CN113048953A - 一种水位流速流量监测无人机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水位流速流量监测无人机及方法，属于防灾检测的技术领域，解决了现有技术在山洪检测中存在检测困难的问题。一种水位流速流量监测无人机，包括飞行器，以及设置在飞行器上的飞行控制装置、流速检测装置和水位检测装置；所述飞行控制装置用于控制飞行器的飞行轨迹；所述流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息；所述水位检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的水位信息；所述水位检测装置包括雷达水位计和RTK测量仪，所述雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，所述RTK测量仪获取测量点的高程信息。

Description

一种水位流速流量监测无人机及方法

技术领域

本发明涉及防灾检测技术领域，尤其是涉及一种水位流速流量监测无人机及方法。

背景技术

山洪是一种破坏力极强的自然灾害，具有突发性，水量集中流速大、冲刷破坏力强，水流中挟带泥沙甚至石块等，常造成局部性洪灾，一般分为暴雨山洪、融雪山洪、冰川山洪等。山洪会导致房屋、田地、道路和桥梁被冲毁，并且常会造成人身伤亡和严重的财产损失。

目前，为了防治山洪灾害，一般会设置检测设备达到提前预防山洪的目的，但这些传统的监测设备具有部署慢、施测危险等问题，进而会造成检测困难。

因此，现有技术在山洪检测中存在检测困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水位流速流量监测无人机及方法，以缓解现有技术在山洪检测中存在检测困难的问题。

第一方面，本发明提供的一种水位流速流量监测无人机，包括飞行器，以及设置在飞行器上的飞行控制装置、流速检测装置和水位检测装置；

所述飞行控制装置用于控制飞行器的飞行轨迹；

所述流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息；

所述水位检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的水位信息；

所述水位检测装置包括雷达水位计和RTK测量仪(Real-time kinematic，实时动态测量仪)，所述雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，所述RTK测量仪获取测量点的高程信息。

进一步的，所述飞行控制装置包括MCU、姿态传感器和电机；

所述MCU通过所述姿态传感器获取所述飞行器的姿态信息；

所述MCU根据姿态信息，控制所述电机。

进一步的，所述流速检测装置包括摄像机和AI识别芯片；

所述摄像机采集水面图像，AI识别芯片处理所述水面图像信息。

进一步的，所述摄像机上设置有红外补光灯。

进一步的，所述飞行器上设置有供电设备。

第二方面，本发明还提供一种水位流速流量监测方法，应用于第一方面所述的水位流速流量监测无人机，所述方法包括；

所述飞行控制装置控制飞行器的飞行轨迹及飞行姿态；

流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息；

雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，RTK测量仪获取测量点的高程信息；

将测量点的高程信息与测量点距水面的距离信息做差，得到河道的水位信息。

进一步的，所述流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息的步骤，包括：

摄像机采集水面视频图像，AI识别根据相邻两帧的水面图像追踪多个特征点，得到多个特征点的像素位移信息；

AI识别从多个特征点的像素位移信息中筛选出最准确特征点的像素位移信息；

根据特征点的像素位位移信息，利用像素坐标的空间坐标转换公式计算出实际空间位移；

将实际空间位移除以两帧之间的时间间隔，计算出流速信息。

本发明提供的一种水位流速流量监测无人机，包括飞行器，以及设置在飞行器上的飞行控制装置、流速检测装置和水位检测装置。飞行控制装置用于控制飞行器的飞行轨迹；流速检测装置用于在飞行轨迹中检测河道的流速信息；水位检测装置用于在飞行轨迹中检测河道的水位信息；水位检测装置包括雷达水位计和RTK测量仪，雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，RTK测量仪获取测量点的高程信息。水流检测装置在飞行器的作用下，可以对河道的多个位置进行实时检测，监测效率高、监测范围广，避免了因人工施测时危险性高而造成的施测困难。设置雷达水位计利用雷达脉冲得到测量点到水面的距离，RTK测量仪利用载波相位差分GPS技术，得到测量点的厘米级高程坐标，测量点的高程(测量点到水底的距离)减去设备到水面的距离，得到水位数据信息，使用RTK测量仪与雷达水位计，可输出高精度厘米级水位数据。在地势险要的河道及不便安装水位测量设备的区域也达到精确测量水位数据的目的，可适应多种复杂的测量环境，同时利用测量RTK测量仪与雷达水位计这两组设备的进行水位测量，确保了在河道上方有障碍物的情况下，依然能够得到精准的水位数据信息，测量高度不受限制，测量精度较高。

采用本发明提供的水位流速流量监测无人机，利用在飞行器上设置飞行控制装置、流速检测装置和水位检测装置，同时利用RTK测量仪及雷达水位计测量出水位信息，实现了飞行器在河道上进行多点巡航，达到了随时检测河道的水流信息的目的，具有检测设备部署迅速，施测简单且安全性高，数据精准性高等特点，最大化提高了山洪检测的效率。

相应地，本发明提供的一种水位流速流量监测方法，也同样具有上述技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种水位流速流量监测无人机示意图；

