CN104535794B - 一种薄层水流流速测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄层水流流速测量系统和方法，包括：水源，水流坡面，水流坡面的周边设有多个定位标志和滴液装置，面对水流坡面设置取像装置，取像装置与图像处理装置连接，图像处理装置与计算装置连接，滴液装置、取像装置与控制器电连接。本发明所述的系统和方法与传统方法相比，存在如下优点：能够在观测区域能设置多点同时试验和观测，视场宽阔可以很好的解决较大区域的薄层水流流速观测。记录过程更加客观，人为影响和误差较小，实现水流示踪段的过程观测记录，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。系统实验成本很低，经济性好，精度却可以到达相当高的程度。

Description

一种薄层水流流速测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种薄层水流流速测量系统和方法，是一种实验系统和方法，是一种用于室内外薄层液流流速的水工测量实验系统和方法。

背景技术

薄层水流是自然界广泛存在的一种水流运动形式，相对于明渠或河流中的水流，因其水流厚度非常小，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。因此，对薄层水流流速的测量一直是相关领域研究的难点。目前对薄层水流流速的测量广泛采用的方法一般常用和比较成熟的是“染色法”和“示踪法”测量。

“染色法”是将指定染色剂加入到被测薄层水流中，使用卷尺和秒表测量和记录染色段水体流过的距离和时间，然后根据手工测量的距离和时间计算薄层水流流速。“染色法”比较原始，虽然比较方便，但有时甚至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，一般只能用多次测量求取平均值计算。

“示踪法”是在薄层水流的确定位置滴入盐溶液，并在其下游另一个确定位置对水流的电导率进行测量，通过计算盐溶液滴入薄层水流至电导率最大值出现之间的时间、水流流过的距离计算薄层水流流速。“示踪法”在精度上有了很大的改进，由于距离是事先确定的，只有时间需要在实验过程中确定，并可以通过电信号确定，所以可以十分精确的计算出流体的流速。但“示踪法”在杂质较少的清水中使用效果较好，在水中的泥沙和矿物质过多的情况下，水流本身的电导会由于矿物质以及含沙量而波动变化，以及泥沙物理化学性质的不同造成较大误差。这些背景噪声的干扰，往往难于测出水流中示踪液的电导，致使实验失败。

不论示踪法还是染色法，两者在计算平均速度时都需要引用经验参数。这是由于这些方法均是往水中添加示踪物质，这些示踪物质在随水流运动的过程中均会扩散。其中染色法在测量过程中，由于人为记录时间，往往只能读取一个时间值，无法准确测算示踪段水流的整体情况。对于示踪法一般采用电表或示波器测量电解液经过测试点的时间，由电解质达到或经过两点时间的差值和两点距离的比值来计算平均速度，这也无法很好的解决电解质在水中扩散的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种薄层水流流速测量系统和方法。所述的系统和方法通过对示踪液在薄层水流中产生色斑的拍摄，利用电脑进行图像分析，可以更加精确的计算出薄层水流的各个流速参数。

本发明的目的是这样实现的：一种薄层水流流速测量系统，包括：能够产生薄层水流的水源，形成薄层水流的与水平面的夹角小于90度的水流坡面，所述水流坡面的周边设有多个定位标志，水流坡面上方、接近坡面的位置还设有喷射与定位标志颜色对比强烈的示踪液的滴液装置，面对水流坡面设置摄取定位标志和测试区域影像的、具有自动记录时间的数字取像装置，所述的数字取像装置与图像处理装置连接，所述的图像处理装置与计算装置连接，滴液装置、取像装置与控制器电连接。

进一步的，所述的水源是能够精确控制降雨量和降雨强度的人工降雨装置，包括：安装在水流坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，所述的喷水口阵列通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接。

进一步的，所述的水源是能够在水流坡面生成薄层水流并能够精确控制流量的供水装置，所述的供水装置包括：安装在水流坡面上部的多个出水口，所述的多个出水口通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接。

