CN103234870B - 一种河流水环境物理模型测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流水环境物理模型测量装置，在室内河流物理模型上方1.0～1.2m处平行布置两个悬挂式轨道，移动平台的两端分别架设在两个悬挂式轨道上并通过行走支撑实现水平移动，水平滑轮在移动平台中滚动，伸缩杆从水平滑轮的中心向下延伸并在竖直方向上伸缩，Kinect设备通过球形轴承连接在伸缩杆的底部，控制与通讯设备安装上移动平台上；本发明分段分区对物理模型进行扫描测量和误差核算，提高三维地形尺寸和人工加糙体参数的准确率，采用错距法逐行扫描物理模型获得三维地形尺寸，把物理模型的地形坐标误差控制在最小范围内，Kinect设备通过RGB图像和深度图像结合的方式识别并获得人工加糙体的参数，操作简单且准确率高。

Description

一种河流水环境物理模型测量装置及方法

技术领域

本发明属于河流水环境模拟试验领域，具体涉及一种河流水环境物理模型测量装置及方法。

背景技术

研发具有自动化、智能化的河流水环境模型试验装置及相应技术方案，对河流水环境保护，尤其是在排污规划、治理、决策等方面具有十分重要的价值。一般地，河流水环境物理模型试验是将实际河流地形转换为缩小的室内河道物理模型，再模拟污染物在天然河道中的迁移和扩散状况，为河流水环境治理提供最直观的依据。

室内河流物理模型测量技术的发展方向是无接触式多点测量，能满足该要求的技术有数字近景测量技术和三维激光扫描技术。数字近景测量方法通过在室内物理模型周围布置若干特征点，采用极线约束等立体匹配方法实现特征点的配对，再利用基于视觉原理进行三维重建，实现多点地形同时测量，该技术实现了多点非接触测量，测量效率较高，但是测量操作复杂，制约因素较多，特别是三维坐标需要通过计算得到，准确性难以保证；三维激光扫描是基于三角测量原理进行的，优点是可实现大范围的三维地形测量，测量精度和效率都较高，但仪器昂贵且需对大量数据点云进行地形剖面生成和套绘后处理，后处理操作十分复杂。总体而言，现有技术往往造成所建物理模型出现较大的地形误差，不但会降低模型的相似性，也会对水环境室内试验结果（如污染带模拟）产生较大干扰，需要开发出新型试验装置及方法，确保所建物理模型制作和水环境指标测量的精度。

近年来被用于体验式互动的体感外设Kinect光编码模式，有别于传统感应技术，用结构光对空间进行标记，通过检测物体上的结构光信息，实现目标空间坐标定位。该技术可扩展性强，设备终端可以高度集成微型化，更重要的是操作简易，成本低廉。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种操作简单、地形误差小且测量精确的河流水环境物理模型测量装置及方法。

技术方案：本发明提供了一种河流水环境物理模型测量装置，包括悬挂式轨道、移动平台、行走支撑、水平滑轮、伸缩杆、球形轴承、Kinect设备和控制与通讯设备，在室内河流物理模型上方1.0～1.2m处平行布置两个所述悬挂式轨道，所述移动平台的两端分别架设在两个所述悬挂式轨道上并通过所述行走支撑实现水平移动，所述水平滑轮在所述移动平台中滚动，所述伸缩杆从所述水平滑轮的中心向下延伸并在竖直方向上伸缩，所述Kinect设备通过所述球形轴承连接在所述伸缩杆的底部，所述控制与通讯设备安装上所述移动平台上。

进一步，所述悬挂式轨道的长度不小于室内河流物理模型的纵向长度，所述移动平台的长度为室内河流物理模型的横向宽度，保证对室内河流物理模型的全景扫描，扫描数据完整，提高试验结果准确性。

为了提高测量精度，采用分区测量和分区误差校核的方法，所述悬挂式轨道在其长度方向上划分出至少5个分区，每个所述分区分别设置一组配套的移动平台、水平滑轮、伸缩杆、球形轴承和Kinect设备，对每一区的精确扫描可提高模型的相似度，从而确保试验测量值的有效性，提高测量数值对河流水环境污染控制的指导意义。