图2为本发明实施例中的水位流速流量监测方法流程图；

图3为本发明实施例中的水位流速流量监测步骤S2的详细流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

目前，为了防治山洪灾害，一般会在河道上设置检测设备，达到提前预防山洪的目的，但这些传统的监测设备具有部署慢、施测危险等问题，进而会造成检测困难。

因此，现有技术在山洪检测中存在检测困难的问题。

为解决以上问题，本发明实施例提供一种水位流速流量监测无人机。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供的一种水位流速流量监测无人机，包括飞行器1，以及设置在飞行器1上的飞行控制装置2、流速检测装置3和水位检测装置4。飞行控制装置2用于控制飞行器1的飞行轨迹；流速检测装置3用于在飞行轨迹中检测河道的流速信息；水位检测装置4用于在飞行轨迹中检测河道的水位信息；水位检测装置4包括雷达水位计和RTK测量仪，雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，RTK测量仪获取测量点的高程信息。水流检测装置在飞行器1的作用下，可以对河道的多个位置进行实时检测，监测效率高、监测范围广，避免了因人工施测时危险性高而造成的施测困难。设置雷达水位计利用雷达脉冲得到测量点到水面的距离，RTK测量仪利用载波相位差分GPS技术，得到测量点的厘米级高程坐标，测量点的高程(测量点到水底的距离)减去设备到水面的距离，得到水位数据信息，使用RTK测量仪与雷达水位计，可输出高精度厘米级水位数据。在地势险要的河道及不便安装水位测量设备的区域也达到精确测量水位数据的目的，可适应多种复杂的测量环境，同时利用测量RTK测量仪与雷达水位计这两组设备的进行水位测量，确保了在河道上方有障碍物的情况下，依然能够得到精准的水位数据信息，测量高度不受限制，测量精度较高。

采用本发明实施例提供的水位流速流量监测无人机，利用在飞行器1上设置飞行控制装置2、流速检测装置3和水位检测装置4，同时利用RTK测量仪及雷达水位计测量出水位信息，实现了飞行器1在河道上进行多点巡航，达到了随时检测河道的水流信息的目的，具有检测设备部署迅速，施测简单且安全性高，数据精准性高等特点，最大化提高了山洪检测的效率。

在一种可能的实施方式中，飞行控制装置2包括微控制单元(MicrocontrollerUnit，简称MCU)、姿态传感器和电机，电机为无刷电机，MCU通过姿态传感器获取飞行器1的姿态信息，MCU根据姿态信息，控制无刷电机，使得飞行器1完成姿态调整与飞行，实现了河道断面多点水位流速监测。

在一种可能的实施方式中，流速检测装置3用于检测河道的流速信息，水位检测装置4用于检测河道的水位信息。由流速信息、水位信息和预输入河道断面面积，可计算出流量信息，将检测完成的水位、流速及流量信息上报平台，如果水位、流量超警戒会发出预警上报平台，提高了山洪检测效率。

在一种可能的实施方式中，流速检测装置3包括摄像机和AI识别芯片，摄像机采集水面视频图像，AI识别芯片处理水面视频图像信息。使用智能AI识别技术，视频采集计算流速，实现无接触流速检测，提高了山洪检测的安全性。

在一种可能的实施方式中，摄像机上设置有红外补光灯。设置红外补光灯，实现了在夜间或昏暗的环境下的检测需求，提高了检测的稳定性。

在一种可能的实施方式中，水位检测装置4包括雷达水位计和RTK测量仪(Real-time kinematic，实时动态测量仪)获取测量点距水面的距离，RTK测量仪获取测量点的高程。设置雷达水位计利用雷达脉冲得到测量点到水面的距离，RTK测量仪利用载波相位差分GPS技术，得到测量点的厘米级高程坐标，测量点的高程减去设备到水面的距离，得到水位数据信息。使用RTK与雷达水位计，可输出高精度厘米级水位数据。设置雷达水位计利用雷达脉冲得到测量点到水面的距离，RTK测量仪利用载波相位差分GPS技术，得到测量点的厘米级高程坐标，测量点的高程(测量点到水底的距离)减去设备到水面的距离，得到水位数据信息，使用RTK测量仪与雷达水位计，可输出高精度厘米级水位数据。在地势险要的河道及不便安装水位测量设备的区域也达到精确测量水位数据的目的，可适应多种复杂的测量环境，同时利用测量RTK测量仪与雷达水位计这两组设备的进行水位测量，确保了在河道上方有障碍物的情况下，依然能够得到精准的水位数据信息，测量高度不受限制，测量精度较高。

在一种可能的实施方式中，飞行器1上设置有供电设备(图中未示出)，供电设备为电池。

在一种可能的实施方式中，飞行器1为无人机。

实施例2：

如图2所示，本发明实施例提供的一种水位流速流量监测方法，应用于上述实施例提供的水位流速流量监测无人机，方法包括；

S1：飞行控制装置控制飞行器的飞行轨迹及飞行姿态，从而实现河道断面多点流速巡航监测。

S2：流速检测装置用于在飞行轨迹中检测河道的流速信息。实现了在飞行器上进行无接触流速监测，无接触的测量方式提高了安全性。

S3：雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，RTK测量仪获取测量点的高程信息。从雷达水位计天线发出雷达脉冲波，天线接收到从水面反射回来的脉冲波并记录时间，由于电磁波的传播速度是个常数，从而能得到测量点到水面的距离。RTK利用载波相位差分GPS技术，得到测量点的厘米级高程坐标。

