一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法，包括如下步骤：1)无人机水面以上河流形态获取；2)水下、水上断面耦合；3)根据无人机影像获取河宽、比降、糙率的水力参数；4)无人机遥感影像反演河道流量。本发明专利技术提供了有、无地面实测大断面两类情况下流量反演途径，通过无人机影像生成点云和表面高程，基于点云和DSM获取水面宽、糙率、水面比降以及水上大断面信息，采用水力学方法计算河道流量，具有计算高效、非接触、简易快速的优点。

A Fast Inversion Method of River Flow Using UAV Images

The invention discloses a method for fast inversion of river flow using UAV images, including the following steps: 1) acquisition of river morphology above the water surface of UAV; 2) coupling of underwater and water sections; 3) acquisition of hydraulic parameters of river width, slope and roughness based on UAV images; and 4) inversion of river flow using UAV remote sensing images. The invention provides two kinds of flow inversion ways under the conditions of large cross-section with or without ground measurement. The point cloud and surface elevation are generated by UAV image, the water surface width, roughness, water surface gradient and large cross-section information are obtained based on point cloud and DSM, and the river flow is calculated by hydraulic method, which has the advantages of high efficiency, non-contact, simplicity and rapidity.

【技术实现步骤摘要】
一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法
本专利技术涉及一种方法，尤其涉及一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法。
技术介绍
河流与人类生存活动、区域生态环境紧密相关，河道流量对维持水圈系统的稳定性、估算国家水能资源可开发量等起着必不可缺的作用。随着科技进步和交叉学科的高速发展，测算河道流量的方法渐趋多样化，然而，河道流量测算仍受到地域、经费等因素困扰，因此亟待加强快捷、准确测算河道流量的方法研究。以遥感技术为代表的反演河道流量方法是近年来计算机科学和空间科学深入探究的产物，可在复杂地质条件和外部恶劣条件下，以不接触水体的形式完成流量反演。尽管全球学者在遥感反演河道流量的技术方法上取得了很大进展，但通过卫星遥感技术反演流量的方法仅适用大尺度河流，难以应用获取中小河流流量；而当前近地面遥感计算河道流量的方法存在技术复杂、设备昂贵、测算效率低等不足，限制了它们的广泛应用。因此，基于无人机(UAV)摄影技术，提出一种适用于各种尺度河流的高效、简易快速计算河道流量的方法是非常有必要的。
技术实现思路
为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法。为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法，包括如下步骤：1)无人机水面以上河流形态获取；2)水下、水上断面耦合；3)根据无人机影像获取河宽、比降、糙率的水力参数；4)无人机遥感影像反演河道流量。进一步地，步骤1)使用UAV野外获取高重叠度立体像对，经Pix4Dmapper软件处理得到高分辨率地形数据；Pix4Dmapper能够快速、全自动的处理UAV影像数据。其处理流程包括数据导入、初始化处理、点云加密、先生成数字表面模型和正射影像图，再生成高精度的数字正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)及影像点云。无人机(UAV)可快速获取野外高重叠度立体像对，生成监测站点所在的1km*1km范围内河道及其缓冲带的高清影像，基于此可人工判读快速确定水面宽和糙率；高清影像进一步处理可得到高分辨率地形数据—数字表面高程模型(DSM)，基于此计算河道水面比降；最后可基于DSM利用Arcgis中3DAnalyst模块，生成监测点的河道大断面形状。进一步地，步骤2)UAV航片只能获取陆上地形变化趋势,难以获取水下地形变化信息，为得到完整的大断面数据需要耦合水下大断面，从而形成完整的河流大断面。水上地形使用UAV实测得到河段DSM，然后结合ArcGIS空间分析工具3DAnalyst模块确定水面以上的河流大断面；在有实测水下大断面的站点，基于水面高程和起点距耦合上述UAV确定的水上大断面和实测的水下大断面，形成完整的监测站点的河流大断面。进一步地，步骤3)利用无人机对每个站点附近河道拍摄200～300张低空遥感影像，生成正射影像、影像点云以及DSM；在选取的河道的大断面上，用3DAnalyst模块标注一条垂直于河道的直线，沿直线生成河流大断面，直接量取大断面水面宽度；在生成的大断面上游、下游各300m用同样的方式生成大断面，根据两个大断面的水面高程高差与河段距离计算得到河道比降；为计算准确，计算河段多个比降取其均值；糙率计算需要目视解译，根据完整的遥感影像，辨别河岸两侧植被、护坡状况、土壤类型、水面宽度确定相应糙率。进一步地，有地面实测大断面资料时对于自然或近自然大断面(三角形、梯形、抛物线)：基于卫星或无人机影像确定糙率、比降、河宽，使用已开发的“耦合遥感与地面数据的河道流量计算程序”计算河道流量；对于人工大断面(矩形)，先用无人机确定糙率、比降、河宽，再基于实测大断面和曼宁公式生成“水位-流量关系曲线”，根据遥感影像上水面的升降推算水位，基于曲线计算流量。进一步地，无地面实测大断面资料时基于无人机测量所得水面以上出露的大断面，基于河流形态拟合水下大断面，再根据有地面实测大断面资料时思路展开流量计算。本专利技术提供了有、无地面实测大断面两类情况下流量反演途径，通过无人机影像生成点云和表面高程，基于点云和DSM获取水面宽、糙率、水面比降以及水上大断面信息，采用水力学方法计算河道流量，具有计算高效、非接触、简易快速的优点。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法，包括以下步骤：(1)无人机水面以上河流形态获取通过UAV野外获取高重叠度立体像对，经Pix4Dmapper专业软件处理得到高分辨率地形数据，Pix4Dmapper能够快速、全自动的处理UAV影像数据。其处理流程包括数据导入、初始化处理、点云加密、先生成数字表面模型和正射影像图，再生成高精度的数字正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)及影像点云。(2)水下、水上断面耦合由于UAV航片只能获取陆上地形变化趋势,难以获取水下地形变化信息，为得到完整的大断面数据，水上地形使用UAV实测得到河段DSM，然后结合ArcGIS空间分析工具3DAnalyst模块确定水面以上的河流大断面。在有实测水下大断面的站点，可以基于水面高程和起点距，耦合上述UAV确定的水上大断面和实测的水下大断面，形成完整的监测站点的河流大断面。在没有实测水下大断面的站点，可根据UAV确定的水上大断面的变化趋势拟合水下大断面，从而形成完整的河流大断面。(3)根据无人机影像获取河宽、比降、糙率等水力参数。首先利用无人机对每个站点附近河道拍摄200～300张低空遥感影像，生成正射影像、影像点云以及DSM。在选取的河道的大断面上，用3DAnalyst模块标注一条垂直于河道的直线，沿直线生成河流大断面，直接量取大断面水面宽度；在生成的大断面上游、下游各300m用同样的方式生成大断面，根据两个大断面的水面高程高差与河段距离计算得到河道比降，为计算准确，可计算河段多个比降取其均值。糙率计算需要目视解译，根据完整的遥感影像，辨别河岸两侧植被、护坡状况、土壤类型、水面宽度确定相应糙率。(4)无人机遥感影像反演河道流量根据是、否有地面实测大断面资料，分2种情景分别计算：情景1--有地面实测大断面资料：对于自然或近自然大断面(三角形、梯形、抛物线)：基于卫星或无人机影像确定糙率、比降、河宽，使用已开发的“耦合遥感与地面数据的河道流量计算程序”计算河道流量；对于人工大断面(矩形)，先用无人机确定糙率、比降、河宽，再基于实测大断面和曼宁公式生成“水位-流量关系曲线”，根据遥感影像上水面的升降推算水位，基于曲线计算流量。情景2--无地面实测大断面资料：基于无人机测量所得水面以上出露的大断面，基于河流形态拟合水下大断面，再根据中思路展开流量计算。本专利技术基于低空遥感无人机(UAV)摄影技术，提出了一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法。基于无人机遥感影像生成完整河流大断面，提供了有、无地面历史实测大断面两类情况下流量反演途径，利用低空遥感技术获取水上河道断面，结合实测或概化水下断面，为缺少地面数据条件下获取准确河道大断面提供了有效途径。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：1)无人机水面以上河流形态获取；2)水下、水上断面耦合；3)根据无人机影像获取河宽、比降、糙率的水力参数；4)无人机遥感影像反演河道流量。

