CN104535126A - 一种河道枯季流量测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种河道枯季流量测量系统和方法，包括：定位标志，弹射装置，采样单元和测控单元，采样单元包括：数码取像装置，测距装置；测控单元包括：与数码取像装置连接的图像处理装置，图像处理装置与计算装置连接，弹射装置、测距装置、取像装置与控制器电连接。本发明与传统方式相比的优点：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。能够实现最大流速、最小流速、质心流速、弥散速度等多个特征流速的直接观测和计算，使平均流速的观测和计算更加科学和准确。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。

Description

一种河道枯季流量测量系统和方法

技术领域

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

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

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。

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。

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。

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。

进一步的，所述的取像装置是照相机、摄像头中的一种。

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。

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。

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。

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

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

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。

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。定位标志的精确经纬度位置应事先测定，并记录在案，以便在未来照片校正中使用。

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。

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。

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。

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。

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机具有无线WIFI控制的功能，可以利用无线WIFI将照相机、测距装置等与PC机无线连接，省去了连接网线的麻烦。

图像处理装置可以是设在PC机中的程序或专门设置的图像处理器，主要作用是对所拍摄的照片进行提取照片生成时间、拍摄照片的正射纠正、色斑识别与增强、提取色斑在照片上形成图斑的统计信息，包括图斑质点位置及图斑前后左右位置坐标等处理。这些处理可以使用专门的程序，也可以使用现成的图像处理软件，通过人工对图斑进行专门的处理，以获得图斑的坐标等信息。

所述的计算装置也可以是设置在电脑中的程序，或专门设计的计算器，用于计算色斑位移速度，进而计算水流特征流速等各种水流参数。

所述的控制器是一个控制拍照的遥控电子装置，可以是设置在电脑中的程序，也可以是简单的遥控器。如果示踪剂弹射装置设置在取样单元，则遥控器还要控制示踪剂的弹射。

所述的控制器、计算装置、图像处理装置，可以设置在同一台电脑中，或者同时设计在一台具有计算和存储功能的数字处理装置中，通过程序有机的对整个水流检测过程进行控制和处理、计算。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于弹射装置的细化。本实施例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。

本实施例采用人工手持气枪的方式，将气枪子弹的头部安装固态的示踪剂，或者直接将示踪剂做成气枪子弹，将子弹发射到水面上，就可以对水流产生染色作用。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于弹射装置的细化。本实施例所述的弹射装置设置在采样单元中，包括：多个导向管102，多个所述导向管中设有蓄能弹簧101和激发器104，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103，如图2所示。

图2中的导向管有四个，可以分别弹射四个固态示踪剂，进行四次弹射。导向管相当于枪管，使射出的固态示踪剂具有准确的方向。激发器可以使用电磁激发的方式，以便进行遥控。弹射装置是安装在采样单元上，随同取像装置和测距装置一同移动到水流的上方，将导向管对准进行测试的水面，打开激发器，将固态示踪剂发射到水流中。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例的关于取像装置的细化。本实施例所述的取像装置是照相机、摄像头中的一种。

高分辨率的取像装置是取得精确实验数据的重要工具，本实施例可以使用照相机，例如高质量的单反照相机，则可以取得十分清晰的图像，也是使用高清晰的摄像头，配合电脑程序，也可以取得效果良好的图像。例如使用单反行相机，型号为EOS 5D mark II相机，分辨率5616×3744，测量精度高于0.005m。

实施例五：

本实施例是一种河道枯季流量测量方法，流程图见图3。本实施例所述方法的思路是使用成熟的电子图像换取和处理技术，按照时间顺序对枯水季节的水流中示踪剂形成的色斑进行连续拍摄，然后对这些电子图像进行数据处理，精确的计算出表层水流流速的各个参数，进而进一步计算出河流的平均流速和流量。

本实施例所述方法的步骤具体如下：

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。本实施例所述的系统利用了原有的水文测量的吊锁和原有的水位标志杆。利用水位标志杆可以圈出一个拍摄区域。利用缆道将取样单元移动到被测水流的上方，可以利用数码取像装置获取的图像对准被测水面。综合利用缆道和摄像装置的无线传输和控制功能实现对观测区域的快速准确设定。

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。由于标志杆和缆道的位置都是事先测量好的，因此，只要测量取像装置到水面的距离，就可以精确的校正色斑的图像。为此应当精确的测量距离。

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。可以使用气枪，将固态示踪剂发射到水面，也可以通过遥控，启动安装在取样单元上的弹射装置，将固态示踪剂发射到水面。也可以用人工直接在水面滴出一些示踪液，或者用其他方式将示踪剂或示踪液放在水面上。

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。本实施例由于是水文站操作，可以进行反复拍摄。设置的拍摄位置，示踪剂弹射的时机等都会对拍摄效果产生有影响，因此，拍摄一组照片后应当立即对照片的质量进行评估，即可以将照片放在较大的屏幕上观察。评估的项目包括：照片的清晰程度、拍摄角度、以及示踪剂的融化程度、照片的拍摄间隔等各个参数进行评估。如果满意则继续进行下一步骤，如果不满意则需要再度进行设置和拍摄。

