一种基于城市影像资料确定洪水中人体稳定性的方法与流程

本发明涉及水利工程技术领域，具体说的是一种基于城市影像资料确定洪水中人体稳定性的方法。

背景技术：

我国一直是深受洪水灾害威胁的国家之一，由暴雨引起的超标准洪水造成的人员伤亡非常严重。据不完全统计，1950-2000年间，每年因洪涝灾害直接死亡的人数约为5 200人。自2000年后，因洪灾直接死亡人数下降到年均约1 600人。但随着当前人口的迅猛增长，人类活动范围的不断扩张，以及全球变暖为主要特征的气候变化，增大了洪涝灾害发生的概率，人员的生命安全依然面临着非常严峻的挑战。例如，2012年7月北京发生特大暴雨洪水，2d内造成79人死亡。由此可见，洪水作用下的人体容易失稳，行人被洪水冲走后极有可能直接死亡。因此建立洪水中人体的失稳标准，对洪水风险评估具有重要意义。

随着科技的发展，摄像、照相已成为城市交通及各单位安保工作等不可或缺的一部分，也是记录洪水过程的重要手段。影像资料中的人体失稳过程反应了实际洪水情况，更有利于相关研究的开展。因此，如何根据城市影像资料确定洪水中人体稳定性，将有助于建立洪水中人体的失稳标准，更可推广扩展至车辆、房屋等受淹对象失稳条件的获取，将为城市洪水风险分析及管理提供参考依据。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种基于城市影像资料确定洪水中人体稳定性的方法，将为估算洪水中人体危险程度、指导受灾群众的逃生、以及城市洪水风险分析提供科学依据。

本发明的原理为：城市洪水相关影像资料中的物体长度与实际物体长度之间具有一定的比例关系，据此确定图上距离与实际距离的比尺，进而计算人体所在位置的水深；再根据视频中一段时间内物体的漂浮距离，或照片中人体所在位置水深的壅高和伯努利方程，确定人体所在位置的流速大小。本发明基于现有的影像资料，确定比尺关系，计算人体失稳的水深与流速，采用洪水中人体失稳的曲线，验证资料中人体失稳数据的准确性。提出了一种基于城市影像资料确定洪水中人体稳定性的方法。

本发明提供一种基于城市影像资料确定洪水中人体稳定性的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，提出影像资料中人体与实际人体的比尺关系的方法，进而确定人体所在位置的水深大小，具体步骤如下：

步骤(1.1)，若影像资料中的人体附近具有已知实际长度的参照物，根据参照物的实际长度与图上长度确定比例关系；

步骤(1.2)，若影像资料中没有具有已知实际长度的参照物，以影像资料所在地区的平均身高为参考依据，利用人体的身高与臂长的关系，确定人体的手臂长度，再确定资料中物体实际长度与图上长度的比例关系；

步骤(1.3)，根据步骤(1.1)或步骤(1.2)确定的比例关系，计算相应的来流水深；

步骤(2)，将影像资料分为具有漂浮物的视频资料、图片资料和没有漂浮物的视频资料，然后根据视频资料中漂浮物移动距离计算视频资料中的水流流速，根据伯努利方程计算图片或没有漂浮物的视频资料中的水流流速，具体步骤如下：

步骤(2.1)，对于具有漂浮物的视频资料，可根据一段时间内漂浮物移动的距离确定水面流速，考虑水面流速与垂线平均流速的关系，计算人体前方水流的平均流速；

步骤(2.2)，对于图片或没有漂浮物的视频资料，可测量出人体所在位置的壅水高度，再采用伯努利方程求解人体前方的水流的平均流速；

步骤(3)，利用已建立的洪水中人体失稳曲线检验方法的可靠性，具体步骤如下：

步骤(3.1)，通过理论分析，建立人体失稳的临界流速曲线，并采用模型人体失稳的水槽数据率定公式的相关参数；

步骤(3.2)，利用步骤(3.1)中率定的公式，绘制不同水深情况下真实人体失稳的曲线；

步骤(3.3)，将步骤(1)和步骤(2)中的得到的洪水中人体失稳的试验数据、其他人的真人失稳的试验数据与步骤(3.2)绘制的曲线进行对比，检验上述方法的可靠性。

所述步骤(1.1)中，影像资料的比尺S为：

其中，L_p为影像资料中已知长度的参照物的实际长度，L_s为影像资料中已知长度的参照物的图上长度；选取的已知长度的参照物应靠近洪水中的人体。

所述步骤(1.2)中，影像资料的比尺S为：

S＝L_aP/L_aS

其中，L_aP为影像资料中人体的实际臂长，L_aP＝H_Pavg×34.4％，H_Pavg为影像资料所在区域的人体的实际平均身高，L_aS为影像资料中人体的图上臂长。