进一步的，所述的水流坡面包括：扁平的长方形泥土槽，所述的泥土槽中设置泥土夯实并板结的平整泥土面。

进一步的，所述的滴液装置包括：设置在坡面上的支架，所述的支架上设置滴液阀，所述的滴液阀通过管路与滴液泵连接，所述的滴液泵与储液罐连接。

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薄层水流流速测量方法，所述方法的步骤如下：

设置的步骤：用于记录各个定位标志之间的距离和位置坐标，记录或设定水流坡面的坡度，设定拍摄点位置及位置坐标和取景范围，保证被测区域和定位标志均在取景框内，且被测区域在取景框中的面积尽可能的大，设定滴液量，设定水源的流量；

形成薄层水流的步骤：用于开启水源，在水流坡面上形成薄层水流；

喷射示踪液的步骤：用于开启滴液装置向测试区域内喷射示踪液，喷射是单点喷射或多点喷射；

拍摄的步骤：用于开启取像装置对测试区域的示踪液在薄层水流所产生的色斑进行拍摄，以数秒的间隔拍摄两张以上的照片，拍摄的同时记录拍摄的时间和拍摄的画面像素质量；

图像处理的步骤：用于将拍摄的各个测试图像进行正射校正，根据所拍摄照片的画面像素质量、定位标志的坐标以及拍摄点位置的坐标建立测量坐标系，准确的找出示踪液在测试区中所产生色斑在图像中形成的图斑在图像中的坐标；

计算图斑位移的步骤：用于利用不同照片所拍摄的时间间隔信息和图斑的坐标位置信息计算图斑特征点位移速度；

计算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，计算出水流的最大流速、最小流速、平均流速、水动力弥散速度。

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；

根据颜色属性对纠正后的图像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方法相比，存在如下优点：能够在观测区域能设置多点同时试验和观测，视场宽阔可以很好的解决较大区域的薄层水流流速观测。因为主要是数字图像处理，既适应室内工作也适应野外工作。由于现场工作量较小，特别适用在野外恶劣情况下工作。由于观测过程只需较少记录，使观测记录过程更加客观，人为影响和主观误差较小。能够实现水流示踪段的过程观测记录，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。本发明所述系统充分利用现成技术成熟的一些硬件、软件，将其进行组合，实验成本很低，经济性好，精度却可以到达相当高的程度。

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是本发明的实施例五所述滴液装置的结构示意图，是图1中A向视图；

图3是本发明的实施例七所述方法的流程图；

图4是本发明的实施例七所述方法的正射校正像素网格示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种薄层水流流速测量系统，如图1所示。本实施例包括：能够产生薄层水流的水源1（图1中显示的水源是人工降雨装置，还可以用放流装置或自然的河道水流替代，或者是自然降雨），形成薄层水流的与水平面的夹角小于90度的水流坡面7，所述的水流坡面的周边设有多个定位标志8（至少三个），水流坡面上方、接近坡面的位置还设有喷射与定位标志颜色对比强烈的示踪液的滴液装置2，面对水流坡面设置摄取定位标志和测试区域影像的、具有自动记录时间的数字取像装置3，所述的数字取像装置与图像处理装置4连接，所述的图像处理装置与计算装置5连接，滴液装置、取像装置与控制器6电连接。图1中用单点划线表示控制链路，细实线表示图像传输链路。

所述的水源可以是人工降雨装置，通过人工模拟降雨的方式在模拟水流坡面上产生薄层水流。也可以是放流装置，即在人工的水流坡面顶部上，设置出水口，模拟自然河流流动或坡面水流所产生薄层水流的供水装置。也可以是在自然河道中选择一块有薄层水流的坡面，在自然环境中的薄层水流的水源是自然的水流。

人工降雨装置是一种具有矩阵排列的喷头，通过喷水可以模拟各种降雨强度的装置。使用人工降雨装置的目的是在水流坡面上产生模拟的薄层水流，这样的水流更加接近于自然降雨状态的薄层水流。

