CN107290129A - 一种坡面水文试验流量场观测系统及方法 - Google Patents

一种坡面水文试验流量场观测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种坡面水文试验流量场观测系统，系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；数字地形采集系统用于在试验过程中拍摄坡面模型的地形图像，生成坡面模型的数字高程模型；计算出指定坡面模型位置的坡面流速场以及水流深度；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方案，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。

Description

一种坡面水文试验流量场观测系统及方法
技术领域
本发明涉及坡面水文过程观测试验领域，设计坡水文试验流量场计算技术领域，特别是涉及一种坡面水文试验流量场观测系统及方法。
背景技术
由于自然界的坡面形态复杂，且水流很薄，难以实现全坡面的产流过程观测。相对于明渠或河流中的水流，薄层水流厚度非常小，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。
对于薄层水流流速场以及薄层水流深度都很难计算出来，由于薄层水流流量场为流速场与深度的乘积，则对于薄层水流流速场以及薄层水流深度的计算尤为重要。
目前对薄层水流流速的测量广泛采用的方法有“流量法”、“染色法”、“盐溶液示踪法”等。“流量法”只能用于平均流速的测量，在流量较大且需要连续观测时需要较多的人员，工作量较大。对于“染色法”和“盐溶液示踪法”，其测定的是径流表面最大流速，要得到径流平均流速必须进行修正。但是，“染色法”虽然比较方便，但有时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，一般只能计量最大流速。
可见对坡面水流流速以及深度的测量一直是相关领域研究的难点，对于两者的测量迫切需要一种更加科学和高效的测量方法。
发明内容
本发明提供了一种坡面水文试验流量场观测系统及方法，以解决现有技术中由于对水流的流速场以及深度计算的困难性，导致对坡面流量场的计算和观测不准确的问题。
为了解决上述问题，本发明公开了一种坡面水文试验流量场观测系统，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；所述坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型；所述人工降雨系统用于在指定的所述坡面模型上进行降雨；所述示踪液投放系统用于在指定所述坡面模型上投放示踪液；所述数字地形采集系统包括相机阵列和同步器；所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对所述地形图像进行分析，生成所述坡面模型的数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点；所述地理信息处理系统对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组；确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；对所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
优选地，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处；所述地理信息处理系统还包括：校准标识；所述校准标识用于图像校准。
优选地，所述地理信息处理系统包括：识别模块、数据获取模块以及计算模块；所述识别模块分别识别各所述地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将所述地形图像与对应的所述数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定所述示踪液指示的水流位置与时间的关系；所述数据获取模块分别各所述数字高程模型进行分析，获取所述坡面模型的各栅格对应的第一参数组，所述第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数，所述数据获取模块依据降雨强度、所述坡面模型的物质组成、土壤质地确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组，其中所述第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率；所述计算模块依据所述示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各所述数字高程模型中示踪液终点处的坡度信息，依据各坡度信息计算水流流速；依据所述水流方向以及所述水流流速输出水流的坡面流速场；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；依据所述坡面流速场以及每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据计算所述坡面模型的坡面模型的各流量场数据。
优选地，所述地理信息处理系统通过以下公式对各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出所述数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：h＝β*Ia*nb*Accc/(kd*SSe)；其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种坡面水文试验流量场观测方法，所述方法包括：搭建坡面模型；启动示踪液投放系统将所述示踪液投放在指定的所述坡面模型上；启动人工降雨系统，其中，所述人工降雨系统在指定的所述坡面模型上进行降雨；启动数字地形采集处理系统对所述坡面模型的地形数据进行采集，其中所述数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器，所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像；利用近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对图像进行分析得到坡面模型数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点；启动地理信息处理系统将所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组，确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
优选地，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述启动示踪液投放系统将所述示踪液投放在指定的所述坡面模型上的步骤，包括：所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处。
优选地，所述对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组，确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组的步骤包括：分别对各所述数字高程模型进行分析，获取所述坡面模型的各栅格对应的第一参数组，所述第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数；依据降雨强度、所述坡面模型的物质组成、土壤质地确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组，其中所述第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率。
