测流垂线布设的要求排列出已知起点距不同垂线位置的浮标，然后拍摄出图片，并在该图片中将浮标的起点距标记出来，即做出比例尺，并将此数据内容存入计算机中；浮标在中断面的位置确定以后，用设定的比例尺在计算机上把断面线上的浮标距离直接量算出来，即求得浮标在上断面、下断面的起点距。
进一步地，上述的步骤s6中，计算起点距的方法为，利用航拍无人机垂直定位功能，测定直升机垂直高度a，记录航拍无人机的相机拍摄浮标时显示的实时俯角θ，根据公式l=actgθ，求得浮标起点距。
进一步地，上述的步骤s6中，计算起点距的方法为，采用激光测距仪，当浮标流经中断面时，采用激光测距仪照准浮标，进行实时距离测定，并予以记录。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该基于航拍无人机的测量河道流量的方法，其应用航拍无人机在水面浮标法测流中，采用航拍无人机的自动跟踪、拍摄功能，快速拍摄水面浮标流动照片，结合计算机图像软件photoshop和autocad处理图片，取得浮标起点距和流速数据，仅需3～8分钟的时间，极大地缩短测流历时，大大提高浮标法施测洪水流量效率，从而在整体上提高测流的时效性，实现快速准确的水面流速测量，再借助其他水深测量工具，即可计算出河道断面流量，从而使得浮标法测流不受地域、测流条件限制，实现测流方法高效、快捷、准确、便利。而且也无需专门建造浮标投放设施，在任何野外河道断面均可进行流量测验，给水文勘测工作也带来极大便利条件。特别是航拍无人机更加适用于中泓浮标法测量特大洪水流量，为抢测超标准洪水提供了一种更加可靠、快捷的水文测验方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
该基于航拍无人机的测量河道流量的方法，其包括以下具体步骤：
s1、浮标断面设立：按照河水顺流的方向在河道桥梁下游选定上、中、下三个浮标测流断面，上断面、中断面、下断面设置均采用在河道两岸分别设立水泥桩，利用激光测距仪测量得出上、中、下三个断面之间的间距；在上述三个浮标测流断面处分别设有一个红外激光笔，红外激光笔架设角度正好使红外激光笔发出的激光束显示在河岸两侧且与河道形成直角的线段；以红外激光笔发出的激光束作为断面线，以适应各种气候环境的要求；利用激光测距仪分别测量上断面线、中断面线、下断面线位于河道两岸之间的宽度l上、l中、l下；
s2、水深测量：利用航拍无人机搭载超声波水深仪（超声波水深仪的质量<2.5kg），沿中断面线匀速飞行，快速进行水深测量；在实际操作中，可先将航拍无人机的相机系统卸载，以尽量减少航拍无人机的载荷；
s3、中断面架设航拍无人机：航拍无人机架设在中断面一侧的岸边位置，保持相机镜头方向与中断面线成一条直线，且将起点距的零点与相机镜头下端重叠，中断面另一侧的岸边与相机镜头上端重叠；
s4、投放浮标：根据水面宽度确定需要的浮标数量，将浮标分别按序编号，从桥梁处按照间隔均匀距离向河道中连续投放若干个浮标，要求每个浮标位置都能投到航拍无人机的相机镜头视野之内；
s5、当浮标流经上断面时，转动无人机的相机镜头至上断面，进行连续拍照；当浮标流经中断面时，转动无人机的相机镜头至中断面，进行连续拍照，同时记录每个浮标流经中断面时的照相机俯角θ，当浮标流经下断面时，转动无人机的相机镜头至下断面，进行连续拍摄；既可以连续施测，也可测一次流量将拍摄的图像存储到计算机后，再测下一次流量（视涨水情况而定）；
s6、判读浮标、测流历时、计算起点距、计算虚流量。
判读浮标：a、在计算机上预存无浮标时的上断面、中断面、下断面摄像图片资料，选出经过上断面线、下断面线的浮标图片，与步骤s5中的下断面的摄像图片，此摄像图片进行放大处理，进行对比，如浮标的位置、编号、现场记录、投放顺序，判明有效的浮标；
b、将计算机中有效的中断面浮标图片按最大图幅打印，满足精度要求：常规a4纸的图幅，以备分析；
测流历时：将浮标在上断面、下断面处航拍无人机显示的有效浮标图像的时间相减，即得该浮标的测流历时t，测流历时t能够精确到0.1秒；
采用比例尺法、计算法或实时测距法计算起点距；
计算虚流量：虚流速是依据测流历时及上断面、下断面间距求得，即公式：v=l/t；v为虚流速，l为上断面、下断面之间的间距，t为测流历时。
上述的步骤s3中，中断面架设航拍无人机时，在需要摄像的上断面、中断面、下断面均设有平面定位点，平面定位点为断面线与河道两岸的交叉点，平面定位点位置等距离设在中断面线的上、下游，每次航拍无人机的俯角以本岸断面定位点进入摄像取景框的底线为准，航拍无人机取景框的顶线与河道对岸的平面定位点重叠确定。