【技术特征摘要】
1.一种利用无人机影像快速反演河道流量的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：1)无人机水面以上河流形态获取；2)水下、水上断面耦合；3)根据无人机影像获取河宽、比降、糙率的水力参数；4)无人机遥感影像反演河道流量。2.根据权利要求1所述的利用无人机影像快速反演河道流量的方法，其特征在于：所述步骤1)使用UAV野外获取高重叠度立体像对，经Pix4Dmapper软件处理得到高分辨率地形数据；其处理流程包括数据导入、初始化处理、点云加密、先生成数字表面模型和正射影像图，再生成高精度的数字正射影像图DOM、数字表面模型DSM及影像点云。3.根据权利要求2所述的利用无人机影像快速反演河道流量的方法，其特征在于：所述步骤2)UAV航片只能获取陆上地形变化趋势,难以获取水下地形变化信息，为得到完整的大断面数据，水上地形使用UAV实测得到河段DSM，然后结合ArcGIS空间分析工具3DAnalyst模块确定水面以上的河流大断面；在有实测水下大断面的站点，基于水面高程和起点距耦合上述UAV确定的水上大断面和实测的水下大断面，形成完整的监测站点的河流大断面。4.根据权利要求3所述的利用无人机影像快速反演河道流量的方法，其特征在于：所述步骤3)利用无人机...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵长森，杨胜天，潘旭，潘天力，杨阳，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11