一种河道枯季流量测量系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种河道枯季流量测量系统和方法，是一种水文测量系统和方法，是一种用于对自然环境进行记录和测量的系统和方法。
【背景技术】
[0002]河道流量的测量是水文测量中一种十分重要的环节，其重要性是不言而喻的。现代的水文站通常使用一条跨河的钢索，在钢索上吊起流量计，对河流的各个断面进行流量监测。这种传统的河道水流测量只能对丰水期的水流进行比较精确的测量，但对于枯水季节，河道中水流很小时，各种现有的水文测量方法无法进行测量，流量测量存在很大的困难，人们往往只能凭感觉对涓涓细流的流量进行估计，在一些条件艰苦的水文站，观测人员还要下到沟壑的底部，观测十分艰险，难度很大。到目前为止，还没有一种完善而简便的方式，可以精确客观的获取枯水季节河道中细流流量和流速。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种河道枯季流量测量系统和方法。所述的系统和方法通过在缆道上设置照相机和弹射示踪剂的方式，在细流中产生色斑并进行拍摄，利用电脑进行图像分析，可以更加精确的计算出河道枯水季节细流的流量和流速。
[0004]本发明的目的是这样实现的:一种河道枯季流量测量系统，包括:设在河道中的定位标志，发射固态示踪剂的弹射装置，设置在河道上方的采样单元和设在河岸上的测控单元，所述的采样单元包括:能够精确记录拍摄时间的数码取像装置，测量采样单元到被测水面距离的测距装置；所述的测控单元包括:与数码取像装置连接的图像处理装置，所述的图像处理装置与计算装置连接，所述的弹射装置、测距装置、取像装置与控制器电连接。
[0005]进一步的，所述的弹射装置是气枪，所述气枪发射的子弹头部安装固态示踪剂。
[0006]进一步的，所述的弹射装置设置在采样单元中，包括:多个导向管，多个所述导向管中设有蓄能弹簧和激发器，所述的蓄能弹簧一端固定在导向管一端，另一端放置被弹射的固态示踪剂。
[0007]进一步的，所述的取像装置是照相机、摄像头中的一种。
[0008]一种使用上述系统的河道枯季流量测量方法，所述方法的步骤如下:
对准被测水流的步骤:用于通过吊锁将采样单元移动到河道被测水流的上方；
设置的步骤:用于利用测距装置测量采样单元到达水面的距离，并记录各个定位标志之间的距离，设定数码取像装置的取景范围，保证能够确定被测水流相对位置的定位标志在取景框内，且使各个所述定位标志所框定的测试区域在取景框中的面积尽可能的大；发射示踪剂的步骤:用于开启弹射装置，将固态示踪剂发射到被测水面；
拍摄的步骤:用于等待固体示踪剂在水面融化并形成色斑后，开启取像装置对测试区域进行拍摄，对所拍摄的照片进行评估，如果不够满意则回到设置的步骤，如果满意则进入下一步骤； 图像处理的步骤:用于对拍摄的各个测试图像进行处理，对图像进行校正，并准确找出测试区域中色斑的坐标；
计算色斑位移的步骤:用于利用不同照片间的时间间隔信息和色斑坐标位置信息计算色斑特征点位移速度；
计算表层水流流速参数的步骤:用于根据色斑运动规律，根据色斑运动距离和时间参数，分别计算色斑的最大运动速度、最小运动速度、质心运动速度、左右运动速度各参数。
[0009]计算河流的平均流速和流量的步骤:用于根据河道断面和表层水流流速参数计算河流的平均流速和流量。
[0010]进一步的，所述的“计算色斑位移的步骤”包括以下子步骤，以下子步骤均对应单个照片的处理:
提取照片生成时间；
改正照片中因拍摄角度、位置而引起的像点位移；
根据颜色属性对色斑区域进行识别和亮度增强；
