一种坡面水文试验流速场观测系统的制作方法

本实用新型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。

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系统。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种坡面水文试验流速场观测系统，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，本实用新型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，本实用新型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。

优选地，所述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的步骤包括：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。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实施例提供的一种坡面水文试验流速场观测系统，搭建试验所观测的坡面模型，在指定的坡面模型上进行降雨并在指定坡面模型上投放示踪液，利用数字地形采集处理系统采集地形图像，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；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。可见，本实用新型实施例提供的坡面水文试验流速场观测系统，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，相比现有技术中对流速场的试验方法，准确率更高。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的一种坡面水文试验流速场观测系统的示意图；

图2是本实用新型实施例二的一种坡面水文试验流速场观测系统的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例一

参照图1，示出了本实用新型实施例一的一种坡面水文试验流速场观测系统的示意图。

本实用新型实施例提供的坡面水文试验流速场观测系统包括：坡面搭建系统101(图中未示出)、人工降雨系统102、示踪液投放系统103(图中未示出)、数字地形采集处理系统104、以及数字图像分析系统105。

坡面搭建系统101搭建试验所观测的坡面模型1011。人工降雨系统102用于在指定的坡面模型上进行降雨。

示踪液投放系统103用于在指定坡面模型1011上投放示踪液1031。

示踪液是指那些能随注入流体一起流动，指示流体在多孔介质中的存在、流动方向和渗流速度的物质。示踪液的种类较多，按其化学性质可分为化学示踪液和放射性示踪液；按其溶解性质可分为分配性示踪液和非分配性示踪液。化学示踪液常见的有:离子型，如SCN-、NO3-、Br-、I-等；有机类，如甲醛、乙醇、异丙醇等；染料类和惰性气体；放射性示踪液常见的有:氚水、氚化正丁醇、氚化乙醇等。非分配性示踪液只溶于水；而分配性示踪液既溶于水，又溶于油，但在油、水中的分配比例不同。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对示踪液进行选择，本实用新型实施例中对此不作具体限制。

数字地形采集处理系统104包括相机阵列1041和同步器1042；相机阵列1041排布在坡面模型1011上方，用于在试验过程中拍摄坡面模型1011的地形图像。同步器1042控制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。

数字图像分析系统105对上述相机整列图像进行分析，通过正射纠正、数字图像拼接获得坡面模型正射影像；利用图斑边缘检测技术，识别示踪图斑，结合坡面模型数字高程模型和前后两张照片中示踪图斑位移情况计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。

对于数字高程模型中数据的提取之前，可以将数字高程模型生成三维数字地形图。

需要说明的是，将拍摄的地形图像进行分析得到各坡面模型的数字高程模型，将各数字高程模型进行分析会处理得到三维数字地形图可以通过地形DEM格式的数据，从DEM数据中采样，用Delaunay算法等三角形生成算法从采样数据中生成地形的三维数字地形图。该方法的优点是生成的地形准确，三角形总数可以控制，而且可以通过调整采样率来生成不同精度的地形。

或者生成三维地形图也可以通过从BMP图中提取地形数据，利用现有的各种图形编辑软件，将BMP格式的等高线位图转换成单色位图，只留下高程轮廓线，在单色的等高线图中，每条轮廓线对应于一个高度，且轮廓线不会相交可以利用射线相交法来提取所需要的信息。具体为：将等高线原图经过图像处理换成单色BMP图，并载入程序中；以最小轮廓线的中心点为原点，以水平位置为0度线，从原点开始沿0度射线方向的当前点的位置和颜色值，并与黑色之比较。如果是黑色，则将当前点的数值存入堆栈，如果是白色，则将当前点推进到射线上的下一点，这里直线的像素生成算法采用的是Bresenham算法；当第一射线与所有轮廓线都相交后，改变角度，再次作射线，重复上述步骤，直到角度值大于等于360度。最终得到一个M*N的数组，其中，M是轮廓线的数量，N是射线的数量。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况对三维数字地形图生成的方法进行选择，对此不作具体限制。

本实用新型实施例提供的一种坡面水文试验流速场观测系统，搭建试验所观测的坡面模型，在指定的坡面模型上进行降雨并在指定坡面模型上投放示踪液，利用数字地形采集处理系统采集地形图像，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；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。可见，本实用新型实施例提供的坡面水文试验流速场观测系统，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，相比现有技术中对流速场的试验方法，准确率更高。

