[发明专利]一种基于无人机的泵吸式涌潮潮头水质采样方法

说明书

一种基于无人机的泵吸式涌潮潮头水质采样方法，该方法创新性地集成了涌潮潮头线识别与推进速度解析模块、无人机同步跟踪涌潮模块、泵吸式水质采样模块。通过保持无人机与涌潮潮头的相对静止飞行，减小了二者因速度差异而导致的对水质采样行为的动力破坏作用和影响。其硬件包含多旋翼无人机飞行平台、飞控模块、地面站模块、云台相机模块、板载计算机模块和水质采样模块。为适应恶劣的涌潮水质采样环境，装置采用阻力更小的泵吸式采样方式，仅将吸水管探头下放至潮头的不同深度，实现潮头定深采样。该方法解决了传统的采样方式无法满足高流速条件下的水质采样问题，实现了高流速和恶劣环境条件下的水质采样。

技术领域

本发明涉及智慧水利领域，特别涉及一种基于无人机的泵吸式涌潮潮头水质采样方法。

钱塘江河口涌潮以一线潮、交叉潮、回头潮等多种潮型闻名于世，最大涌潮高度超过3m，极具观赏性。涌潮作为稀缺的自然遗产，每年观潮节带来了巨大的旅游效益，有力促进了钱塘江两岸的经济发展。分析钱塘江河口涌潮的变化规律有利于水资源管理和城市发展。潮来时，会带来大量的溶解氧和卷起大量的营养物质，涌潮会对局部水文和生态环境产生很大改变，但涌潮监测往往过多关注于水位、流速、泥沙等水文参数，限于恶劣的采样环境，对涌潮潮头水质的水质采样和监测的相关工作开展的较少。因此，研究安全、可靠和智能化的涌潮潮头水样采集方法对于开展涌潮水质突变规律和局部生态环境等科学工作具有十分重要的实际意义。

涌潮到来时刻，水位骤然上涨2～3m，水流急速从落潮状态转为涨潮状态，并迅速达到极值，极值流速达6～10m/s，最高可达12m/s，其动力强劲，破坏力极大，无法实施水质采样行为。目前潮头的生态采样和监测方法不够成熟，一般等涌潮过去一段时间，流速变缓后，相关人员再使用采水器等工具进行水质采样。随着科学技术发展，无人化、智能化成为研究热点，可应用于各领域，无人机灵活性高，对恶劣环境适应性强，并且具有一定的载重能力，使用无人机进行水质采样有助于克服这些困难，减少采样时间和成本，提高样本研究可靠性。

通过查阅相关文献和专利，未见针对高流速下的涌潮潮头水质采样装置和方法。为了实现无人机对潮头的水质采样，需要知道涌潮的移动速度，目前相关专利仅有《一种基于机器视觉的涌潮监测方法》(申请(专利权)人：河海大学，公开号：CN111914695A)，此专利提出了一种基于机器视觉的涌潮监测方法，但所采用的方法边缘检测时检测出的边缘位置会有一定范围的误差，从而影响到潮头线提取的准确性，而本文所提出的边缘检测方法相对比会检测出更多的细节，对边缘位置的检测更为准确，因此对潮头线的提取更加准确。相比于此专利使用的固定观测点观测方法，借助于无人机摄影测量的涌潮观测方法，可在大尺度范围内连续跟踪和观测涌潮传播过程中的形态变化，更好研究钱塘江涌潮的形态变化过程。同时，也并未见其将此方法用于涌潮潮头的水质采样。

本发明提出一种基于无人机的泵吸式涌潮潮头水质采样方法。该采样方式创新性地集成了基于涌潮图像处理的潮头推进速度解析模块、无人机与涌潮同步跟踪模块、泵吸式水质采样模块。通过保持无人机与涌潮潮头的相对静止飞行，减小了二者因速度差异而导致的对水质采样行为的动力破坏作用和影响。为适应恶劣的涌潮水质采样环境，采用了阻力更小的泵吸式采样方式，仅将吸水管探头下放至潮头的不同深度，实现潮头定深采样。该方法解决了传统的采样方式无法满足高流速条件下的水质采样问题，实现了高流速和恶劣环境条件下的水质采样。

发明内容

本发明目的在于克服现阶段高流速条件下水质采样存在的问题，提供了一种基于无人机的泵吸式涌潮潮头水质采样方法。

一种基于无人机的泵吸式涌潮潮头水质采样方法，硬件包括多旋翼无人机飞行平台(1)、飞控模块、地面站模块、云台相机模块(3)、板载计算机模块(12)和水质采样模块(2)。