阅读说明：本技术 一种水文现场的远程测量系统及方法 (A kind of long-range survey system and method at hydrology scene ) 是由 喻昕蕾 于 2019-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水文现场的远程测量系统及方法,包括：水深测量传感器、卫星定位基站、卫星定位移动站、信号解析单元、通讯单元、云服务器、后台处理系统及无人机平台；水深测量传感器测量水深,卫星定位基站的位置固定并和卫星定位移动站形成动态差分定位；无人机平台承载水深测量传感器及卫星定位移动站；其随水流漂移；卫星定位移动站计算其现场漂移速度；信号解析单元接收测量数据,并将其通过通讯单元发送至云服务器,并接收控制指令；云服务器对测量数据及控制命令进行存储；后台处理系统接收云服务器存储的数据,发送控制指令。通过本发明,实现了水体中测点的坐标、流向、流速、水深的同步远程测量,测验时间长,精度高。(The invention discloses the long-range survey systems and method at a kind of hydrology scene, comprising: Water depth measuring sensor, satellite positioning base station, satellite positioning movement station, signal resolution unit, communication unit, Cloud Server, background processing system and unmanned aerial vehicle platform；Water depth measuring sensor sounds the depth of the water, and the position of satellite positioning base station is fixed and forms dynamic difference with satellite positioning movement station and positions；Unmanned aerial vehicle platform carries Water depth measuring sensor and satellite positioning movement station；It drifts about with water flow；Satellite positioning movement station calculates its live drift velocity；Signal resolution unit receives measurement data, and it is sent to Cloud Server by communication unit, and receive control instruction；Cloud Server stores measurement data and control command；Background processing system receives the data of Cloud Server storage, sends control instruction.Through the invention, the coordinate of measuring point in water body, flow direction, flow velocity, the depth of water are realized and synchronizes long-range measurement, workout time is long, and precision is high.)

一种水文现场的远程测量系统及方法

技术领域

本发明涉及水文测验技术领域，特别涉及一种水文现场的远程测量系统及方法。

背景技术

水文要素是水利工程和水环境工程等设计、建设和营运管理所需的基本要素，其中水流的流速和相应的水深是最重要的两个要素。目前，专门针对水文应急监测的仪器装备较少，技术人员大多采用ADCP流速仪等便携式监测设备在到达待测区后人工采集监测数据，然而，由于洪峰和风暴潮期间的野外条件复杂和环境恶劣，往往难以开展。因此，现场流速和水深的远程同步测验是各国水文测验中难题，亟需研究开发现场流速和水深的远程同步测验系统。

经检索，现有依托于无人机的流速测量系统和方法可以分为水面接触式和悬停式。前者的无人机接触水面，流速通过搭载的流速仪测量流速；后者的无人机悬停于水面上空，流速通过搭载的雷达等测速仪测量。如申请号为201711455340.3，公开一种测流无人机及测流方法，测流无人机包括机体以及安装于机体下方的雷达测流探头、雷达水位计，以及设置于机体内的电池模组和控制单元，该发明主要的不足之处在于：1)该发明所述的“控制单元根据雷达水位计所测的高度控制无人机悬停高度”在风速较大时无法准确实现悬停；2)即使当无人机的抗风能力足够强而实现悬停，但无可避免的是，本技术采用雷达测流速，由于悬停的无人机在风的吹动下回发生漂移，从而使得雷达测量流速并非水流流速，影响流速测量精度；3)该发明的系统没有提供被测点的大地坐标值的功能；4)该发明的系统没有同步测量水深的功能，无法给出测点处的水深值。

