无人机拖曳传感器浸入水中

水文学是应用科学的一个分支，其研究和描述海洋，沿海地区，湖泊和河流的物理特征，以及预测其随时间的变化，其主要目的是确保航行安全并支持所有其他海洋活动，包括经济发展，安全与国防，科学研究和环境保护（“国际水文组织”的定义）。

水文学中最流行的方法是测深 - 海洋，河流或湖泊中水深的测量。

但是，还有许多其他类型的方法和各种收集的数据–声速分析，流速，盐度，浊度以及许多其他物理和环境特征测量。

水文学的标准方法通常基于使用船，USV（无人水面载具）或从海岸/边沿/桥等将传感器放到水中。

有时，乘船可能会很复杂，特别是在河水或湖泊难以到达的情况下。 USV的使用也不是在每种情况下都可行。首先，必须有一个良好的入口水位以进行部署/回收。其次，在有大量海藻的浅湖中使用USV可能是不可能的。最后但并非最不重要的一点是，在许多情况下，USV应该足够大以抵御海浪，并且可能需要大汽车来运输它。

另一种选择是驾驶无人机（UAV）携带传感器。无人机紧凑且易于运输和部署。无人机也具有遵循计划中的勘测线的高精度，可用于在被测水面附近至少有小面积起降的任何地方。

当然，并非所有传感器都可以由无人机携带。无人机也有特定的限制-风速，有限的飞行时间，高浪。但是，在许多情况下，尤其是对于内陆水域调查，使用无人机携带水文传感器可能是最佳的解决方案。

无人机的另一个独特应用可能是在任何污染物都不能接受的饮用水水库中。与浸入水中的小型传感器和绳索相比，消毒小型电动船要容易得多。

下面我们将回顾目前可用于无人机的水文测量方法和传感器。

用于水文学的标准集成无人机系统包括： 

-市售的无人机，例如大疆 M210，M300或M600 Pro（以及基于Pixhawk自动驾驶仪的无人机），某些传感器将需要更大的无人机，如M600 Pro 

-传感器（回声测深仪，GPR，声速探头等） 

-雷达高度计，用于测量无人机在水面上的精确高度 

-机载计算机可控制任务并存储地理标记的测量值 

-控制任务的软件。

测深法

我们推荐两种用于测深的传感器： 

-回声测深仪，它是测量深度的标准传感器 https://industrial.ugcs.com/bathymetry

-低频GPR系统 https://industrial.ugcs.com/gpr

回声测深仪

在大多数情况下，回声测深仪作为专门设计用于测量水中距离的传感器将是最佳选择。以下是大疆无人机的全套照片。

1 – 带不锈钢保护管的回声测深仪，带有电缆，钩子和登山扣，可将传感器固定在无人机上。

2 – 电缆组

3 – UgCS SkyHub机载计算机

4 – 雷达高度计，带有用于无人机的支架。

标准配置使用EchoLogger ECT 400回声测深仪。最大深度为100m；最小测量范围是15厘米。实际最小深度约为30厘米，因为在测量过程中传感器应在水下。标称精度为0.2％，分辨率小于1mm。

实际精度为2厘米（高度计的精度）加上深度的0.2％。 

此配置的重量为1600g（包括传感器，120毫米长的不锈钢保护器，SkyHub计算机，电缆，所有安装件）。

可以根据要求提供双频EchoLogger ECT D032（http://www.echologger.com/products/22）。该传感器不仅可以测量到第一个表面的深度，还可以估算沉积物层的厚度。

在无人机上使用回声测深仪进行湖泊勘测的视频–

                                                 视频：使用机载回声测深仪进行湖泊勘测

回声测深仪的优点之一是简单直接的数据处理。我们建议使用Hydromagic Survey软件，该软件可以在几分钟内处理数据并生成彩色或轮廓深度图，横截面或3D模型。

