本发明涉及一种基于薄层水流水动力特性的溢洪道安全检测系统和方法，是一种在水利工程上应用的检测系统和方法，是一种针对大坝溢洪道侵蚀破坏前期预警的安全检测系统和方法。
背景技术：
由于水库大坝泄洪放水的流量通常较大，为保证溢洪道的稳固，通常选择坚实的岩石山谷谷底作为溢洪道的基础。然而不是所有的坝址处都处在坚实的谷底基岩上，多数溢洪道的修建都得构筑钢筋混凝土溢洪道床面。水坝地形位置的选址决定了多数溢洪道在起始部分为陡峭坡面，陡峭的坡面所形成的的高速大流量水流是造成溢洪道床面发生空蚀破坏的主要原因。在世界各地的水库运行时经常会出现溢洪道在泄洪的最后几天出现严重空蚀事故，事故发生后，溢洪道的一部分钢筋混凝土床面出现完全的断裂，其破坏的严重程度令人惊讶。溢洪道床面破坏严重的部位往往出现在溢洪道床面的一些风化所形成的微小裂缝或凹槽，在没有形成严重破坏之前很难察觉。溢洪道是一种安全设施，几年甚至十几年才使用一次，床面长期暴露在风吹日晒中，不可避免的会出现风化现象，而且不是所有的裂缝和凹槽都会产生严重的空蚀。为避免严重空蚀，现有方式大多是采用人工检查溢洪道混凝土床面，并对床面进行修补。这样的工作一般一年至少要有一两次，需要花费大量的人力物力。如何用简便的方式检查溢洪道表面的质量，快速确定出现空蚀的位置，并提前进行补救和修复，是一个亟待解决的问题。
技术实现要素：
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于薄层水流水动力特性的溢洪道安全检测系统和方法。所述的系统和方法通过比对的坡面水流滚波的形态变化，能够快速的确定可能出现严重空蚀的风化位置，避免溢洪道床面的空蚀事故。
本发明的目的是这样实现的：一种基于薄层水流水动力特性的溢洪道安全检测系统，包括：至少一个固定在溢洪道上方，并能够拍摄到溢洪道一段床面完整图像的拍摄点，所述的拍摄点上设置至少一部高清晰度照相机或摄像机；具有处理图片能力的服务器，所述的服务器中设有图像分析装置和图像比对装置。
进一步的，所述的拍摄点是固定在溢洪道一侧山崖上的固定点、无人机、穿越山谷吊锁中的一种。
一种使用上述系统的基于薄层水流水动力特性的溢洪道安全检测方法，所述方法的步骤如下：
标定观测位置的步骤：对观测点的经纬度、水平高度进行标定，并确定拍摄视角；
确定时间区域的步骤：根据大坝当地的气候条件，确定一个观测溢洪道状态的时间区域；
确定检测放水量的步骤：根据溢洪道坡度，水流的形态特征，拍摄点的观测角度和距离，确定溢洪道的检测放水量；
放水观测的步骤：根据所确定的时间区域和检测放水量，按照选择的检测日期按照所确定的放水量，进行放水测试；
拍摄的步骤：在位置确定的拍摄点，对溢洪道进行全景拍摄或扫描拍摄，或通过多台照相机或摄像机进行分段拍摄；
滚波边缘确定的步骤：对拍摄的照片或动态图像进行图像纠正和分析，对所拍摄到的滚波进行边缘分析，确定滚波的边缘所包围的区域，提取滚波特征，并判断是否有确定的位置出现边缘模糊的波浪和气泡现象；
比对的步骤：将当期拍摄的图片或动态图像与以往拍摄的图片或动态图像进行比对，特别关注波纹边缘不清晰的部分，将当期提取的滚波特征与以往提取的滚波特征进行比对，如果一致性很好，则溢洪道底部无异常；如果滚波特征出现明显变化，或以往出现气泡和波浪的位置有扩大现象，则进行进一步比对或发出预警。
本发明产生的有益效果是：本发明利用坡面薄层水流滚波对下垫面的敏感性，通过定期的在溢洪道坡面上放水，通过控制流量，形成有固定特征的坡面薄层水流滚波，以拍摄和图像识别的方式，精确的确定各次放水所形成滚波的变化，通过判读滚波图形的变化，快速判断可能出现空蚀的位置。本发明使用简单的拍摄手段，结合了近年来对滚波的深入研究成果，解决了多年来控制溢洪道床面空蚀事故的问题，节省了大量人力物力，使溢洪道维护成本大大降低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述系统的构成示意图；