此外，申请号为201810587536.6，公开一种无人机智能水面流速测流系统，采用无人机飞行平台上搭载水面流速传感器控制系统系统和水面流速传感器，通过地面系统远程操作，实现了对水文作业人员无法到达的待测区域内水文监测数据的自动采集、自动传输、自动处理分析。该发明主要的不足之处在于：1)缺乏测量点的大地坐标测量功能。2)仅提供流速测量，但缺乏水深测量功能。3)该发明所述的系统需要“搭载水面流速传感器控制系统系统和水面流速传感器”，水面流速是通过水面流速传感器测得，该传感器往往重量大，而且昂贵，因此，对无人机的载重能力要求高，而且一旦无人机在测量过程中受损，整个系统可能葬身水下，总体损失高。4)由于该发明所述的无人机系统在水体中漂流，水面流速传感器测得的是水流实际速度和无人机漂流速度，缺乏流速的效验功能。

总体而言，无论是国外还是国内，现有的绝大多数无人机平台的测流速设备，均是采用非接触式遥感观测，其测量数据与实际存在误差，尤其是对于含沙量较高或漂浮物等散射目标较多的水域，测量误差往往较大；且测量过程中无人机一直处于飞行状态，测量工作时间受到电池电量的严重限制，实际测量时间很有限。更突出的是，现有的方法均缺乏同步测量大地坐标测量、水深和流速的功能，无法提供水深、流向及测量路径等数据。因此，急需开发相应的测验设备。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种水文现场的远程测量系统及方法，实现了水体中测点的经纬度坐标、流向、流速、水深的同步远程测量，测量数据实时网络传输、测量设备自动回收等目的。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种水文现场的远程测量系统，其包括：定位测深系统、通讯系统、云服务器、后台处理系统以及无人机平台；所述定位测深系统包括：水深测量传感器、卫星定位基站以及卫星定位移动站；其中，

所述无人机平台用于承载所述水深测量传感器以及所述卫星定位移动站；当需要进行远程测量时，所述无人机平台用于飞行至目标水域并降落在水面以开展测量；

所述无人机平台的下方设置有浮体，所述浮体用于使所述无人机平台漂浮在水面并随水流自由同步运动，以通过测量所述无人机平台随水流的漂移速度来获得所述目标水域的现场流速；

所述水深测量传感器用于测量水深，获得水深数据；

所述卫星定位基站的位置固定，所述卫星定位移动站设置于所述无人机平台上，随所述无人机平台运动；所述卫星定位基站与所述卫星定位移动站之间形成动态差分定位，所述卫星定位移动站还用于根据动态差分定位数据计算所述目标水域的无人机平台的现场漂移速度；

所述通讯系统设置于所述无人机平台上，包括信号解析单元以及通讯单元；其中，信号解析单元用于接收动态差分定位数据和水深数据，并将所得数据通过所述通讯单元发送至所述云服务器，还用于通过所述云服务器接收所述后台处理系统的控制指令；

所述云服务器用于对所述通讯系统发送的动态差分定位数据、无人机平台的现场漂移速度、水深数据以及所述后台处理系统的控制命令进行存储；

所述后台处理系统用于接收所述云服务器存储的数据，并对数据进行分析计算图形显示、对定位测深系统发送控制指令以控制所述定位测深系统开始测试或停止测试。

较佳地，所述浮体为密度小于水的浮体。

较佳地，所述浮体为空心的圆柱体，所述圆柱体的轴线与无人机平台的平面平行。

较佳地，所述圆柱体浮体的空心部分的体积由所述无人机平台的载重决定，所述无人机平台的载重越重，所述圆柱体浮体的空心部分的体积越大。

较佳地，所述后台处理系统还用于对所述云服务器存储的无人机平台的现场漂移速度进行校正。

较佳地，所述后台处理系统中对所述云服务器存储的现场漂移速度进行校正的方法为：引入实际水流流速和无人机平台漂移速度之间的关系曲线作为校正系数，所述云服务器中存储的现场漂移速度乘以校正系数得到校正后的现场流速。

