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申请/专利权人：中国科学院青藏高原研究所;兰州理工大学

摘要：本发明公开了一种无人机载径流量测量系统，具体涉及水域测量技术领域，用于解决现有的径流量测量的准确性的问题；通过获取目标区域的水深和地形数据，剔除异常数据，通过评估无人机抛洒示踪粒子时的飞行姿态稳定性，分析示踪粒子偏离预定轨迹的程度，并评估抛洒速度的准确性；在无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态稳定时，将示踪粒子在水面上的异常分布程度和运动准确性综合分析，在视觉特征有效性较好时，利用雷达水位计精确获取目标区域水位高度，重建瞬时流速场和河道地形模型，径流量计算模块综合断面地形和表面流速信息，精准地将表面流速转换为断面平均流速，进而准确计算目标区域的径流量。

主权项：1.一种无人机载径流量测量系统，其特征在于，包括水深地形获取模块、粒子抛洒监测模块、抛洒效果评估模块、水位高度测量模块、流速地形建模模块以及径流量计算模块；水深地形获取模块：获取目标区域的水深和地形数据，并剔除异常值；粒子抛洒监测模块：评估无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态是否稳定；对示踪粒子偏离预定轨迹的情况进行分析，评估示踪粒子在水面的异常分布程度；通过分析示踪粒子的抛洒速度偏离预设速度的情况，评估示踪粒子运动的准确性隐患程度；抛洒效果评估模块：当无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态不稳定时，生成警报；当无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态稳定时，将示踪粒子在水面的异常分布程度和示踪粒子运动的准确性隐患程度进行综合分析，判断无人机抛洒示踪粒子增强水面的视觉特征的有效性；水位高度测量模块：当无人机抛洒示踪粒子增强水面的视觉特征的有效性较好时，获取目标区域的水位高度；流速地形建模模块：对目标区域进行多角度拍摄，结合稠密光流算法重建目标区域的瞬时流速场与河道地形点云模型，构建目标区域的地形点云模型和表面流速场；径流量计算模块：结合目标区域的断面地形和表面流速，将表面流速转换为断面平均流速，计算目标区域的径流量；评估无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态是否稳定，具体为：分别计算每个轴的角速度标准差，计算公式为：；其中，是轴的角速度标准差，是轴在测量周期内时刻的角速度，表示轴在整个测量周期内的平均角速度：是测量周期内的角速度数量；分别设定不同轴的角速度标准差对应的判断阈值；分别将轴的角速度标准差与对应的判断阈值进行比较：当任一轴的角速度标准差大于其对应的判断阈值时，则判定生成飞行姿态不稳定信号，无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态不稳定；当所有轴的角速度标准差小于等于其对应的判断阈值时，则判定生成飞行姿态稳定信号，无人机抛洒示踪粒子过程中的飞行姿态稳定；对示踪粒子偏离预定轨迹的情况进行分析，评估示踪粒子在水面的异常分布程度，具体为：记录示踪粒子的坐标数据，形成时间序列数据集；其中，为实际轨迹点集，是实际轨迹点集中的某个点，分别为示踪粒子在时间时的水面水平坐标和水面垂直坐标，是时间戳，表示数据点的采集时间，是轨迹点的总数；进行预设轨迹建模，具体为：预设轨迹点集为：；其中，是预设轨迹点集，是预设轨迹集中的某个点，分别为预设轨迹点的水平坐标和垂直坐标，是轨迹点的编号，为预设轨迹点集中预设轨迹点的总数；对采集的实际轨迹数据进行平滑处理和去噪；将示踪粒子实际轨迹与预设轨迹在时间维度上进行对齐；对每一个实际轨迹点，找到预设轨迹数据集中最近的点：；是实际轨迹点与最近的预设轨迹点之间的最短距离，是遍历所有预设轨迹点找到使距离最短的点；根据目标区域的具体特性设定阈值；对于每一个实际轨迹点的最短距离：；其中，是用于判断当前轨迹点是否异常的布尔值函数；根据判断当前轨迹点是否异常的结果，统计所有标记为异常的实际轨迹点，形成异常点集合：；是异常轨迹点集，包含所有偏离预设轨迹的实际轨迹点；计算异常轨迹点集中的每一个点与其最近的预设轨迹点之间的平均距离作为偏移幅度：；其中，是示踪粒子偏离预设轨迹的平均偏移幅度，是异常轨迹点的总数量，是将所有异常轨迹点与其最近的预设轨迹点之间的最短距离累加；通过分析示踪粒子的抛洒速度偏离预设速度的情况，评估示踪粒子运动的准确性隐患程度，具体为：设定速度监测区间；在速度监测区间内均匀设置多个时间点，监测每个时间点对应的示踪粒子离开无人机的瞬时速度，获取每个时间点对应的系统命令速度；对速度监测区间内时间点对应的示踪粒子离开无人机的瞬时速度偏离系统命令速度的情况进行分析，计算抛洒速度偏移指数，其表达式为：；其中，为抛洒速度偏移指数，为速度监测区间内第个时间点对应的示踪粒子离开无人机的瞬时速度，为速度监测区间内第个时间点对应的系统命令速度，为速度监测区间内时间点的数量，，为正整数；在径流量计算模块中，具体为：利用无人机结合三维建模技术，采集目标区域河道的断面地形数据；通过测量河道宽度和深度获取该断面处的横截面积；利用特征跟踪算法或者稠密光流算法测量水面的表面流速场；断面平均流速表达式为：；其中，为断面平均流速，为表面流速，为表面与断面流速的比例系数；构建目标区域的河道地形模型；通过断面的深度和宽度数据，计算断面的横截面积；利用断面平均流速和断面横截面积计算目标区域的径流量；其表达式为：；其中，为径流量，为断面横截面积。

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