使用上述的河流水环境物理模型测量装置的河流水环境物理模型测量方法，包括如下步骤：

（1）数据准备：将实际河道地形的数据集转换为与其相似的一种室内河道标准物理模型的数据集，以模型一角为原点建立模型地形坐标系，将平面坐标系划分为尺寸为10mm×10mm的网格，将模型地形坐标及模型糙率范围赋值到对应坐标的网格中，根据试验要求确定比尺、加糙方式及其糙率，据此进行物理建模和人工加糙完成原始的室内河流物理模型；

（2）扫描测量：由控制与通讯设备控制移动平台在悬挂式轨道上纵向前后移动，水平滑轮带动Kinect设备在移动平台上横向左右逐行扫描，对于逐行扫描无法识别的局部复杂地形，控制与通讯设备通过控制伸缩杆的上下伸缩和球形轴承的转动，实现Kinect设备对局部复杂地形的三维扫描，Kinect设备获得所述原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据；

（3）误差修正：将步骤（2）获得的原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据与室内河道标准物理模型的数据集进行顺序对比，设定误差范围，人工调整超过误差范围的室内河流物理模型区域的地形尺寸和加糙程度，最终得到修正的室内河流物理模型；

（4）扩散观测：在修正的室内河流物理模型上游放入清水，污染排口放入示踪剂进行染色模拟污染物的迁移扩散，重复步骤（2）由控制与通讯设备控制移动平台、水平滑轮和伸缩杆实现Kinect设备的三维移动进行扫描，观测得到示踪剂的扩散图像，对获得的图像数据逐帧处理，研究污染物对于流域的影响状况。

优选地，步骤（1）所述人工加糙时对人工加糙体进行染色处理，步骤（2）所述人工加糙体数据为Kinect设备用获得的RGB图像识别人工加糙体，由深度图像获取人工加糙体尺寸，利用RGB图像和深度图像结合的方式，可获得准确的人工加糙体参数，有助于提高修正后的室内河流物理模型的标准性。

优选地，步骤（2）中所述Kinect设备逐行扫描采用错距法扫描方式：Kinect设备在室内河流物理模型的宽度方向上进行逐行扫描，扫描完一行后，行走支撑前进半行的距离进行第二行扫描，行与行之间产生半行大小的重叠区域，相邻两行之间的重叠区域被扫描两次，扫描面积重复率为50%，每行扫描结束，计算重叠区域坐标扫描误差系数：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Z_{\mathrm{mki}}^1-Z_{\mathrm{mki}}^2)}^2}/n\stackrel{\‾}{Z}$

式中，ε为扫描误差系数，

分别表示两次扫描第i点的垂向坐标值，n为重叠区域网格总数，Z表示该区域垂向坐标均值；检查扫描误差系数ε是否过大，若ε＞0.01则重新进行扫描。

进一步，步骤（3）误差修正包括以下步骤：

a、将原始的室内河流物理模型划分成1m×1m的区域；

b、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(X_mk，Y_mk)对应的垂向坐标测量值Z_mk与与室内河道标准物理模型对应位置(X_m，Y_m)的垂向坐标标准值Z_m分别进行对比，得到对应位置的垂向坐标相对误差Z_E：

$Z_E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{\mathrm{\ΔZ}}{\stackrel{\‾}{Z}}\right)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{Z_{\mathrm{mk}}-Z_m}{\stackrel{\‾}{Z}}\right)}^2}$

式中，ΔZ表示垂向坐标测量值Z_mk与标准值Z_m的差值，

表示该区域标准物理模型垂向坐标值的均值，l表示区域网格数；

c、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(X_mk，Y_mk)对应的糙率n_mk与室内河道标准物理模型对应位置(X_m，Y_m)的糙率标准值n_m分别进行对比，得到对应位置的糙率的糙率相对误差n_E：

$n_E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{\mathrm{\Δn}}{\stackrel{\‾}{n}}\right)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{n_{\mathrm{mk}}-n_m}{\stackrel{\‾}{n}}\right)}^2}$