所述的水流坡面可以人工专用制作的倾斜坡面，也可以是在自然界选择的一段自然倾斜的坡面。人工专用制作的倾斜坡面可以用倾斜的长方形平板制作，如塑料板、木板、玻璃板或金属板，但为了更好的模拟自然状态，可以使用一扁平的长槽，槽中填满细泥土，并夯实并使其板结，模拟自然状态下的裸土坡面。当然还可以在倾斜面的泥土上设置植被，用以多种地表形态条件下的薄层水流的水动力学测量。水流坡面的倾斜角度α（见图1）可以在保证安全的前提下随意选择。

所述的定位标志放置在水流坡面周边，是与水流坡面色彩对比强烈的标示物，一般采用红色或黄色的小桩，或其他颜色分明的几何体。在自然环境下，可以使用标志杆，在人工模拟情况下，可以直接在水流坡面长槽的边板上漆出颜色分明的色块。还可以使用一种带有卫星定位并可无线传输数据的定位标志，这将有利于在野外进行的观测，利用现场WiFi将定位标志的经纬度精确坐标数据无线传输至现场的电脑中，完全省略了现场的各定位标志之间的测量。由于现代卫星定位的一般商业级精度都可以达到毫米级，甚至更高，因此，使用卫星定位可以获得相当满意的精确结果。如果是长方形的泥土槽，则其四角就可以作为定位标志。

所述的滴液装置是一种可以释放出示踪液的装置。在自然环境下进行测试，可以使用人工直接在水流中滴放示踪液。由于使用本实施例所述系统进行薄层水流测试的方式，其重点在于图像的计算和识别，并在现代数字图像获取技术和图像处理的技术的支持下，示踪液在滴入水流中的变化可以迅速而精确的被记录下来，因此，示踪液的滴出时机滴出量已经不十分重要了，只要在示踪液滴出后根据示踪液运移距离和速度，连续抓拍两张以上，均可以达到良好的效果，换句话说，示踪液的滴出的时间、滴出的量与测试的精度基本无关。

如果在人工模拟坡面的情况下，滴液装置可以是带有存储示踪液和适量喷出示踪液的设施，其喷出示踪液的喷口可以通过管路设置水流坡面的上方，也可以将喷口和管路埋设在水流坡面的泥土中，以降低管路和喷口对人工降雨的干扰。滴液装置可以使用微型的定量泵，或者是微型的定量阀门，以精确的控制示踪液喷出量。为避免影响人工降雨效果，安装在水流坡面上方的滴液装置应当尽可能小巧。

多个滴液装置应当设置在水流坡面的多个位置，避免在同一条水流的流线上，交叉布置，使各个滴液装置同时喷出的示踪液在水流坡面上形成多个互不相干的色斑，以便对示踪液在水流坡面上形成的色斑，并进而在照片上形成的图斑进行分析。

示踪液应当是色彩分明的试剂，其色彩应当与水流坡面表面有明显的色差，以便识别。常用的示踪液可以使用高锰酸钾溶液或亮蓝溶液。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液在水流坡面上流动的重要装置。取像装置应当是分辨率较高的数码照相机或与电脑连接的高分辨率的数码摄像头，分辨率应当在2千万以上像素。取像装置应当具有等时间间隔摄取照片能力，并且可以精确的记录照片拍摄的时间，其拍摄的时间记录精度应当在1纳秒。取像装置的镜头最好应当正对着水流坡面的正面，以尽量减小由于镜头位置偏差而造成的图像变形，影响测量的精确性。为使拍摄更加方便和精确，可以使用带有卫星定位的照相机，以及带有测距装置的照相机。现有较多的照相机都具有测距装置，但通常没有显示。因此需要一些改装，将照相机的测距数据显示出来。而卫星定位装置则正在出现在一些高档照相机上，并且正在快速的普及中，因此，在不久的将来，可以直接使用照相机，而获取距离和位置的精确数据。通过这些位置和距离数据，在配以卫星定位的定位标志，则可以十分精确的记录照片拍摄的精确位置，并以这些位置和距离数据为依据对照片进行正射校正，建立准确的测量坐标系，找到正确的色斑变化位置，以此计算出精确的水流速度。