较佳地，所述卫星定位基站包括：第一卫星定位单元、第一卫星天线以及第一数据传输电台；其中，

所述第一卫星定位单元用于通过第一卫星天线接收第一卫星定位信号；

所述第一数据传输电台与所述第一卫星定位单元相连，用于接收所述第一卫星定位单元传输的卫星定位信号并将数据持续以无线电信号形式向外界广播发射；

所述卫星定位移动站包括：第二卫星定位单元、第二卫星天线以及第二数据传输电台；其中，

所述第二数据传输电台与所述第二卫星定位单元相连，用于接收所述第一数据传输电台传输的第一卫星定位信号，并将数据传输至所述第二卫星定位单元；

所述第二卫星定位单元通过第二卫星天线接收第二定位信号，并根据所获得的第一卫星定位信号进行差分定位计算，获得高精度的经纬度坐标。

较佳地，所述通讯单元为GPRS通讯单元。

较佳地，所述第一卫星定位单元以及所述第二卫星定位单元能够接收GPS卫星导航系统、北斗卫星系统以及GLONASS卫星导航系统等三套导航系统的B1/B2/B3/L1/L2/G1/G2等七个频段的卫星数据，并配合卫星天线共同使用，体积小质量轻，搜索卫星、定位能力强，可由电源直接供电。

较佳地，所述第一数据传输电台以及所述第二数据传输电台的电台功率可根据传输距离远近进行调整，数据传输更准确、传输效率更高。

较佳地，所述卫星定位移动站与所述通讯系统之间，和/或，所述第一卫星定位单元与所述第一数据传输电台之间，和/或，所述第二卫星定位单元与所述第二数据传输电台之间可以通过串口连接进行数据传输，传输速度更快、更准确。

根据本发明的第二方面，还提供一种水文现场的远程测量方法，其是采用上述的远程测量系统进行的远程测量方法，包括以下步骤：

S11：控制所述无人机平台飞行至目标水域并安全降落在水面；

S12：采用所述水深测量传感器测量所述目标水域的水深，得到水深数据，并传输给通讯系统；

S13：采用所述卫星定位基站以及卫星定位移动站获得动态差分定位数据，并传输给所述通讯系统；

S14：采用通讯系统将水深数据、动态差分定位数据、传输给云服务器进行存储，以供所述后台处理系统进行查看、处理，根据动态差分定位数据计算所述目标水域的无人机平台的现场漂移速度；

S15：控制所述无人机平台飞行至目标地以进行回收。

较佳地，所述S14中的所述后台处理系统进行处理包括：对现场漂移速度进行校正；进一步地包括：

对数据进行分析计算，利用实际水流流速和无人机平台漂移速度之间的关系曲线将无人机平台的漂移速度修正为现场流速处理。

较佳地，所述S14中的所述后台处理系统进行处理包括：根据动态差分定位数据绘制测量路径和现场的流向。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的水文现场的远程测量系统及方法，通过设置有浮体的无人机平台，能够降落在水面进行测量，使得水文作业人员无法到达的水域变得可测；可在各种极端、复杂的条件下代替人力进行测流测深，从而节省了人力成本，并可避免各种不安全事件的发生；实现了水文测验数据的自动采集、远程自动传输、自动处理分析，在满足水文要素应急监测精度的前提下能够以最快的速度提供给灾害处置部门决策支持依据；

(2)本发明的提供的水文现场的远程测量系统及方法，实现了水体中测点的大地坐标、流向、流速、水深的同步测量；

(3)本发明的提供的水文现场的远程测量系统及方法，通过无人机平台停落在目标水域进行测量，显著增长了测验时间，并且实现了无人机平台与水体的接触式流速测量，测量数据更准确；

(4)本发明的提供的水文现场的远程测量系统及方法，通过将测量数据实时上传至云服务器，实现了远程测量；

(5)本发明的提供的水文现场的远程测量系统及方法，通过卫星定位基站与卫星定位移动站之间形成动态差分定位，使得定位更精准，测量精度更高，且本发明的测量手段更为便捷，操作简单高效。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的一实施例的水文现场的远程测量系统的结构示意图；