S4：将测量点的高程信息与测量点距水面的距离信息做差，得到河道的水位信息。测量点的高程(测量点到水底的距离)减去设备到水面的距离，得到水位数据信息，使用RTK测量仪与雷达水位计，可输出高精度厘米级水位数据。

如图3所示，在一种可能的实施方式中，上述步骤S2具体包括：

S21：摄像机采集水面视频图像，AI识别根据相邻两帧的水面图像追踪多个特征点，得到多个特征点的像素位移信息。摄像机通过采集水面上的高帧率图像，使用AI识别技术，检测水面上的水纹、漂浮物、气泡等特征点，对特征点的移动轨迹进行跟踪，得到特征点的起始像素坐标和终止像素坐标，

S22：AI识别从多个特征点的像素位移信息中筛选出最准确特征点的像素位移信息。中央处理器(central processing unit，简称CPU)智能单元分析图像，采用了角点检测的方法，对相邻两帧水面图像上漂浮物、气泡或者明显波纹形成的角点进行检测作为特征点，提取到两帧图像的所有特征点后，对两帧图像的特征点进行匹配识别出同一特征点，计算所有特征点的像素位移，然后对所有特征点像素位移进行筛选，得到最准确的匹配点像素位移。

筛选步骤如下1、首先进行角度筛选：先预设流速方向，识别到特征点，得到特征点的起点空间坐标和终点空间坐标，然后计算特征点移动方向与预设流速方向的夹角，夹角过大的特征点是干扰，需要筛除掉。2、角度筛选后进行排序筛选：统计出每个特征点的流速后，进行排序，去掉最大N个点，和最小N个点，输出中间合理的特制点的像素位移，得到最准确的匹配点位移像素位移。

S23：根据特征点的像素位移信息，利用像素坐标的空间坐标转换公式计算出实际空间位移。由雷达水位计计算测量点到水面的垂直距离，由测量点到水面距离和镜头焦段计算出当前检测区域的空间尺寸，利用检测区域的空间尺寸，将特征点的起始坐标和终止坐标，转换成特征点实际的起始空间坐标和终止空间坐标，计算出实际空间位移。

S24：将实际空间位移除以两帧之间的时间间隔，计算出流速信息。

本发明实施例提供的一种水位流速流量监测方法与上述实施例提供的水位流速流量监测无人机具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对应于上述方法，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有机器可运行指令，所述计算机可运行指令在被处理器调用和运行时，所述计算机可运行指令促使所述处理器运行上述方法的步骤。

本发明实施例所提供的装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的***、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种水位流速流量监测无人机，其特征在于，包括飞行器，以及设置在飞行器上的飞行控制装置、流速检测装置和水位检测装置；

所述飞行控制装置用于控制飞行器的飞行轨迹；

所述流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息；

所述水位检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的水位信息；

所述水位检测装置包括雷达水位计和RTK测量仪，所述雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，所述RTK测量仪获取测量点的高程信息。

2.根据权利要求1所述的水位流速流量监测无人机，其特征在于，所述飞行控制装置包括MCU、姿态传感器和电机；

所述MCU通过所述姿态传感器获取所述飞行器的姿态信息；

所述MCU根据姿态信息，控制所述电机。

3.根据权利要求1所述的水位流速流量监测无人机，其特征在于，所述流速检测装置包括摄像机和AI识别芯片；

所述摄像机采集水面图像，AI识别芯片处理所述水面图像信息。

4.根据权利要求3所述的水位流速流量监测无人机，其特征在于，所述摄像机上设置有红外补光灯。

5.根据权利要求1所述的水位流速流量监测无人机，其特征在于，所述飞行器上设置有供电设备。

6.一种水位流速流量监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5任意一项所述的水位流速流量监测无人机，所述方法包括；

所述飞行控制装置控制飞行器的飞行轨迹及飞行姿态；

流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息；

雷达水位计获取测量点距水面的距离信息，RTK测量仪获取测量点的高程信息；

将测量点的高程信息与测量点距水面的距离信息做差，得到河道的水位信息。

7.根据权利要求6所述的水位流速流量监测方法，其特征在于，所述流速检测装置用于在所述飞行轨迹中检测河道的流速信息的步骤，包括：

摄像机采集水面视频图像，AI识别根据相邻两帧的水面图像追踪多个特征点，得到多个特征点的像素位移信息；

AI识别从多个特征点的像素位移信息中筛选出最准确特征点的像素位移信息；

根据特征点的像素位位移信息，利用像素坐标的空间坐标转换公式计算出实际空间位移；

将实际空间位移除以两帧之间的时间间隔，计算出流速信息。

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