图2是本发明的实施例三所述方法的流程图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种基于薄层水流水动力特性的溢洪道安全检测系统，如图1所示。本实施例包括：至少一个固定在溢洪道1上方，并能够拍摄到溢洪道一段床面完整图像的拍摄点2，所述的拍摄点上设置至少一部高清晰度照相机或摄像机；具有处理图片能力的服务器3，所述的服务器中设有图像分析装置和图像比对装置。
本实施例所述的系统包括两个部分，拍摄和处理。拍摄点应设在溢洪道的上方，能够完整的观察到一段溢洪道，即能够观察到溢洪道两侧边壁所包括的中间部分。在通常情况下，滚波是一个从一侧岸边到另一侧岸边较为完整的链条，尽管中间可能出现有分岔，但基本上可以保持完整，因此，需要完整的整段溢洪道的图像。为了提高清晰度，可以采用扫描拍摄的形式，或者采用多台相机拍分别拍摄整段溢洪道的各个部分，再经过图像合成形成完整的图片。
拍摄点可以设置在溢洪道一侧高处的山崖上，也可以吊在溢洪道两侧山崖之间的钢索上，或者使用无人机，在溢洪道上飞行拍摄。由于溢洪道一般较长，需要对整条溢洪道进行分段拍摄，如果是固定拍摄点或钢丝拍摄，就需要设置多个拍摄点，或多条钢丝，如果使用无人机拍摄，可以单架或多架无人机进行拍摄。
拍摄使用的照相机可以是一台，也可以是多台，通过图像拼接获得高清晰度的图片。
由于图片清晰度要求较高，因此，处理图片的服务器也要求较高，可以使用架式或刀片服务器等处理能力较强的服务器。
图像分析装置可以使用带有边缘分析的图片处理软件，并带有对比分析功能，能够在一个系统中完成分析和比对。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于拍摄点的细化。本实施例所述的拍摄点是固定在溢洪道一侧山崖上的固定点、无人机、穿越山谷吊锁中的一种。
拍摄点的位置必须十分确定，因此，如果是无人机拍摄，就需要确定无人机的拍摄高度和精确的经纬度，因此，无人机上还需要安装高度测量装置和经纬度定位装置。而使用钢索则仅需要确定钢索运动的一维变化，而固定在山崖上的拍摄点，一次安装确定后，位置就已经确定。以上三种情况都需要确定的是照相机的拍摄视场的确定，以保证各次拍摄在同一视场中，以便比对。
实施例三：
本实施例是一种使用上述实施例所述系统的基于薄层水流水动力特性的溢洪道安全检测方法。所述方法的基本思路是：
溢洪道以小流量泄洪时，会形成有固定特征的坡面薄层水流滚波流。这种滚波流的形态对下垫面形态非常敏感：在下垫面形态保持不变时，滚波流的形态也保持不变；一旦下垫面形态发生改变，滚波流的形态将立即发生变化。运用摄影测量技术对滚波流形态进行分析和比对，将会快速有效的检查溢洪道底面是否存在裂缝、渗漏等危险情况。
本实施例所述方法的具体步骤如下，流程见图2所示：
标定观测位置的步骤：对观测点的经纬度、水平高度进行标定，并确定拍摄视角。如果是固定拍摄点，可以一次进行标定，即使用卫星定位装置进行经纬度定位，并使用测高仪，测量精确的高度。如果在钢索上的移动位置，第一次拍摄时，需要记录拍摄点的经纬度和高度，并在后续的拍摄中使用同一定位。如果是无人机拍摄，在第一次拍摄时设选定拍摄位置后，进行精确的定位记录，确定拍摄的经纬度和高度，并在之后的拍摄中均使用这一定位。当然无论哪一种定位拍摄，都要记录拍摄镜头的水平角度和俯仰角。
