[发明专利]基于无人机航测的天然河流床面泥沙颗粒粒径分布测量方法

说明书

本发明公开了一种基于无人机航测的天然床面泥沙颗粒粒径分布测量方法，利用无人机近景测影技术得到研究区域的正射影像，在正射影像上测量泥沙颗粒粒径，得出研究区域泥沙颗粒粒径级配曲线，该粒径分布测量方法简单、高效，测量结果准确、稳定、可靠，可直接用于野外天然河流床面(特别是人类无法到达的河段区域)泥沙颗粒粒径分布测量，为泥沙颗粒粒径级配研究提供了可靠的基础数据，有助于整个水沙运动研究的进一步开展。

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学领域，具体涉及利用无人机航测技术实现的天然河流床面泥沙颗粒粒径分布测量方法。

背景技术

在水沙运动研究中，不管是天然河流还是水槽试验，对砂卵石床面的研究均必不可少的，其中最基本的是对卵石粒径级配的研究。床面颗粒的粒径级配可以描述床面的粗糙度，进而可以表征对水流的阻力，通过级配曲线可以分析砾石的分选程度，计算河流输沙率和起动流速以及反推洪水流量。因此，泥沙颗粒粒径的测量对整个水沙运动研究至关重要。

天然河流的砂卵石床面往往复杂多样，不能测量所有的颗粒粒径，一般用局部床面上颗粒的粒径级配来代表研究河段整个床面颗粒的级配。对于天然河流河床表面颗粒粒径级配的观测，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.)数颗粒的方法，具体的操作是：在选定的局部区域内，画10×10的网格，测量100个网格交点处的颗粒粒径(一般测b轴，即中轴)。但实际野外操作中，为了避免画网格的困难，往往随机走100步，测量每步脚尖位置的卵石粒径，或者拉皮尺，每隔一定距离取一个颗粒，共取100个颗粒，依次测量这些颗粒的粒径，用这100个颗粒的粒径分布来代替整个床面的粒径分布，经过Wolman的反复测试，表明该方法可重复性高，误差小，因此该方法自1954年提出以来，被后续学者广泛采用。

即使如此，该方法要求人在野外实施测量工作，野外考察中用尺子直接测量粒径，不仅工作量巨大费时费力，工作效率极低，而且严重受到地形和测量范围的限制，特别是有些河段是人难以到达的，如河中心的滩洲，泥石流灾后的河段等，从而影响天然河流的砂卵石床面卵石粒径级配的研究。

发明内容

本发明的目的旨在，针对现有天然河流床面泥沙颗粒粒径分布测量技术存在的工作量大、效率低，严重受到地形和测量范围的限制等问题，提供一种基于无人机航测的天然河流床面泥沙颗粒粒径分布测量方法，实现对大面积河床床面上泥沙颗粒简单、高效、准确的粒径测量。

本发明的基本发明思路为：将无人机近景摄影技术应用到河床表面砂卵石粒径的研究之中，操控无人机飞行到一定的高度拍摄具有一定重叠度的河床表面的照片(像对)，进一步利用Photoscan航测图像处理软件生成该研究区的正射影像，进而量取颗粒的粒径，最终计算得到粒径分布。

基于上述发明思路，本发明提供的基于无人机航测的天然河流床面泥沙颗粒粒径分布测量方法，包括以下步骤：

(1)采集数据，利用无人机沿设定河流床面区域上方飞行、拍摄图片，在平面内沿航行方向的相邻图片重叠度不小于60％，沿垂直于航行方向相邻图片重叠度不小于30％以上；

(2)生成正射影像，依据采集的图片，利用Photoscan航测图像处理软件生成正射影像；

(3)测量泥沙颗粒粒径，将生成的正射影像沿x轴和y轴分别均分为N等份，沿x轴的均分线与沿y轴方向的均分线相交得到(N+1)²个交点，测量每个交点处泥沙颗粒粒径；