式中，Δn表示糙率测量值n_mk与标准值n_m的差值，

表示该区域标准物理模型糙率的均值，l表示该区域网格数；

d、综合垂向坐标相对误差Z_E和糙率相对误差计算该区域整体相对误差M_E：

M_E＝Z_E+n_E

设定误差极限M_EL，若M_E＞M_EL表示该区域误差过大，人工调整误差过大区域的三维地形尺寸和加糙程度，进行物理模型修正后，重复步骤（2），直到每块区域的整体相对误差M_E均小于M_EL，得到修正的室内河流物理模型。

进一步，步骤（4）所述对获得的图像数据逐帧处理的步骤包括：

对于每帧图像，根据RGB颜色数据通过混合高斯模型进行聚类，得到该帧图像上的示踪剂区域范围，并根据示踪剂颜色深度与污染物浓度的对应关系，将污染区域的颜色数据转化为浓度数据；将得到的边缘区域位置l、中心位置c、浓度信息p进行处理，建立污染物扩散运动方程F(l，c，p)，得到污染物扩散信息、污染物浓度分布、污染物消散时间和观测点浓度变化。

有益效果：1、本发明分段分区对室内河道物理模型进行扫描测量和误差核算，可将测量精度控制在3mm以内，保证室内河流物理模型的每一分区和室内河道标准物理模型的一致性，提高测量物理模型三维地形尺寸和人工加糙体参数的准确率，为物理模型完成之后模拟污染扩散提供可靠的试验环境基础；2、Kinect设备采用错距法逐行扫描物理模型，由于Kinect设备对于三维空间坐标定位准确，可获得精确的三维地形尺寸，同时把物理模型的地形坐标误差控制在最小范围内，保证三维地形建模的准确性；3、Kinect设备通过RGB图像和深度图像结合的方式识别并获得人工加糙体的参数，得到的图像清晰明显，操作简单且准确率高，便于对河流水环境的分析，最大限度地降低了糙率的相对误差。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3为本发明所述室内河道物理模型布置坐标示意图；

图4为本发明所述错距法的测量示意图；

图5为室内河流物理模型污染物扩散相对浓度分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：以某弯曲河段的水环境物理模型试验为例，该河段长约1.5km，宽约500m，河道比降在0.6‰～1.0‰之间，河床糙率在0.0204～0.0266之间，典型年平均流量1600m³/s，两边为混凝土护坡堤坝，该河段沿河分布有工业污染源，为了保护该河段水环境安全，需要准确模拟在不同流量情况下工业污水污染带在河道的扩散状况。

采用室内河流物理模型对某弯曲河段的污染带进行室内模拟，室内河流物理模型的占地面积为10m×30m，有上下游边界和两个排污口，如图1所示的一种河流水环境物理模型测量装置，包括悬挂式轨道5、移动平台1、行走支撑4、水平滑轮2、伸缩杆3、球形轴承6、Kinect设备7和控制与通讯设备8，在室内河流物理模型上方对称地平行布置两个悬挂式轨道5，移动平台1的两端分别架设在两个悬挂式轨道5上并通过行走支撑4实现水平移动，移动平台1为钢结构，移动平台1的两端用六角头螺栓限制在行走支撑4上，悬挂式轨道5的总长度为室内河流物理模型的纵向长度，两个悬挂式轨道5之间的距离为室内河流物理模型的宽度，悬挂式轨道5在其长度方向上划分出6个分区，每个分区分别设置有一组配套的移动平台1、水平滑轮2、伸缩杆3、球形轴承6和Kinect设备7，每一分区中，直径为0.15m的水平滑轮2在移动平台1中水平滚动，伸缩杆3从水平滑轮2的中心向下延伸，随着水平滑轮2同步移动并在竖直方向上伸缩，伸缩杆3为铝合金结构的空心圆柱体杆，三级构造，最长可向下垂直延伸1.2m，在控制与通讯设备8的操控下，Kinect设备7通过移动平台1和水平滑轮2实现水平方向上的纵向和横向移动，伸缩杆3实现上下垂直移动，同时Kinect设备7通过球形轴承6连接在伸缩杆3的底部实现360°偏转，Kinect设备7含颜色和深度感应镜头，分辨率不低于640×480，水平最大视角57度，垂直视角43度，控制与通讯设备8安装上移动平台1上，包括同步电机，控制芯片和无线数传，对移动平台1、水平滑轮2、伸缩杆3和Kinect设备7的移动进行控制，以及对于Kinect设备7采集数据的进行无线传输。