对色斑区域的像素点进行统计，提取色斑统计信息，包括色斑质点位置及色斑前后左右位置坐标。
[0011]本发明产生的有益效果是:本发明所述的系统和方法与传统在枯水季节对河流流量的目测方式相比，存在如下优点:使水流检测具有科学依据，能够在测试区域内进行多次试验和观测，利用统计学原理可以使观测更加精确。记录过程更加客观，人为影响和误差较小。能够实现水流平均流速、弥散速度等多个特征流速的直接观测和计算，从而根据河道断面科学准确的计算河流的平均流速和流量。本发明所述系统可以充分利用成熟的硬件和软件，经济性好。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0013]图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；
图2是本发明的实施例三所述弹射装置的结构示意图；
图3是本发明的实施例五所述方法的流程图；
图4是本发明的实施例五所述方法的正射校正像素网格示意图；
图5是本发明的实施例五所述根据表面流速计算断面流量和平均流速的算法示意图。
【具体实施方式】
[0014]实施例一:
本实施例是一种河道枯季流量测量系统，如图1所示。本实施例包括:设在河道10中的定位标志8，发射固态示踪剂的弹射装置1，设置在河道上方的采样单元9和设在河岸上的测控单元7，所述的采样单元包括:能够精确记录拍摄时间的数码取像装置2，测量采样单元到被测水面距离的测距装置3 ;所述的测控单元包括:与数码取像装置连接的图像处理装置4，所述的图像处理装置与计算装置5连接，所述的弹射装置、测距装置、取像装置与控制器6电连接。
[0015]本实施例所述的定位标志可以直接利用水文站的永久测量设施点，如水尺等。或者是专门设置的定位标志，这种专门设置的定位标志与周围环境形成强烈对比的鲜艳色彩粉刷，以便在照片中识别。定位标志的精确经玮度位置应事先测定，并记录在案，以便在未来照片校正中使用。
[0016]所述的弹射装置可以安装在取样单元中，如图1所示。设置在取样单元中的弹射装置可以使用各种方式进行弹射，例如使用弹簧蓄能的方式，也可以使用气压蓄能等。弹射装置也可以设置在河道岸边，如:用人工手持器具(气枪等)进行示踪剂弹丸的发射。
[0017]为了保证示踪剂弹丸可以准确的达到被测水面，当然是固体为佳，但是作为固体，在水中的融化需要一定的时间，因此，示踪剂弹丸可以是一种胶囊，当接触液体时，胶囊的表面融化，使中间的液体快速的进入水流中，形成色斑。
[0018]示踪剂应当是色彩分明的试剂，固态示踪剂的密度小于水，可以很快在水面溶解，其色彩应当与模拟坡面表面有明显的色差，以便识别。示踪剂可以使用多种颜色固态化学制品，如高锰酸钾或亮蓝。高锰酸钾是黑紫色细长的棱形结晶，其溶液是紫红色，常用作消毒剂。亮蓝为红紫色均匀粉末或颗粒，其溶液为明亮的蓝色，可以用作食用色素等。这两种液体与泥土、植被等自然条件下的颜色差异较大，作为示踪剂十分合适。
[0019]所述的取像装置是摄取示踪剂在测试区域上流动的重要装置。取像装置可以是分辨率较高的照相机或与电脑连接的高分辨率的摄像头，取像装置应当具有精确记录照片拍摄时间。现代一些较为高档的照相机具有记录拍摄时间的能力，其精度达到纳秒级，完全能够达到测量水流的精度要求。本实施例正是巧妙的利用了现有数码照相机的这种优越功能，将原本需要耗费大量人工用秒表粗糙记录的测试时间，轻而易举的解决了，即省略了人工又达到了高精度。
[0020]采样单元通过缆道吊在河道的上方，缆道可以直接应用标准水文站已有的缆道，取向装置可以标准的数码照相机，测距装置可以使用激光测距仪或光学测距仪等测距仪器。由于现代的数码照相