所述步骤(1.3)中，若影像资料中具有已知实际长度的参照物，影像资料中实际水深H为：

H＝H_p-H_bPOUT

其中，H_P为影像资料中人体的实际身高，H_P＝L_aP÷34.4％，L_ap为影像资料中人体的实际臂长；H_bPOUT为影像资料中人体露出水面的实际高度，H_bPOUT＝H_bSOUT×S，S为影像资料的比尺，该比尺采用步骤(1.1)所述方法确定，H_bSOUT为影像资料中人体露出水面的图上长度。

所述步骤(1.3)中，若影像资料中不具有已知实际长度的参照物，影像资料中实际水深H为：

H＝H_Pavg-H_bPOUT

其中，H_Pavg为影像资料所在区域的人体的实际平均身高；H_bPOUT为影像资料中人体露出水面的实际高度；H_bPOUT＝H_bSOUT×S，S为影像资料的比尺，该比尺采用步骤(1.2)所述方法确定，H_bSOUT为影像资料中人体露出水面的图上长度。

所述步骤(2.1)中，用视频资料中人体附近的垂线平均流速U_VL近似代表人体前方水流的平均流速U，视频资料中人体前方水流的平均流速U的计算公式为：

其中，U_max为视频资料中水面的实际流速，ΔT为时间段，ΔL为在ΔT的时间段内图上的运动距离；S为影像资料的比尺。

所述步骤(2.2)中，先测量出人体所在位置的壅水高度ΔH，再采用伯努利方程求解人体前方水流的平均流速：

其中，ΔH为壅水高度，g为重力加速度，S为影像资料的比尺。

本发明方法，其有益效果在于：

(1)提出了2种实际物体与影像资料比尺关系的确定方法。如资料中人体附近有确定长度的物体，以实际长度与图上长度的比值作为比尺；如资料中人体附近没有确定长度的物体，取资料所在地区的平均身高为参考值，根据人体臂长与身高之间的关系，确定实际臂长和图上臂长的比值作为比尺；

(2)根据比尺关系确定水深和流速，流速的计算方法分为2种。对于视频资料而言，可根据一段时间内漂浮物移动的距离确定水面水流流速，考虑水面流速与平均流速的关系，计算当前水流的平均流速；对于图片资料来讲，可测量出人体所在位置的壅水高度，再采用伯努利方程求解人体所在位置的流速。

(3)利用已建立的洪水中人体失稳曲线检验方法的可靠性。提出的方法将有助于建立洪水中人体的失稳标准，同时也将为城市、滩区、蓄滞洪区等洪水风险分析及管理提供参考依据。

附图说明

图1本发明方法的流程图；

图2洪水中人体各部分长度测量示意图；

图3伯努利方程中两个断面示意图；

图4人体失稳曲线及本发明得到的人体失稳数据比较。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。如图1-图4所示，一种基于城市影像资料确定洪水中人体稳定性的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，提出影像资料中人体与实际人体的比尺关系的方法，进而确定人体所在位置的水深大小，具体步骤如下：

步骤(1.1)，若影像资料中的人体附近具有已知长度的参照物，根据参照物的实际长度与图上长度确定比例关系；

考虑拍摄角度、距离等问题，已知实际长度的参照物应靠近洪水中的人体。假定影像资料中已知实际长度的参照物的实际长度为L_p，图上长度为L_s，则该影像资料的比尺S为：

步骤(1.2)，若影像资料中没有具有已知长度的参照物，如图2所示，以影像资料所在地区的平均身高为参考依据，利用人体的身高与臂长的关系，确定人体的手臂长度，以计算影像资料中物体实际长度与图上长度的比尺；

Gordon et al.(1989)研究表明，人的臂长大约为身高的34.3％，取图2所在区域的人体的实际平均身高为H_Pavg，则人体的实际臂长L_aP为：

L_aP＝H_Pavg×34.4％ (2)

而图2中人体手臂弯曲，可分为L_a1和L_a2两部分，由此计算人体的图上臂长L_aS为：

L_aS＝L_a1+L_a2 (3)

那么比尺S为:

S＝L_aP/L_aS (4)

步骤(1.3)，根据步骤(1.1)或步骤(1.2)确定图上距离与实际距离的比尺关系S，再计算相应的来流水深。

若影像资料中具有已知实际长度的参照物，那么首先测量计算图2中人体的图上臂长L_aS，再根据比尺计算人体的实际臂长为：

L_aP＝L_aS×S (5)

那么人体的实际身高H_P为：

H_P＝L_aP÷34.4％ (6)