设置平面定位点，用于计算每个被摄浮标的和中断面在拍摄图片中的起点距，以及精确定位航拍无人机的俯角和极角并保持其数值不变。
当航拍无人机的极角与断面线一致，即航拍无人机架设点与左右断桩三点一线且航拍无人机取景框的中间十字丝与左右断面桩重合，此时极角为0度。每次测流架设航拍无人机必须保持与中断面线一致，即极角为0度。
以大疆（dji）精灵phantom4pro智能航拍无人机作为优选方案。
上述的步骤s3中，航拍无人机高度和相机角度的确定，应满足中断面左右两岸与相机镜头上、下端重叠为准，以最大限度地满足起点距测量的精度要求。
下面描述航拍无人机架设高度的确定。
根据极坐标定点的原理，起点距的测算公式为：l=actgθcosψ；
式中，l---起点距（m）；θ---实测俯角；a--水面与航拍无人机水平视线的高差（m）；ψ--极角；
当航拍无人机位于断面线时，极角ψ为0°，cos0°=1，则有l=actgθ，起点距只与航拍无人机的高度a和俯角θ有关。
为了保证测量成果的精度，必须使航拍无人机架设点有一定的高度，这个高度应保证在最高洪水位使航拍无人机对最远一点视线的俯角不小于4°。
求证如下：
对极坐标测算公式两边取对数：lnl=lna+lnctgθ+lncosψ；
微分得dl/l=da/a-2dθ/sin2θ-tgψdψ；
因da/a、tgψdψ数值较小可忽略不计，所以
dl/l～2dθ/sin2θ；
以精度为1′的经纬仪为准，其测角读数误差dθ取为“1′”，
若θ=1°时代入上式可算出dl/l=1.7%；
则θ=4°时，dl/l近似为0.42%，0.42%<起点距允许测量误差0.5%，因此，当河岸有自然条件可以利用的，可直接利用自然条件进行摄像，根据公式l=actgθ，可得：a=l/ctgθ=l*tgθ。
当a和θ一定时，航拍无人机的高度只跟最高洪水位断面宽度l成比例增加。以航拍无人机到最远一点的俯角4°（断面桩的俯角在航拍无人机架的高度确定后，用经纬仪直接测量）为例，假定断面宽度为50m时，根据上述公式a=l*tgθ，可得摄像所需高度为3.5m，此后断面宽度每增加50m，航拍无人机架设需加高3.5m。同理可推求不同角度和不同断面宽时航拍无人机的高度。
下面描述航拍无人机与定位点最短距离的确定。
航拍无人机的最大垂直视角在54°～58°，以航拍无人机精确定位2m高度为例，根据正弦定理sina/a=sinb/b，可得航拍无人机拍到最近一点的距离为距岸边2.2m。因此，摄像点距离断面桩直线距离应在2.2m以上。随着仪器高度的增加，摄像点至断面桩的距离也应成比例增加。因此，在安全距离许可的情况下，尽量降低航拍无人机飞行高度。
上述的步骤s6中，采用比例尺法计算起点距，由于航拍无人机的角度和高度已固定，因此拍摄的图片比例均是一致的；在断面上按照测流垂线布设的要求排列出已知起点距不同垂线位置的浮标，然后拍摄出图片，并在该图片中把浮标的起点距标记出来，即做出比例尺，并将此数据内容存入计算机中；浮标在中断面的位置确定以后，用设定的比例尺在计算机上把断面线上的浮标距离直接量算出来，即求得该浮标在上断面、下断面的起点距；计算机上的比例尺根据起点距精度要求和图幅的大小拉长或缩小。
比例尺法：以航拍无人机到最远一点俯角4°、断面宽度50m，无人机高度2m，比例1：1000为例，根据公式l=a/tgθ可得出不同角度的起点距，然后按照各角度的起点距做出比例尺。
制作比例尺：因为一般摄像器材的视角宽度为54°左右，本比例尺的标注尺寸以角度4°～58°，每1°为平均基准线，按上述角度对应的起点距的数据比例标出距离即可。实际工作中，可把经纬仪架设到与航拍无人机同一位置和相同高度，直接测量出来左右断桩的俯角度，然后把两者之间的角度以每1°或每1′为平均基准线，将按其不同的俯角度和航拍无人机高度计算出来的起点距数据标到其对应的俯角度上，即制作出该比例尺并将此数据内容存入计算机中，以后可用该比例尺将图片中浮标的起点距直接量出。
比例尺根据需要角度和起点距可进行细分，以满足工作需要。
上述的步骤s6中，采用计算法计算起点距，利用航拍无人机垂直定位功能，测定直升机垂直高度a。记录航拍无人机的相机拍摄浮标时显示的实时俯角θ，根据公式l=actgθ，求得浮标起点距。
上述的步骤s6中，采用实时测距法计算起点距，采用激光测距仪，当浮标流经中断面时，采用激光测距仪照准浮标，进行实时距离测定，并予以记录。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。