[發明專利]基于無人機航測的天然河流床面泥沙顆粒粒徑分布測量方法

在審

• 申請號: 201810158237.0
• 申請日: 2018-02-25
• 公開（公告）號: CN108444875A
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發明（設計）人: 朱猛;范念念;劉興年;張斌
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 呂建平

本發明公開了一種基于無人機航測的天然床面泥沙顆粒粒徑分布測量方法，利用無人機近景測影技術得到研究區域的正射影像，在正射影像上測量泥沙顆粒粒徑，得出研究區域泥沙顆粒粒徑級配曲線，該粒徑分布測量方法簡單、高效，測量結果準確、穩定、可靠，可直接用于野外天然河流床面(特別是人類無法到達的河段區域)泥沙顆粒粒徑分布測量，為泥沙顆粒粒徑級配研究提供了可靠的基礎數據，有助于整個水沙運動研究的進一步開展。

技術領域

本發明屬于水力學及河流動力學領域，具體涉及利用無人機航測技術實現的天然河流床面泥沙顆粒粒徑分布測量方法。

背景技術

在水沙運動研究中，不管是天然河流還是水槽試驗，對砂卵石床面的研究均必不可少的，其中最基本的是對卵石粒徑級配的研究。床面顆粒的粒徑級配可以描述床面的粗糙度，進而可以表征對水流的阻力，通過級配曲線可以分析礫石的分選程度，計算河流輸沙率和起動流速以及反推洪水流量。因此，泥沙顆粒粒徑的測量對整個水沙運動研究至關重要。

天然河流的砂卵石床面往往復雜多樣，不能測量所有的顆粒粒徑，一般用局部床面上顆粒的粒徑級配來代表研究河段整個床面顆粒的級配。對于天然河流河床表面顆粒粒徑級配的觀測，一般采用Wolman(Wolman M G.A method of sampling coarse river-bedmaterial[J].Eos Transactions American Geophysical Union,1954,35(35):951-956.)數顆粒的方法，具體的操作是：在選定的局部區域內，畫10×10的網格，測量100個網格交點處的顆粒粒徑(一般測b軸，即中軸)。但實際野外操作中，為了避免畫網格的困難，往往隨機走100步，測量每步腳尖位置的卵石粒徑，或者拉皮尺，每隔一定距離取一個顆粒，共取100個顆粒，依次測量這些顆粒的粒徑，用這100個顆粒的粒徑分布來代替整個床面的粒徑分布，經過Wolman的反復測試，表明該方法可重復性高，誤差小，因此該方法自1954年提出以來，被后續學者廣泛采用。

即使如此，該方法要求人在野外實施測量工作，野外考察中用尺子直接測量粒徑，不僅工作量巨大費時費力，工作效率極低，而且嚴重受到地形和測量范圍的限制，特別是有些河段是人難以到達的，如河中心的灘洲，泥石流災后的河段等，從而影響天然河流的砂卵石床面卵石粒徑級配的研究。

發明內容

本發明的目的旨在，針對現有天然河流床面泥沙顆粒粒徑分布測量技術存在的工作量大、效率低，嚴重受到地形和測量范圍的限制等問題，提供一種基于無人機航測的天然河流床面泥沙顆粒粒徑分布測量方法，實現對大面積河床床面上泥沙顆粒簡單、高效、準確的粒徑測量。

本發明的基本發明思路為：將無人機近景攝影技術應用到河床表面砂卵石粒徑的研究之中，操控無人機飛行到一定的高度拍攝具有一定重疊度的河床表面的照片(像對)，進一步利用Photoscan航測圖像處理軟件生成該研究區的正射影像，進而量取顆粒的粒徑，最終計算得到粒徑分布。

基于上述發明思路，本發明提供的基于無人機航測的天然河流床面泥沙顆粒粒徑分布測量方法，包括以下步驟：

(1)采集數據，利用無人機沿設定河流床面區域上方飛行、拍攝圖片，在平面內沿航行方向的相鄰圖片重疊度不小于60％，沿垂直于航行方向相鄰圖片重疊度不小于30％以上；

(2)生成正射影像，依據采集的圖片，利用Photoscan航測圖像處理軟件生成正射影像；

(3)測量泥沙顆粒粒徑，將生成的正射影像沿x軸和y軸分別均分為N等份，沿x軸的均分線與沿y軸方向的均分線相交得到(N+1)²個交點，測量每個交點處泥沙顆粒粒徑；