图2为本发明的一较佳实施例的水文现场的远程测量系统的结构示意图；

图3为本发明的一实施例的水文现场的远程测量方法的流程图；

标号说明：1-无人机平台，2-浮体，3-卫星定位基站，4-卫星定位移动站，5-信号解析单元，6-GPRS单元，7-水深测量传感器，8-云服务器，9-后台处理系统；

31-第一卫星定位单元，32-第一卫星天线，33-第一数据传输电台，34-第一电台天线，35-第一电源；

41-第二卫星定位单元，42-第二卫星天线，43-第二数据传输电台，44-第二电台天线，45-第二电源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1所示为本发明的一实施例的水文现场的远程测量系统的结构示意图。

请参考图1，本实施例的水文现场的远程测量系统包括：定位测深系统、信号解析单元5、GPRS单元6、云服务器8、后台处理系统9以及无人机平台1。其中，定位测深系统包括：水深测量传感器7、卫星定位基站3以及卫星定位移动站4。无人机平台1用于承载水深测量传感器7以及卫星定位移动站4；当需要进行远程测量时，无人机平台1用于飞行至目标水域并降落在水面以开展测量。无人机平台1的下方设置有浮体2，浮体2用于使无人机平台漂浮在水面并随水流自由同步运动以通过测量无人机平台1随水流的漂移速度来获得目标水域的无人机平台1的现场漂移速度，该速度再通过修正得到现场的水体流速。水深测量传感器7用于测量水深，获得水深数据。卫星定位基站3的位置固定，卫星定位移动站4设置于无人机平台1上，随无人机平台1运动；卫星定位基站3与卫星定位移动站4之间形成动态差分定位，卫星定位移动站4还用于根据动态差分定位数据计算目标水域的无人机平台1的现场漂移速度。信号解析单元5和GPRS单元6设置于无人机平台1上组成通讯系统，信号解析单元5用于接收卫星定位移动站的动态差分定位数据、现场漂移速度以及所述水深测量传感器的水深数据，通过GPRS单元6将数据上传至云服务器，并将云服务器中储存的控制指令传输至定位测深系统以执行；云服务器8用于对通讯系统所上传的数据进行存储；后台处理系统9用于接收云服务器8存储的数据并进行分析计算和结果显示，同时将控制命令上传至云服务器。

为了更好的保证无人机平台着陆在水面上安全稳定不倾覆，本实施例中，浮体为空心的圆柱体浮体，圆柱体浮体的轴线与无人机平台的平面平行，中间贯通可使水体淹没，能够维持无人机平台1的中心更加稳定。

本实施例中，空心部分为圆柱形结构，不同实施例中，空心部分即贯通的体积、尺寸、形状可以进行调整。较佳实施例中，空心部分的体积由无人机平台的载重来决定，载重越重，空心部分的体积越大，可以通过调节空心部分的直径，也可以通过调整长度，也可以通过调节形状来达到调节体积的目的，相应的浮体的实心部分的直径、长度、形状也可以进行调节，可用高密度珍珠棉等材料制作。

本实施例中，浮体2的数量为两个，不同实施例中，也可以为一个或两个以上。

较佳实施例中，浮体2采用高强度PMI泡沫材料制成。

较佳实施例中，后台处理系统9还用于对云服务器8存储的现场流速进行校正。具体地，可以为：引入校正系数(由试验测量获得)，云服务器中存储的现场漂移速度乘以校正系数则得到校正后的现场流速。一实施例中，校正系数的获得方法为：在实验室水槽内调整好浮体的无人机平台，使其能够在水流中稳定漂移，然后开展对比测量试验，测量水流流速和无人机平台漂移速度，点绘两者的关系曲线，获得流速校正系数。