图像处理装置可以是设在PC机中的程序或专门设计的图像处理器，主要作用是对所拍摄的照片进行提取照片生成时间、正射校正、色斑识别与增强、提取色斑统计信息，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编制的图像处理程序，也可以使用现成的图像处理软件，如PS、ENVI等。通过人工或处理程序照片中的图斑进行专门的处理，以获得图斑中各个关键像素点的精确坐标数据等信息。

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，进而计算出薄层水流特征流速等各种水流参数。

所述的控制器是一个控制降雨强度、拍照时间和示踪液喷出量和时间的电子装置，可以是设置在电脑中的程序，也可以是专门设计的控制器。控制器不但应当具有控制的能力，还应当具有记录的功能，以便将实验中的所有控制过程记录在案，以便进行实验分析。

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据处理装置中，通过程序有机的进行控制和处理、计算。

本实施例所述的系统在实际野外观测中，只需要携带一个代替滴液装置的滴液瓶、几个无线定位标志和一台具有测距功能的数码照相机。在野外找到一处具有薄层水流的斜坡，将定位标志设置在合适的位置后，选择一处合适的拍照位置，用滴液瓶在合适的位置滴出一些示踪液，然后拍照。再滴液，再拍照。之后一切的照片处理、水流数据计算等工作都在工作室中完成。现场无需任何测量和记录，完全数字化记录，精度很高，大大降低了野外观测的劳动强度。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水源的细化。本实施例所述的水源是能够精确控制降雨量和降雨强度的人工降雨装置，包括：安装在水流坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，所述的喷水口阵列通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接。

本实施例所述的人工降雨装置是一种在室内模拟降雨的装置，通常在实验室中有设置，因此，可以利用现成的设置，而无需专门的建造。在人工降雨的范围内放置一个倾斜的人工模拟水流坡面，利用人工降雨，在模拟水流坡面上产生向下流动动薄层水流。还可以模拟水流对河道底面的侵蚀，并测量在侵蚀位置的薄层水流。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水源的细化。本实施例所述的水源是能够在水流坡面生成薄层水流并能够精确控制流量的供水装置，所述的供水装置包括：安装在水流坡面上部的多个出水口，所述的多个出水口通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接。

本实施例也是一种可以应用在室内试验观测的装置。在人工模拟的水流坡面接近顶端的位置并排设置一些流水口，均匀的想模拟流水坡面上放水，是模拟流水坡面上出现均匀的薄层水流。同时在模拟流水坡面的底部设立蓄水池，使坡面流出的水流可以再循环使用。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水流坡面的细化。本实施例所述的水流坡面包括：扁平的长方形泥土槽，所述的泥土槽中设置泥土夯实并板结的平整泥土面。

本实施例所述的水流坡面为真实的模拟河床，使用板结的泥土，平整的表面不要求光滑，而具有一定的粗糙度。人工降雨在水流坡面上应当具有比较均匀流水流，薄层水流的厚度由人工降雨的强度而确定。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于滴液装置的细化。本实施例所述的滴液装置包括：设置在坡面上的支架201，所述的支架上设置滴液阀204，所述的滴液阀通过管路与滴液泵202连接，所述的滴液泵与储液罐203连接，如图2所示。

图2中的滴液装置有三个，分布在水流坡面的三个离散的位置上，并在一条下流的水线上，还可以采用不同颜色的示踪液，使其产生三个相对孤立的色斑。支架和滴液阀的体积应尽量的小，避免对人工降雨产生影响。

实施例六：

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。

实施例七：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统的薄层水流流速测量方法，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获取、记录和处理技术，按照时间顺序对水流中示踪液所述形成的色斑进行间隔拍摄，然后对这些电子图像进行数据处理，精确的计算出薄层水流流速的各个参数。