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，并准确的找出测试区中色斑的坐标。图像处理可以使用现有的程序，例如：Photoshop、ENVI等，进行手工处理，也可以使用专门的软件对图像进行处理。处理后的结果主要是被测水面上色斑在图片中形成的图斑的精确坐标，以及该图片的摄取时间等关键参数。图像处理的关键在于将图像因拍摄造成的像素位置移动进行修改，回到正确的位置上。出现错动的原因是，由于在现场不可能使取像装置在每一个被摄对象的正上方位置，也没有必要。只需精确的测量各个定位标志的相对坐标和数字取像装置进行拍摄时的位置相对坐标，即可以利用航摄相片纠正法的原理，计算出数字取像装置所摄取的照片中每个像素的正确位置，再利用纠正后的照片确定照片中图斑的坐标。对整个图像的正射校正，可以使用航空地形摄影学中的数字微分纠正法，对整个图像中每个像素的位置进行校正，形成正确的图斑位置坐标。如图4所示，根据坐标和数字取像装置到定位标志的距离对图斑的各个像素点位置进行正射校正，图中4的实线网格表示带有偏差的像素点（一个网格表示一个像素点）。图4中的虚线网格校正后的像素点的位置。

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。计算的方法可以采用边缘速度平均法，质心法，弥散法等三种方法。所谓边缘速度平均法是指，将色斑的图像清晰的分辨出来，可以利用像素辨别法进行辨别，即逐个比较色斑边缘的像素，可以得到十分清晰的图斑边缘。通过计算色斑前后左右四个点的坐标位置进行比较，这是比较常用的方法。质心法是指，将图斑中色度比较集中的一些像素进行位置比较。质心法的优越性在于，较边缘法找到的图斑，质心（图斑中色度较深，即示踪液集中的位置）流速的计算更加精确。弥散法则是提取质心到色斑前后左右点的距离，通过比较不同时间点的照片计算出色斑的前后左右不同方向的弥散距离，由于相同条件下水流的弥散规律一直，从而通过不同方向的弥散速度计算出薄层水流的流速等水动力学参数。

计算表层水流流速参数的步骤：用于根据色斑运动规律，分别计算色斑的水动力弥散速度以及水流与水动力弥散综合影响的流速，计算出表层水流的最大流速、最小流速、平均流速、水动力弥散速度。根据色斑运动距离与时间等参数，分别计算色斑的上述参数即是表层水流的水动力学参数。根据质心运动路径是否与河岸平行判定水流是否存在侧向流动，如果存在侧向流动，则利用侧向（左右）运动速度确定平均流速的修正系数。最后，利用最大运动速度、最小运动速度求取平均值，经修正系数修正后即为断面位置的表层平均流速。

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。

利用正射纠正后的照片提取水面宽等参数。有了上述两组参数后计算河流断面平均流速和流量的过程为：

以图5为例，说明根据表面流速计算断面流量和平均流速的算法步骤：

（1）根据实测的表面流速拟合出断面表面流速的曲线，以此曲线计算出断面形状控制点对应的水面处的流速，如左岸点（x₀，z_ws）处表面流速为V_0ws，点（x₁，z₁）表面流速为V₁，（x₂，z₂）表面流速为V₂，……，（x _i ，z _i ）表面流速为V _i ，（x _i+1，z _i+1）处表面流速为V _i+1，……，(x _n-1，z _n-1)处表面流速为V _n-1，(x_n，z_ws)处表面流速为V_nws（其中ws表示水面高度）。图5中的（x₀，z₀）和(x_n，z₀)是已经超越了水面的河岸边的点，因此，流量和流速均为零，可以不与考虑，但作为特殊点予以标记。

应当说明的是本实施例与其他各实施例，及其相应的附图所述的坐标系中的X、Y、Z分别代表河流的宽度方向，水流方向和水深。

（2）以断面形状控制点计算出的表面流速为基础，依据垂线流速成对数或抛物线形状，拟合出该垂线位置上的流速分布曲线，积分得到垂线位置的平均流速。将每个形状控制点对应的垂线平均流速依次记为V _0ev，V _0wsev ，V _1ev，V _2ev ，……，V _iev ，V _(i+1)ev ，……，V _(n-1)ev  ,V _nwsev ，V _nev （用脚标ev表示平均值）。

（3）以单元A B C D为例说明通过此单元面积S _i 的流量Q _i ,通过此单元的流速以A D的垂线平均流速V _iev 和B C的垂线平均流速V_(i+1)ev 的平均值作为通过单元的平均流速AV _iev ，那么可以计算Q _i =S _i ×AV _iev 。依次类推，计算出其他单元的过流流量Q _0ev ，Q _0wsev ，Q _1ev ， Q _2ev ，……，Q _(i+1)ev ，……，Q _nwsev ，Q _nev 。

（4）将上述单元过流流量求和即可得到整个断面的过流流量Q，将上述单元面积求和即可得到整个过流面积S，那么就可以得到断面平均流速V _ev =Q/S。

实施例六：

本实施例是实施例五的改进，是实施例六关于“计算色斑位移的步骤”的细化，本实施例所述的“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。根据照片的拍摄时间对获取的多张图片进行排列。

改正照片中因拍摄角度、位置而引起的像点位移。由于拍摄镜头的位置偏差，以及空间造成的透视效果，使获取的图像照片总有一些偏差，因此，先要对各个图像进行校正，以便之后的软件进行自动识别。

根据颜色属性对色斑区域进行识别和亮度增强。本步骤和下面的步骤可以使用Visual Basic语言编写了自动处理程序，实现了数据采集、参数计算和分析自动化。

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。本步骤用于计算特征点的坐标变化。

本实施例的优点是可以采用计算机直接进行自动处理，效率较高，更加精确。

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（比如整个系统各个要素的位置关系、步骤的先后顺序、各个装置的连接关系等）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。

Claims (6)

1.一种河道枯季流量测量系统，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，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。

4.根据权利要求1-3之一所述的测量系统，其特征在于，所述的取像装置是照相机、摄像头中的一种。

5.一种使用权利要求1所述系统的河道枯季流量测量方法，其特征在于，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；

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。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，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。