[发明专利]一种坡面水文试验流速场观测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及坡面水文试验流速场观测技术领域，特别是涉及一种坡面水文试验流速场观测系统及方法。

背景技术

坡面薄层水流是自然界广泛分布的水文现象。由于自然界的坡面形态复杂，且水流很薄，难以实现全坡面的产流过程观测。相对于明渠或河流中的水流，薄层水流厚度非常小，受空气、边壁等接触面的影响，使得流速变化规律非常复杂。而地面污染物运移、泥沙颗粒的侵蚀与起动等与薄层水流流速具有密切关系。特别在一些自然环境中，薄层水流甚至用肉眼无法直接观察到，只有在染色剂之类的示踪液的指示下才能看到。

目前对薄层水流流速的测量广泛采用的方法有“流量法”、“染色法”、“盐溶液示踪法”等。

“流量法”只能用于平均流速的测量，在流量较大且需要连续观测时需要较多的人员，工作量较大。对于“染色法”和“盐溶液示踪法”，其测定的是径流表面最大流速，要得到径流平均流速必须进行修正。但是，“染色法”虽然比较方便，但有时需要多人进行配合测量，且由于测量均为人工测量，带有一定的人为因素，距离和时间会有一定的测量误差。特别是染色流体的形状会随着移动距离在水流弥散作用下变化，有时很难把握，其造成的距离测量误差十分严重，一般只能计量最大流速。

可见对坡面水流流速的测量一直是相关领域研究的难点，特别是较大坡面水流流速场的观测难以实现。为了深入研究薄层水流的水动力过程，迫切必须找到一种更加科学和高效的坡面水流流速测量方法。

发明内容

本发明提供了一种坡面水文试验流速场观测系统及方法，以解决现有技术中不能精确计算出流速场的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种坡面水文试验流速场观测系统，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及数字图像分析系统；所述坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型；所述人工降雨系统用于在指定的所述坡面模型上进行降雨；所述示踪液投放系统用于在指定所述坡面模型上投放示踪液；所述数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器；所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像；利用近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对图像进行分析得到坡面模型数字高程模型；所述数字图像分析系统对上述相机整列图像进行分析计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。

优选地，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处。

优选地，所述数字地形采集处理系统还包括：校准标识；所述校准标识用于图像校准。

优选地，所述数字地形采集处理系统将所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像按照拍摄时间先后进行排序，对排序后的各地形图像进行分析得到各所述坡面模型的数字高程模型。

优选地，所述数字图像分析系统还包括：识别模块以及计算模块；所述识别模块分别识别各所述地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将所述地形图像与对应的所述数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定所述示踪液指示的水流位置与时间的关系；所述计算模块依据所述示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各所述数字高程模型中示踪液终点处的坡度信息，依据各坡度信息计算水流流速；依据所述水流方向以及所述水流流速输出水流的坡面流速场。

优选地，所述示踪液的颜色与所述坡面模型不同。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种坡面水文试验流速场观测方法，所述方法包括：搭建坡面模型；启动示踪液投放系统将所述示踪液投放在指定的所述坡面模型上；启动人工降雨系统，其中，所述人工降雨系统在指定的所述坡面模型上进行降雨；启动数字地形采集处理系统对所述坡面模型的地形数据进行采集，其中所述数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器，所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像；利用近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对图像进行分析得到坡面模型数字高程模型；启动数字图像分析系统将上述相机整列图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。

优选地，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述启动示踪液投放系统将所述示踪液投放在指定的所述坡面模型上的步骤，包括：所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处。