较佳实施例中，卫星定位基站3包括：第一卫星定位单元31、第一卫星天线32、第一数据传输电台33、第一电台天线34以及第一电源35；卫星定位移动站包括：第二卫星定位单元41、第二卫星天线42、第二数据传输电台43、第二电台天线44以及第二电源45，其结构示意图如图2所示。其中，第一卫星定位单元31用于通过第一卫星天线32接收第一卫星定位信号；第一数据传输电台33与第一卫星定位单元31相连，用于接收第一卫星定位单元31传输的卫星定位信号，第一电源35用于为第一卫星定位单元31以及第一数据传输电台33供电。第一电台天线34与第一数据传输电台33相连，第二电台天线44与第二数据传输电台43相连，第二数据传输电台43用于通过第二电台天线44以及第一电台天线34接收第一数据传输电台33传输的第一卫星定位信号；第二卫星定位单元41与第二数据传输电台43相连，用于通过第二卫星天线42接收第二定位信号，还用于接收第二数据传输电台43传输的第一卫星定位信号，得到无人机平台1的大地坐标(经纬度)，并根据第一卫星定位信号对第二定位信号进行动态差分计算，得到差分计算后的动态差分定位信号；第二电源45用于为第二卫星定位单元41以及第二数据传输电台43供电。

较佳实施例中，通讯系统采用GPRS通讯系统。

较佳实施例中，第一卫星定位单元31以及第二卫星定位单元41能够接收GPS卫星导航系统、北斗卫星系统以及GLONASS卫星导航系统数据，并配合卫星天线共同使用，体积小质量轻，搜索卫星、定位能力强，可由电源直接供电。

较佳实施例中，第一数据传输电台33以及第二数据传输电台43之间采用无线电进行数据传输，电台功率可根据传输距离的远近进行调整，数据传输更准确、传输效率更高。

较佳实施例中，卫星定位移动站4与通讯系统6之间，和/或，第一卫星定位单元31与第一数据传输电台33之间，和/或，第二卫星定位单元41与第二数据传输电台43之间可以通过串口连接进行数据传输，传输速度更快、更准确。

如图3所示为本发明的一实施例的水文现场的远程测量方法的流程图。

请参考图3，本实施例的远程测量方法为基于上述实施例中的远程测量系统的测量方法，其包括以下步骤：

S11：控制无人机平台飞行至目标水域并安全降落在水面；

S12：采用水深测量传感器测量所述目标水域的水深，得到水深数据，并传输给通讯系统；

S13：采用卫星定位基站以及卫星定位移动站获得无人机平台的大地坐标和动态差分定位数据，无人机随水流方向自由稳定漂移，待移动一定距离后，计算出无人机平台运动的平均流速，并传输给通讯系统；

S14：采用通讯系统将水深数据、动态差分定位数据以及平均流速传输给云服务器进行存储，以供后台处理系统进行查看和/或处理；

S15：控制无人机平台飞行至目标地以进行回收。

较佳实施例中，S14中的后台处理系统进行处理包括：数据的分析计算、现场流速的校正和图形显示等处理。；进一步地包括：引入校正系数，平均流速乘以校正系数得到校正后的现场流速。一实施例中，校正系数的获得方法为：在实验室水槽内调整好浮体的无人机平台，使其能够在水流中稳定漂移，然后开展对比测量试验获得流速校正系数。