使用上述的河流水环境物理模型测量装置的河流水环境物理模型测量方法，如图2所示，包括如下步骤：

（1）数据准备：根据试验要求、水流及扩散相似条件、试验场地等因素，将某弯曲河段确定为与之近似的变态定床模型，模型水平比尺λ_L=50，垂直比尺λ_H=10，根据模型几何比尺计算流速比尺λ_v、流量比尺λ_Q、糙率比尺λ_n、水面比降比尺λ_i和时间比尺λ_t：

流速比尺：λ_v=λ_H ^1/2=3.162

流量比尺：λ_Q=λ_Lλ_vλ_H=1580

糙率比尺：λ_n=λ_H ^2/3/λ_L ^1/2=0.656

水面比降比尺：λ_i=λ_H/λ_L=1/5

时间比尺：λ_t=λ_H ^﹣1/2λ_L=15.811

布置如图3所示的室内河流物理模型，以模型左上角O点为原点建立模型地形坐标系，以悬挂式轨道5的方向为X轴，以移动平台1的方向为Y轴，其中垂向坐标以地面坐标为起点，将本实施例的某弯曲河道的实际数据通过以上比尺计算得到原始的室内河流物理模型相关数据：

模型长度：L_m=L_p/λ_L=1500/50=30m

模型宽度：B_m=B_p/λ_L=500/50=10m

模型最大深度：H_m=M_p/λ_H=4/10=0.4m

模型试验流量：Q_m=Q_p/λ_Q=1600/1580=1.01m³/s

模型地形平面坐标：(X_m，Y_m)=(X_p，Y_p)/λ_L=(X_p，Y_p)/50

模型地形垂向坐标：Z_m=Z_p/λ_H=Z_p/10

模型糙率范围：n_m=n_p/λ_n=(0.0204～0.0266)/0.656=(0.031～0.041)

其中，L_p为某弯曲河道的实际长度，B_p为某弯曲河道的实际宽度，M_p为某弯曲河道的实际最大深度，Q_p为某弯曲河道的实际流量，n_p为某弯曲河道的实际糙率范围，X_p，Y_p和Z_p分别为某弯曲河道地形某点实际的X轴坐标、Y轴坐标和垂向坐标，X_m，Y_m和Z_m分别为与之对应的模型地形该点的X轴坐标、Y轴坐标和垂向坐标；

将平面坐标系划分为尺寸为10mm×10mm的网格，根据平面坐标将模型地形坐标及模型糙率范围赋值到对应坐标的网格中，得到原始的室内河道标准物理模型的三维参数数据集(X_m，Y_m，Z_m，n_m)，包括3×10⁶组数据，据此进行室内河流物理模型的建模和人工加糙，其中，室内河流物理模型主体结构为砖混与水泥建筑结构，人工加糙采用梅花加糙的方式：

d=(n_m/k)⁶=[(0.031～0.041)/0.065]^6=(0.011～0.063)m

其中，n_m为物理模型糙率，k为梅花加糙尺寸系数，d为加糙体直径，计算得出符合糙率要求的加糙体直径范围，尺寸系列为(11mm～63mm)，用电动筛筛分出对应尺寸的卵石作为加糙体，在需要加糙的区域加糙体按梅花形分布均匀粘牢在河床上，并对人工加糙体进行染色（红色）处理；

（2）扫描测量：根据物理模型尺寸(10m×30m)，架设6套移动平台1，每套移动平台1覆盖10m×5m大小的区域，由控制与通讯设备8控制移动平台1带动Kinect设备7采用错距法逐行扫描，在悬挂式轨道5上纵向前后扫描，水平滑轮2带动Kinect设备7在移动平台1上横向左右扫描，对于逐行扫描无法识别的局部复杂地形，控制与通讯设备8通过控制伸缩杆3的上下伸缩和球形轴承6的转动，实现Kinect设备7对局部复杂地形的三维扫描，以合适的位置和角度对于局部地形进行测量，并记录和传输位置和角度变化值，最后，Kinect设备7获得所述原始的室内河流物理模型的三维地形坐标测量值(X_mk，Y_mk，Z_mk)，同时，Kinect设备7通过RGB图像识别人工加糙体，由深度图像获取人工加糙体尺寸d，得到人工加糙体糙率测量值n_mk；