本实施例所述方法的步骤具体如下：

设置的步骤：用于记录各个定位标志之间的距离和位置坐标，记录或设定水流坡面的坡度，设定拍摄点位置及位置坐标和取景范围，保证被测区域和定位标志均在取景框内，且被测区域在取景框中的面积尽可能的大，设定滴液量，设定水源的流量。根据实验的需要，可以对整个坡面进行拍摄，也可以对水流坡面的一部分进行拍摄。如果对整个水流坡面进行拍摄，只需要将定位标志放在水流坡面的四角即可，如需要对水流坡面的一部分进行拍摄则需要调整定位标志的位置，同时调整取像装置的镜头位置并将其固定，使整个拍摄区域的取景涵盖各个定位标志，并使拍摄区域在取景框中尽可能的大。按照流速大小、观测区域大小等情况确定拍摄时间间隔，设置合适的滴量，进行试验薄层水流流速观测。例如：拍摄频率采用时间间隔1秒，每次滴液量约为3毫升。根据实验需要设置人工降雨或出水量。

野外观测时，则需要寻找合适的薄层水流，设置定位标志和拍照位置，确定位置的精确坐标，当然，如果使用自动测距和卫星定位，则这些测量全部自动完成。

形成薄层水流的步骤：用于开启水源，在水流坡面上形成薄层水流。如果是人工降雨则开启人工降雨装置，实施人工降雨。人工降雨开启后，在水流坡面上形成一定程度的薄层水流后方可进行实验。如果使用的是供水装置，则打开阀门，使模拟流水坡面上形成水流。如果是野外观测，则需要寻找合适的薄层水流，进行观测。

喷射示踪液的步骤：用于开启滴液装置向测试区域内喷射示踪液，喷射是单点喷射或多点喷射。如果在实验室中进行实验，则可以直接启动滴液装置。在野外情况下，可以使用滴液瓶。由于滴出的液量基本不影响测量的精度，因此，无需十分精确，大致可以形成明显的色斑即可，手工完全可以胜任。

拍摄的步骤：用于开启取像装置对测试区域的示踪液在薄层水流所产生的色斑进行拍摄，以数秒的间隔拍摄两张以上的照片，拍摄的同时记录拍摄的时间和拍摄的画面像素质量。拍摄的过程在示踪液滴出后即可进行拍摄。但无需十分精确的要求，只要示踪液滴在水流中，所产生的色斑明显即可。拍摄照片的时间间隔，应当控制得当，主要在于色斑的形成后和消失之前的一段时间内拍摄即可，无需特意的控制在某个时间内。由于是数码照相，因此，在一些情况下，可以对已拍摄的照片进行现场评估，如果不够满意则回到设置的步骤，对现场的一些设置进行改进，如果满意则进入下一步骤。在实验室中进行拍摄，拍摄位置和水流坡面的倾斜程度都可以调节，并相对固定，拍摄角度，以及滴液的多少等相对稳定，在多数情况下，可以一次拍摄成功。由于数码拍摄的成本低廉，因此，即便在图片处理阶段发现拍摄不够成功，还可以在实验室中再次进行拍摄。而野外观测，由于有精确的定位，也可以重复拍摄，但毕竟自然环境的变化（例如光照的变化等因素），很可能无法复原原始的拍摄状态。

图像处理的步骤：用于拍摄的各个测试图像进行正射校正，根据所拍摄照片的画面像素质量、定位标志的坐标以及拍摄点位置的坐标建立测量坐标系，准确的找出示踪液在测试区中所产生色斑在图像中形成的图斑在图像中的坐标。图像的正射校正可以使用现有的程序，例如：ENVI、ERDAS、PCI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水流坡面上色斑在图片中形成的图斑的坐标，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取像原理造成的位置错动进行修改，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数字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位置的相对坐标，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。