较佳实施例中，S14中的所述后台处理系统进行处理包括：根据动态差分定位数据绘制测量路径和流向。

上述实施例中，后台处理系统9可以为：计算机、I pad、手机等。

基于上述实施例中的水文现场的远程测量系统和方法，以下提供具体应用实例，以进一步理解本发明的技术方案。

应用实例1

本实施例为水流流速1m/s的河流进行现场流速和水深的远程同步测验，采用上述实施例中的系统。其中，

无人机平台1是四旋桨式无人机，起飞重量3.5kg，无人机总重2kg。

浮体2是由高强泡沫制作而成，呈空心圆柱截面，内空心圆直径5cm，外径11cm，长50cm。

卫星定位单元主要依托北斗导航系统进行定位测量，差分定位精度优于1cm。

卫星天线采用棒状卫星天线，直径1cm，长15cm。

数据传输电台传输距离在2km范围内。

电台天线采用棒状天线，直径1cm，长度10cm。

电源为可充电锂电池，可输出24V、12V、5V直流电压。

信号解析单元尺寸为长6cm，宽7cm。

GPRS通讯单元采用移动4G流量卡进行网络通讯。

水深测量传感器测量量程为0-50m。

云服务器采用阿里云Li nux轻量服务器。

首先将定位基站、定位移动站、GPRS通讯系统连接完成，并将定位基站固定在某一位置处；通过控制无人机平台1飞行至目标水域并安全降落在水面进行接触式测量，开启定位测深系统进行差分定位和水深测量；其后无人机随水流运动方向自由稳定漂移，待移动一定距离后，定位测深系统的卫星定位移动站4计算出水流运动的平均流速并通过GPRS通讯系统上传至云服务器8供计算机下载查看数据，测量过程中无人机可随水流自由同步运动，测量结束后控制无人机平台自动回收。

在实验室水槽内调整好浮体的无人机平台，使其能够在水流中稳定漂移，然后开展对比测量试验获得流速校正系数1.15～1.21，水流运动的平均流速则等于流速校正系数1.15～1.21与随水流漂移速度的乘积。同时在计算机联网状态下，打开后台处理系统9远程查看设备当前大地坐标位置、测量轨迹、当前测量流速大小和流向、水深信息等。

应用实例2

本实施例为水流流速3m/s的河流提供现场流速和水深的远程同步测验，采用上述实施例中的系统。其中，

无人机平台1是四旋桨式无人机，起飞重量5.5kg，无人机总重4kg。

浮体2是由高强泡沫制作而成，呈空心圆柱截面，内空心圆直径8cm，外径15cm，长60cm。

卫星定位单元主要依托GPS导航系统进行定位测量，差分定位精度优于1cm。

卫星天线采用蘑菇状卫星测绘天线，长7cm，宽5cm，高4cm。

数据传输电台传输距离在6km范围内。

电台天线采用圆柱螺旋天线，直径3cm，长度15cm，带有磁性底盘。

水深测量传感器测量量程为0-100m。

所述其他部件与上述实施例1中所用部件相同。

其工作过程是，首先将定位测深系统(包括定位基站、定位移动站)、GPRS通讯系统连接完成，并将定位基站固定在某一位置处；通过控制无人机飞行至目标水域并安全降落在水面进行接触式测量，开启定位测深系统进行差分定位和水深测量；其后无人机随水流运动方向自由稳定漂移，待移动一定距离后，定位测深系统的定位移动站计算出水流运动的平均流速并通过GPRS通讯系统上传至云服务器供计算机下载查看数据，测量过程中无人机可随水流自由同步运动，测量结束后控制无人机平台自动回收。

在实验室水槽内调整好浮体的无人机平台，使其能够在水流中稳定漂移，然后开展对比测量试验获得流速校正系数1.23，水流运动的平均流速则等于流速校正系数1.23与随水流漂移速度的乘积；同时在计算机联网状态下，打开软件远程查看设备当前位置、测量轨迹、流速大小和方向、当前测量水深信息。

上述两个应用实例实现了流速1m/s、3m/s，水深100m范围内的流速、水深同步测量；测量路径、测量流速及水深信息的计算机终端显示，测量数据实时网络传输；测量时无人机停飞，节省电量从而显著增长测验时间；实现了无人机平台与水体的接触式流速测量，并可将数据实时上传至云服务器，实现远程测量；测量精度更高，测量手段更为便捷，操作简单高效。

从上述实施例可以看出，采用本发明的技术方案使得水文作业人员无法到达的水域变得可测；可在各种极端、复杂的条件下代替人力进行测流测深，从而节省了人力成本，并可避免各种不安全事件的发生；实现了水文测验数据的自动采集、远程自动传输、自动处理分析，在满足水文要素应急监测精度的前提下能够以最快的速度提供给灾害处置部门决策支持依据。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。