确定时间区域的步骤：根据水坝当地的气候条件，确定一个观测溢洪道状态的时间区域。这个时间区域可以是一年中的汛期过后，或者是两年一次，或者在每次泄洪后进行检测。观测按照水库调度规则，汛期后一般是满库，具备提供稳定水流的条件。
确定检测放水量的步骤：根据溢洪道坡度，拍摄点的观测角度和距离，确定溢洪道的检测放水量。控制放水量，使水流达到一定的厚度，才能产生稳定且易于观测的滚波。通常情况下水流平均厚度控制在10-30cm之间。具体控制方式：根据溢洪道控制闸的类型选定出流公式（闸孔出流和溢流堰出流），根据水库水位和闸后水流厚度计算出闸的开度，调整闸的开度即可保证检测过程对水流的要求。为使观测精确，每次放水观测都要控制为相同流量条件。观测过程中，稳定放流过程需持续10-20分钟即可满足观测要求。
放水观测的步骤：根据所确定的时间区域和检测放水量，按照选择的检测日期按照所确定的放水量，进行放水测试。观测过程中，稳定放流过程需持续10-20分钟即可满足观测要求。
拍摄的步骤：在位置确定的拍摄点，对溢洪道进行全景拍摄或扫描拍摄，或通过多台照相机或摄像机进行分段拍摄。放水形成稳定滚波后，即可以进行拍摄。拍摄过程对各个分段最好进行同时拍摄，以在时间上完全对应，图片或动态图像可以完全衔接。也可以分时拍摄，以便分析是否有变化。
滚波边缘确定的步骤：对拍摄的照片或动态图像进行图像纠正和分析，对所拍摄到的滚波进行边缘分析，确定滚波的边缘所包围的区域，提取滚波特征，并判断波纹的图像是否有确定的位置出现边缘模糊的波浪和气泡现象。
滚波特征：滚波是在当明渠水流中的水层薄到一定程度时，底床阻力和表面张力对水流的影响增大，每隔一段距离后，水流表面会出现一个又一个的水波，其波前横贯于整个断面，波速大于平均流速，以至于出现大波追及小波、小波聚叠成大波以滚雪球的方式向前传播。滚波在传播过程中，波形与波速都在不断发生演化且无法衰减，并且发生连续进行的波形粗化过程，即波数不断减少和波陡不断增加的过程，但是在固定断面处会保持有规则的形态和水动力学特性，通常可使用一维圣维南方程描述在陡峭的斜坡上的坡面流。
比对的步骤：将当期拍摄的图片与以往拍摄的图片进行比对，特别关注边缘不清晰的部分，将当期提取的滚波特征与以往提取的滚波特征进行比对，如果一致性很好，则溢洪道底部无异常；如果滚波特征出现明显变化，或以往出现气泡和波浪的位置有扩大现象，则进行进一步比对或发出预警。
图像对比：滚波在往下游传播的时候会发生形态的演变，但是只要上游来水条件不发生改变，则会保持有规律的运动特征。较为平整的下垫面条件是形成稳定滚波的必要条件，因此当下垫面存在裂缝或者空洞的时候，滚波形态是发生明显的改变，即会在不平整处出现多余的水花或者是紊乱态的水流，以此作为图像比对的参考。
大部分的滚波图像是规则的和相对稳定的，或者缓慢变化，只是在一些特殊的干扰下会出现短暂的一些变化，如水流中混合下泄杂物或意外落入水流杂物等。由于坡面的作用这些杂物很难在坡面长时间聚集，很快即被水流冲走，水流又恢复了相对稳定的滚波图形。但如果下垫面出现裂纹、空洞或其他破坏时，被破坏位置的滚波图形就会发生异样。破坏较小时滚波会出现断裂，或细碎变化。这种变化必须通过比对才能得到。如果破坏较大，则会出现较多气泡，或水花，在图像上出现明显不规则的片状白色图形，片状白色图形边缘不规则，与周围水面边缘衔接不清晰，但片状白色图形位置固定。如果在汛期泄洪是出现这种白色图形，并不断变形扩大，说明空蚀已经形成并愈演愈烈，需要紧急补救。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如应用地点的变化、各种滚波分析过程、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。