其中，平面扫描采用如图4所示的错距法扫描方式：Kinect设备7在物理模型的宽度方向上进行逐行扫描，每行长度10m，每行宽度0.4m，扫描完一行后，行走支撑4前进0.2m进行第二行扫描，行与行之间产生0.2m×10m大小的重叠区域，图中点状区域表示正在扫描的区域，阴影区域表示已扫描区域，阴影重叠区域为两次扫描的重叠区域，扫描面积重复率为50%，即相邻两行之间的重叠区域被扫描两次，每行扫描结束，计算重叠区域坐标扫描误差系数：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Z_{\mathrm{mki}}^1-Z_{\mathrm{mki}}^2)}^2}/n\stackrel{\‾}{Z}$

式中，ε为扫描误差系数，

分别表示两次扫描第i点的垂向坐标值，n为重叠区域网格总数(n=20000)，

表示该区域垂向坐标均值；检查扫描误差系数ε是否过大，若ε＞0.01则重新进行扫描，如坐标在(1.41，0.01)到(1.60，10.00)范围内的20000个网格，坐标均值

为2.792，试验中两次扫描垂向坐标差平方和为16175.38，则该区域扫描误差系数 $\mathrm{\&epsiv;}=\sqrt{16175.38}/(20000\&times;2.792)=0.0023<0.01;$ 本实施例所有148个重叠区域中，最大误差系数ε_max=0.0037，保证了误差控制在允许范围之内，无需重新扫描；

（3）误差修正：将步骤（2）获得的原始的室内河流物理模型的三维地形坐标测量值和人工加糙体糙率测量值(X_mk，Y_mk，Z_mk，n_mk)与室内河道标准物理模型的数据集(X_m，Y_m，Z_m，n_m)进行顺序对比，具体方法如下：

a、将原始的室内河流物理模型划分成1m×1m的多个区域（共300个）；

b、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(X_mk，Y_mk)对应的垂向坐标测量值Z_mk与与室内河道标准物理模型对应位置(X_m，Y_m)的垂向坐标标准值Z_m分别进行对比，得到对应位置的垂向坐标相对误差Z_E：

$Z_E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;Z}}{\stackrel{\&OverBar;}{Z}}\right)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{Z_{\mathrm{mk}}-Z_m}{\stackrel{\&OverBar;}{Z}}\right)}^2}$

式中，ΔZ表示垂向坐标测量值Z_mk与标准值Z_m的差值，Z表示该区域标准物理模型垂向坐标值的均值，l表示区域网格数，l=10000；

c、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(X_mk，Y_mk)对应的糙率n_mk与室内河道标准物理模型对应位置(X_m，Y_m)的糙率标准值n_m分别进行对比，得到对应位置的糙率的糙率相对误差n_E：

$n_E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;n}}{\stackrel{\&OverBar;}{n}}\right)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{n_{\mathrm{mk}}-n_m}{\stackrel{\&OverBar;}{n}}\right)}^2}$

式中，Δn表示糙率测量值n_mk与标准值n_m的差值，n表示该区域标准物理模型糙率的均值，l表示该区域网格数，l=10000；

d、综合垂向坐标相对误差Z_E和糙率相对误差计算该区域整体相对误差M_E：

M_E＝Z_E+n_E

设定误差极限M_EL=0.1，若M_E＞M_EL表示该区域误差过大，试验中有7块区域误差超限，如下表：

分析超限误差的区域，对于垂向坐标相对误差偏差过大(ΔZ＞0.01m)或糙率相对误差偏差过大(Δn＞0.002)的区域进行标注，人工调整标注区域物理模型的三维尺寸和加糙程度，进行物理模型修正后，重复上述步骤（2），直到7块区域的整体相对误差M_E均小于0.1，物理模型符合要求，得到修正的室内河流物理模型进行下一步模型试验；