计算图斑位移的步骤：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致，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，计算出水流的最大流速、最小流速、平均流速、水动力弥散速度。利用图斑的变化，计算色斑的最大移动速度、最小移动速度、前（后、左、右）向的弥散速度，从而计算出水动力弥散速度以及水流与水动力弥散综合影响的流速，计算出水流的最大流速、最小流速、平均流速、弥散速度等水动力学参数。

实施例七：

本实施例是实施例六的改进，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。

根据颜色属性对纠正后的图像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，色斑质点位置即图斑颜色最深点的位置坐标。

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 (2)

1.一种薄层水流流速测量方法，所述方法所使用的系统包括：能够产生薄层水流的水源，形成薄层水流的与水平面的夹角小于90度的水流坡面，所述的水流坡面的周边设有多个定位标志，水流坡面上方、接近坡面的位置还设有喷射与定位标志颜色对比强烈的示踪液的滴液装置，面对水流坡面设置摄取定位标志和测试区域影像的、具有自动记录时间的数字取像装置，所述的数字取像装置与图像处理装置连接，所述的图像处理装置与计算装置连接，滴液装置、取像装置与控制器电连接，所述的滴液装置包括：设置在坡面上的支架，所述的支架上设置滴液阀，所述的滴液阀通过管路与滴液泵连接，所述的滴液泵与储液罐连接；所述的水源是能够精确控制降雨量和降雨强度的人工降雨装置，包括：安装在水流坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，所述的喷水口阵列通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接；所述的水源是能够在水流坡面生成薄层水流并能够精确控制流量的供水装置，所述的供水装置包括：安装在水流坡面上部的多个出水口，所述的多个出水口通过管路与供水泵连接，所述的供水泵与蓄水池管路连接；所述的水流坡面包括：扁平的长方形泥土槽，所述的泥土槽中设置泥土夯实并板结的平整泥土面，所述的取像装置是照相机、摄像头中的一种，其特征在于，所述方法的步骤如下：

设置的步骤：用于记录各个定位标志之间的距离和位置坐标，记录或设定水流坡面的坡度，设定拍摄点位置及位置坐标和取景范围，保证被测区域和定位标志均在取景框内，且被测区域在取景框中的面积尽可能的大，设定滴液量，设定水源的流量；

形成薄层水流的步骤：用于开启水源，在水流坡面上形成薄层水流；

喷射示踪液的步骤：用于开启滴液装置向测试区域内喷射示踪液，喷射是单点喷射或多点喷射；

拍摄的步骤：用于开启取像装置对测试区域的示踪液在薄层水流所产生的色斑进行拍摄，以数秒的间隔拍摄两张以上的照片，拍摄的同时记录拍摄的时间和拍摄的画面像素质量；

图像处理的步骤：用于将拍摄的各个测试图像进行正射校正，根据所拍摄照片的画面像素质量、定标标志的坐标以及拍摄点位置的坐标建立测量坐标系，准确的找出示踪液在测试区中所产生色斑在图像中形成的图斑在图像中的坐标；

计算图斑位移的步骤：用于利用不同照片所拍摄的时间间隔信息和图斑的坐标位置信息计算图斑特征点位移速度；

计算水流流速参数的步骤：用于根据图斑运动规律，分别计算图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，计算出水流的最大流速、最小流速、平均流速、水动力弥散速度；

所述的计算图斑位移的步骤中计算图斑位移的方法是边缘速度平均法，质心法，弥散法中的一种；

所述的边缘速度平均法的处理方式为：逐个比较图斑边缘的像素，得到十分清晰的图斑边缘，通过计算图斑前后左右四个点的坐标位置进行比较；

所述的质心法的处理方式为：将图斑中色度比较集中的一些像素进行位置比较；

弥散法的处理方式为：提取质心到图斑前后左右点的距离，通过比较不同时间点的照片计算出图斑的前后左右不同方向的弥散距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“计算图斑位移的步骤”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；

根据颜色属性对纠正后的图像图斑区域进行识别和亮度增强；

对图斑区域的像素点进行统计，提取图斑统计信息，包括图斑质点位置及图斑前后左右位置坐标。