图2中人体露出水面部分有弯曲，可分为L_b1、L_b2和L_b3 3部分，则图上人体露出水面的长度为H_bSOUT为：

H_bSOUT＝L_b1+L_b2+L_b3 (7)

计算人体露出水面的实际高度H_bPOUT为：

H_bPOUT＝H_bSOUT×S (8)

那么实际水深H为人体实际身高与人体露出水面的实际高度的差值：

H＝H_p-H_bPOUT (9)

若影像资料中不具有已知实际长度的物体，那么同样根据图上人体露出水面的长度及比尺计算实际人体露出水面的长度，只是计算水深改为下式：

H＝H_Pavg-H_bPOUT (10)

步骤(2)，将影像资料分为具有漂浮物的视频资料、图片资料和没有漂浮物的视频资料，然后根据视频资料中漂浮物移动距离计算视频资料中的水流流速，根据伯努利方程计算图片或没有漂浮物的视频资料中的水流流速，具体步骤如下：

步骤(2.1)，对于具有漂浮物的视频资料而言，可根据一段时间内漂浮物移动的距离确定水面流速，考虑水面流速与垂线平均流速的关系，计算人体前方水流的平均流速；

如果视频资料中有某漂浮物，在ΔT时间段内图上运动了ΔL的距离，那么水面的实际流速U_max为:

现有研究表明，水面处的最大流速比垂线平均流速大16％，故垂线平均流速U_VL为:

上式计算的是视频资料中人体附近的垂线平均流速，因此该流速可以近似代表人体前方水流的平均流速，即人体前方的平均流速为：

U＝U_VL (13)

步骤(2.2)，对于图片或没有漂浮物的视频资料来讲，如图3，先测量出人体所在位置的壅水高度ΔH，再采用伯努利方程求解人体前方水流的平均流速。

人体在水中的位置如图3所示，对于断面1-1’和2-2’的伯努利方程为：

式中，等式左右3项的物理意义分别为位置水头，压强水头和流速水头。ρ为水流密度，g为当地的重力加速度。1-1’断面有：Z₁是断面1-1’中某点相对基准面的标高，P₁是该点的压强，U₁是该点的流速。相应的2-2’断面有，Z₂是断面2-2’中某点相对基准面的标高，P₂是该点的压强，U₂是该点的流速。

发明近似认为水流为恒定渐变流，取人体前方平均流速与断面1-1’的平均流速相等，人体所在断面2-2’的流速U₂＝0m/s，所以断面2-2’测压管水头(位置水头与压强水头之和)增大，产生ΔH的壅水。图3中1-1’和2-2’两个断面的水深分别为H₁、H₂(ΔH＝H₂-H₁)。渐变流的过水断面存在测压管水头是常数，水流流速在垂向均匀分布，均为平均流速。图3中取地面为基准面，那么1-1’和2-2’断面的测压管水头分别为：

1-1’断面：

2-2’断面：

代入采用伯努利方程(式14)，求解实际洪水中人体前方的平均流速，即：

式中，g为当地的重力加速度。经等式变换可得：

步骤(3)，利用已建立的洪水中人体失稳曲线检验方法的可靠性，具体步骤如下：

步骤(3.1)，通过理论分析，建立洪水中人体失稳的临界流速公式，并采用模型人体失稳的水槽数据率定公式的相关参数，利用率定后的公式绘制洪水中人体失稳的临界曲线；

Xia等(2014)建立了身高H_P，体重M_P的人体跌倒失稳的临界流速的计算公式：

式中：ρ为水流密度，a₁，b₁，a₂，b₂是与人的身体特征相关的参数，经计算可得a₁＝0.633、b₁＝0.367，a₂＝1.015×10^-3m³/kg、b₂＝-4.937×10^-3m³。α与β需要根据人体模型失稳的水槽试验结果率定，经计算得到α＝3.472，β＝0.188。

步骤(3.2)，利用步骤(3.1)中率定的公式，绘制不同水深情况下真实人体失稳的曲线；

步骤(3.3)，将步骤(1)和步骤(2)得到的洪水中人体失稳的试验数据(人体失稳时的水流流速和水深)、其他人的真人失稳的试验数据(人体失稳时的水流流速和水深)与步骤(3.2)绘制的曲线进行对比，检验上述方法的可靠性。

图4将人体失稳曲线，影像资料中洪水作用下人体失稳的水流条件数据，以及Abt(1989)、Karvonen(2000)、Field,Chanson(2014)真实失稳的实验数据进行对比，可以看出，Xia等(2013)提出的失稳标准曲线偏低，是由于公式采用模型人体水槽试验结果进行率定，未考虑人体的调整作用。影像资料中人体失稳的数据与其他真人水槽试验的数据较为靠近，可以认为方法是可靠的。