（4）扩散观测：在修正的室内河流物理模型上游放入清水，控制输入流量为1.01m³/s，流态稳定后在污染排口放入红色示踪剂进行染色模拟污染物的迁移扩散，重复步骤（2）由控制与通讯设备8控制移动平台1、水平滑轮2和伸缩杆3实现Kinect设备7的三维移动进行扫描，观测得到示踪剂的扩散图像，对获得的图像数据逐帧处理，研究污染物对于流域的影响状况，具体步骤如下：

对于每帧图像，根据RGB颜色数据通过混合高斯模型进行聚类，得到该帧图像上的示踪剂区域范围，并根据示踪剂颜色深度与污染物浓度的对应关系，将污染区域的颜色数据转化为浓度数据；将得到的浓度数据（包括边缘区域位置l，中心位置c，浓度信息p等）进行处理，建立污染物扩散运动方程F(l，c，p)，得到以下信息：

1、污染物扩散速度：读取t时刻污染物边缘位置l，得到扩散平均速度v=(l-c）/t；读取相邻帧污染物边缘区域位置差值Δl及相邻帧的时间间隔Δt，得到扩散瞬时速度v_t=Δl/Δt；

2、污染物浓度分布：污染物扩散达到稳定后（v_t≈0），读取污染物浓度数据p，划分浓度梯度，进行可视化处理，对不同浓度范围进行差色区分，如图5所示；

3、污染物消散时间：停止示踪剂输入后，记录开始消散时刻t₁，待平均浓度降低到阈值p≤p₀，记录时刻t₂，综合时间比尺，得到污染物消散时间T=（t₂-t₁）/λ_t；

4、观测点浓度变化：对于试验重点关注的地点（如居民用水采集点位置），记录该观测点每帧中的浓度信息p，建立观测点相对浓度随时间变化p-t曲线。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种河流水环境物理模型测量装置，包括悬挂式轨道（5）、移动平台（1）、行走支撑（4）、水平滑轮（2）、伸缩杆（3）、球形轴承（6）、Kinect设备（7）和控制与通讯设备（8），其特征在于：在室内河流物理模型上方1.0～1.2m处平行布置两个所述悬挂式轨道（5），所述移动平台（1）的两端分别架设在两个所述悬挂式轨道（5）上并通过所述行走支撑（4）实现水平移动，所述水平滑轮（2）在所述移动平台（1）中滚动，所述伸缩杆（3）从所述水平滑轮（2）的中心向下延伸并在竖直方向上伸缩，所述Kinect设备（7）通过所述球形轴承（6）连接在所述伸缩杆（3）的底部，所述控制与通讯设备（8）安装上所述移动平台（1）上。

2.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型测量装置，其特征在于：所述悬挂式轨道（5）的长度不小于室内河流物理模型的纵向长度，所述移动平台（1）的长度为室内河流物理模型的横向宽度。

3.根据权利要求1或2所述的河流水环境物理模型测量装置，其特征在于：所述悬挂式轨道（5）在其长度方向上划分出至少5个分区，每个所述分区分别设置一组配套的移动平台（1）、水平滑轮（2）、伸缩杆（3）、球形轴承（6）和Kinect设备（7）。

4.一种使用如权利要求1所述的河流水环境物理模型测量装置的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）数据准备：将实际河道地形的数据集转换为与其相似的一种室内河道标准物理模型的数据集，以模型一角为原点建立模型地形坐标系，将平面坐标系划分为尺寸为10mm×10mm的网格，将模型地形坐标及模型糙率范围赋值到对应坐标的网格中，根据试验要求确定比尺、加糙方式及其糙率，据此进行物理建模和人工加糙完成原始的室内河流物理模型；

（2）扫描测量：由控制与通讯设备（8）控制移动平台（1）在悬挂式轨道（5）上纵向前后移动，水平滑轮（2）带动Kinect设备（7）在移动平台（1）上横向左右逐行扫描，对于逐行扫描无法识别的局部复杂地形，控制与通讯设备（8）通过控制伸缩杆（3）的上下伸缩和球形轴承（6）的转动，实现Kinect设备（7）对局部复杂地形的三维扫描，Kinect设备（7）获得所述原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据；