实施例二

参照图2，示出了本实用新型实施例二的一种坡面水文试验流速场观测系统的示意图。

本实用新型实施例提供的坡面水文试验流速场观测系统包括：坡面搭建系统201(图中未示出)、人工降雨系统202、示踪液投放系统203、数字地形采集处理系统204、以及数字图像分析系统205。

坡面搭建系统201搭建试验所观测的坡面模型2011。人工降雨系统202用于在指定的坡面模型上进行降雨。

示踪液投放系统203用于在指定坡面模型2011上投放示踪液2031。

示踪液是指那些能随注入流体一起流动，指示流体在多孔介质中的存在、流动方向和渗流速度的物质。示踪液的种类较多，按其化学性质可分为化学示踪液和放射性示踪液；按其溶解性质可分为分配性示踪液和非分配性示踪液。化学示踪液常见的有:离子型，如SCN-、NO3-、Br-、I-等；有机类，如甲醛、乙醇、异丙醇等；染料类和惰性气体；放射性示踪液常见的有:氚水、氚化正丁醇、氚化乙醇等。非分配性示踪液只溶于水；而分配性示踪液既溶于水，又溶于油，但在油、水中的分配比例不同。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对示踪液进行选择，对此不作具体限制，并且示踪液的颜色与所述坡面模型不同。

其中，示踪液投放系统203包括：蠕动泵2032和蠕动泵控制器2033，蠕动泵控制器控制蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处。

数字地形采集处理系统204包括相机阵列2041和同步器2042；相机阵列2041排布在坡面模型2011上方，用于在试验过程中拍摄坡面模型2011的地形图像，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。同步器2042控制相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像。数字地形采集处理系统还包括：校准标识；校准标识用于图像校准。

对于数字高程模型中数据的提取之前，可以将数字高程模型生成三维数字地形图。

需要说明的是，将拍摄的地形图像进行分析，得到三维数字地形图可以通过地形DEM格式的数据，从DEM数据中采样，用Delaunay算法等三角形生成算法从采样数据中生成地形的三维数字地形图。该方法的优点是生成的地形准确，三角形总数可以控制，而且可以通过调整采样率来生成不同精度的地形。

或者生成三维地形图也可以通过从BMP图中提取地形数据，利用现有的各种图形编辑软件，将BMP格式的等高线位图转换成单色位图，只留下高程轮廓线，在单色的等高线图中，每条轮廓线对应于一个高度，且轮廓线不会相交可以利用射线相交法来提取所需要的信息。具体为：将等高线原图经过图像处理换成单色BMP图，并载入程序中；以最小轮廓线的中心点为原点，以水平位置为0度线，从原点开始沿0度射线方向的当前点的位置和颜色值，并与黑色之比较。如果是黑色，则将当前点的数值存入堆栈，如果是白色，则将当前点推进到射线上的下一点，这里直线的像素生成算法采用的是Bresenham算法；当第一射线与所有轮廓线都相交后，改变角度，再次作射线，重复上述步骤，直到角度值大于等于360度。最终得到一个M*N的数组，其中，M是轮廓线的数量，N是射线的数量。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况对三维数字地形图生成的方法进行选择，对此不作具体限制。

数字图像分析系统205对上述相机整列图像进行分析，数字高程模型进行分析，将各数字高程模型进行分析会处理通过正射纠正、数字图像拼接获得坡面模型正射影像；利用图斑边缘检测技术，识别示踪图斑，结合坡面模型数字高程模型和前后两张照片中示踪图斑位移情况计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。

数字图像分析系统205包括：提取模块2051、以及计算模块2052；

数字地形采集处理系统205将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。

识别模块2501分别识别各地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将地形图像与对应的三维数字地形图进行精确配准，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示踪液指示的水流位置与时间的关系；

计算模块2052依据示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各三维数字地形图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；依据水流方向以及水流流速输出水流的坡面流速场。

本实用新型实施例提供的一种坡面水文试验流速场观测系统，搭建试验所观测的坡面模型，在指定的坡面模型上进行降雨并在指定坡面模型上投放示踪液，利用数字地形采集处理系统采集地形图像，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；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。可见，本实用新型实施例提供的坡面水文试验流速场观测系统，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，相比现有技术中对流速场的试验方法，准确率更高。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本实用新型所提供的一种坡面水文试验流速场观测系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。