彩色深度图样本：

湖泊的3D模型：

低频GPR

GPR作为测深传感器的主要优点与以下事实有关GPR无需接触水即可工作：

•允许您在无法进行USV /船艇检验的海藻较多的盆地中进行工作 

•允许以极高的电流测量河流/溪流 

•可以对被冰覆盖的水进行深度测量。

为测深调查准备的低频GPR

从GPR工作的物理原理中也可以得到2个好处： 

•允许估算沉积物层厚度 

•允许检测沉积物层中的物体和不规则物。

缺点是数据处理过程更复杂，精度不如回声测深仪，并且取决于GPR的中心频率，测量深度有限： 

•中心频率124Mhz，对水的渗透约为5m 

•中心频率为80Mhz，对水的渗透约为9m

GPR用于测深的另一个限制是水的电导率和盐度。 GPR仅在淡水中起作用。

使用GPR在丹麦Silkeborg湖收集的数据构建的3D模型样本

调查视频 –

                                      视频：使用机载雷达在希尔克堡湖进行淡水测深

声速剖面仪

声音的速度校正是大多数工程测量的严格要求，因为它直接导致深度误差和不确定性。而且，由于射线弯曲效应，声速剖面对于多波束水文学至关重要。

声速剖面仪是一种相对简单的设备，可在传感器所在的深度测量水中的声速。

我们建议Valeport SWiFT SVP –简单易用的设备，不仅可以测量声速，而且可以测量温度。由于水中电磁波的速度取决于温度，因此可以使用按深度的水温来校正GPR水深测量数据。

另一个选择是Valeport miniSVS（带有可选的压力传感器），其目的与SWiFT SVP相同，但是数据以地理标记的形式记录在UgCS SkyHub计算机上，因此每次飞行都可以创建多个配置文件(multiple profiles)。

浊度传感器

浊度监测是河流和湖泊环境应用中的关键应用。 Valeport Hyperion浊度传感器由于其紧凑的外形和轻巧的重量而成为无人机应用的理想选择。

其他传感器

Valeport传感器系列还包括叶绿素，若丹明，藻蓝蛋白和荧光素，因此使用UAV进行化学传感和荧光（染料示踪）应用成为现实，而不是购买一艘船来在河流，湖泊或一系列相互连接的泻湖中传感这些参数。

https://www.valeport.co.uk/applications/hydrography/

可以根据要求提供任何传感器。

集成系统的组件

高度计

对于精确的深度测量（以及无人机的安全性），控制水面的精确高度至关重要。

我们使用高频雷达高度计和特殊的地形（表面）跟随算法来在自动测量任务期间保持无人机的高度恒定。

车载计算机

集成系统的核心是UgCS SkyHub –小型且功能强大的机载计算机，带有特殊软件。

SkyHub-车载计算机-数据记录仪

该车载计算机的第一个功能是使用来自雷达高度计的数据来保持无人机在水面上的恒定高度。标准大疆无人机不具备此功能，而是依靠气压高度计进行高度控制。不幸的是，它不是一个精确的传感器，单次飞行的高度漂移可能高达几米。另一方面，使用雷达高度计，飞行高度的漂移约为5厘米。

车载计算机的第二个功能是以地理标记形式存储传感器测量值。为了对数据进行地理标记，使用了无人机的GPS接收器。如果无人机配备了RTK / PPK接收器，则数据点的坐标将精确到厘米。

地面控制软件

地面控制软件是UgCS，带有附加的配套应用程序，用于控制回声测深仪。在飞行过程中，地面上的操作员可以看到电流传感器的测量值。

使用场景

集成系统支持3种操作模式： 

-沿测量线的连续测量； 

-在指定航路点的测量； 

-手动测量。

在第一种情况下，无人驾驶飞机操作员应在水面上使用调查网格（或单独的线路）来计划任务。当传感器浸入水下时，数据记录将自动开始。

无人机将以低速（0.5-1m / s）拖曳浸入水中的传感器并执行恒定的测量。

在某些情况下，例如，如果水中有大量海藻，则无法进行连续测量。

在这种情况下，操作员应在水面上规划摄影测量网格，并在需要进行“拍摄”的位置上进行标记。无人机将在航点之间飞行，下降到所需高度以淹没传感器，进行测量，然后上升到安全高度并移动到下一个航点。

如果想更深入的了解SPH Engineering提供的为做测深机载的解决方案，我们欢迎您参加2020年12月10号的关于测深的免费webinar (网络研讨会)。这是第二次我们特意对中国用户举办中文版的webinar。

Webinar的内容：

注册到webinar的链接：

https://us02web.zoom.us/webinar/register/6915985277065/WN_Oi2UuQN3S9K5tkUt4Z5LWA

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