（3）误差修正：将步骤（2）获得的原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据与室内河道标准物理模型的数据集进行顺序对比，设定误差范围，人工调整超过误差范围的室内河流物理模型区域的地形尺寸和加糙程度，最终得到修正的室内河流物理模型；

（4）扩散观测：在修正的室内河流物理模型上游放入清水，污染排口放入示踪剂进行染色模拟污染物的迁移扩散，重复步骤（2）由控制与通讯设备（8）控制移动平台（1）、水平滑轮（2）和伸缩杆（3）实现Kinect设备（7）的三维移动进行扫描，观测得到示踪剂的扩散图像，对获得的图像数据逐帧处理，研究污染物对于流域的影响状况。

5.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于：步骤（1）所述人工加糙时对人工加糙体进行染色处理，步骤（2）所述人工加糙体数据通过Kinect设备（7）获得RGB图像用以识别人工加糙体，由深度图像获取人工加糙体尺寸得到人工加糙体糙率。

6.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于：步骤（2）中所述Kinect设备（7）逐行扫描采用错距法扫描方式：Kinect设备（7）在室内河流物理模型的宽度方向上进行逐行扫描，扫描完一行后，行走支撑（4）前进半行的距离进行第二行扫描，行与行之间产生半行大小的重叠区域，相邻两行之间的重叠区域被扫描两次，扫描面积重复率为50%，每行扫描结束，计算重叠区域坐标扫描误差系数： $\mathrm{\&epsiv;}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(Z_{\mathrm{mki}}^1-Z_{\mathrm{mki}}^2)}^2}/n\stackrel{-}{Z}$

式中，ε为扫描误差系数，

分别表示两次扫描第i点的垂向坐标值，n为重叠区域网格总数，

表示该区域垂向坐标均值；检查扫描误差系数ε是否过大，若ε＞0.01则重新进行扫描。

7.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于：步骤（3）误差修正包括以下步骤：

a、将原始的室内河流物理模型划分成1m×1m的区域；

b、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(X_mk，Y_mk)对应的垂向坐标测量值Z_mk与与室内河道标准物理模型对应位置(X_m，Y_m)的垂向坐标标准值Z_m分别进行对比，得到对应位置的垂向坐标相对误差Z_E：

$Z_E=\sqrt{{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;Z}}{\stackrel{-}{Z}}\right)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{Z_{\mathrm{mk}}-Z_m}{\stackrel{\&OverBar;}{Z}}\right)}^2}$

式中，ΔZ表示垂向坐标测量值Z_mk与标准值Z_m的差值，

表示该区域标准物理模型垂向坐标值的均值，l表示区域网格数；

c、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(X_mk，Y_mk)对应的糙率n_mk与室内河道标准物理模型对应位置(X_m，Y_m)的糙率标准值n_m分别进行对比，得到对应位置的糙率的糙率相对误差n_E：

$n_E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;n}}{\stackrel{-}{n}}\right)}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{n_{\mathrm{mk}}-n_m}{\stackrel{-}{n}}\right)}^2}$

式中，Δn表示糙率测量值n_mk与标准值n_m的差值，表示该区域标准物理模型糙率的均值，l表示该区域网格数；

d、综合垂向坐标相对误差Z_E和糙率相对误差计算该区域整体相对误差M_E：

M_E＝Z_E+n_E

设定误差极限M_EL，若M_E＞M_EL表示该区域误差过大，人工调整误差过大区域的三维地形尺寸和加糙程度，进行物理模型修正后，重复步骤（2），直到每块区域的整体相对误差M_E均小于M_EL，得到修正的室内河流物理模型。

8.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于：步骤（4）所述对获得的图像数据逐帧处理的步骤包括：

对于每帧图像，根据RGB颜色数据通过混合高斯模型进行聚类，得到该帧图像上的示踪剂区域范围，并根据示踪剂颜色深度与污染物浓度的对应关系，将污染区域的颜色数据转化为浓度数据；将得到的边缘区域位置l、中心位置c、浓度信息p进行处理，建立污染物扩散运动方程F(l，c，p)，得到污染物扩散信息、污染物浓度分布、污染物消散时间和观测点浓度变化。

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