优选地，通过以下公式对各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出所述数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：h＝β*Ia*nb*Accc/(kd*SSe)；其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。
优选地，所述启动地理信息处理系统将所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场的步骤包括：分别识别各所述地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将所述地形图像与对应的所述数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定所述示踪液指示的水流位置与时间的关系；依据所述示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各所述三维数字地形图中示踪液位移距离和时间间隔，计算水流流速；依据所述水流方向、位移距离、时间间隔以及所述水流流速输出水流的坡面流速场。
优选地，通过以下公式对坡面模型中的每个栅格的单宽流量场进行计算：单宽流量＝＝水流深度*流速场。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例提供的一种坡面水文试验流量场观测系统方案，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；利用示踪液的计算分析，得到指定坡面模型位置的坡面流速场，并对各数字高程模型进行分析计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据，通过计算出的每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据以及坡面流速场计算坡面模型的各流量场数据。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方案，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种坡面水文试验流量场观测系统的结构框图；
图2是本发明实施例二的一种坡面水文试验流量场观测系统的结构框图；
图3是本发明实施例三的一种坡面水文试验流量场观测方法的步骤流程图；
图4是本发明实施例四的一种坡面水文试验流量场观测方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
参照图1，示出了本发明一种坡面水文试验流量场观测系统的结构框图。
本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测系统包括：坡面搭建系统101(图中未示出)、人工降雨系统102、示踪液投放系统103(图中未示出)、数字地形采集处理系统104、以及地理信息处理系统105。
坡面搭建系统101搭建试验所观测的坡面模型1011。人工降雨系统102用于在指定的坡面模型上进行降雨。
示踪液投放系统103用于在指定坡面模型1011上投放示踪液1031。
示踪液是指那些能随注入流体一起流动，指示流体在多孔介质中的存在、流动方向和渗流速度的物质。示踪液的种类较多，按其化学性质可分为化学示踪液和放射性示踪液；按其溶解性质可分为分配性示踪液和非分配性示踪液。化学示踪液常见的有:离子型，如SCN-、NO3-、Br-、I-等；有机类，如甲醛、乙醇、异丙醇等；染料类和惰性气体；放射性示踪液常见的有:氚水、氚化正丁醇、氚化乙醇等。非分配性示踪液只溶于水；而分配性示踪液既溶于水，又溶于油，但在油、水中的分配比例不同。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对示踪液进行选择，本发明实施例中对此不作具体限制。
数字地形采集系统104包括相机阵列1041和同步器1042；相机阵列1041排布在坡面模型1011上方，用于在试验过程中拍摄坡面模型1011的地形图像，同步器1042控制相机阵列1041中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对地形图像进行分析，生成坡面模型的数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点。
地理信息处理系统105对所述相机阵列拍摄的图像进行分析，通过正射纠正、数字图像拼接获得坡面模型正射影像；利用图斑边缘检测技术，识别示踪图斑，结合坡面模型数字高程模型和前后两张照片中示踪图斑位移情况计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。
地理信息处理系统105对生成的各数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组，根据第一组参数的栅格结构确定坡面模型中各栅格对应的第二参数组。
依据各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据。
栅格数字高程模型数据又称为网格数据，结构简单，只有行列，对应像元的值，属性明显，表达直观。栅格在一种特殊的影像格式，一般影像格式有JPG、BMP、TIF、PNG等。数字高程模型属于一种连续表面的栅格图，是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由底面规则格网点的高程值构成的矩形，形成栅格结构数据集，通过将地理信息数据、遥感影响结合，进行矢量化处理，从而构建数字高程模型。单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出，在基于2*2的栅格内，根据栅格间的最大距离权落值，即高程落差，判断水流的方向。根据栅格的水流方向，可以统计流经此栅格的上游的栅格数量，进而计算出流入此栅格的上游栅格数，即反映了该栅格的汇流范围。汇流累计数的计算在ArcGIS、MapGIS等软件中均有成熟的计算模块和算法。
针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
本发明实施例提供的一种坡面水文试验流量场观测系统，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；利用示踪液的计算分析，得到指定坡面模型位置的坡面流速场，并对各数字高程模型进行分析计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据，通过计算出的每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据以及坡面流速场，并依据上述数据计算出单宽流量场。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测系统，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。
实施例二
参照图1，示出了本发明一种坡面水文试验流量场观测系统的结构框图。
本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测系统包括：
坡面搭建系统201(图中未示出)、人工降雨系统202、示踪液投放系统203数字地形采集处理系统204以及地理信息处理系统205。
坡面搭建系统201搭建试验所观测的坡面模型2011；人工降雨系统202用于在指定的坡面模型上进行降雨。
人工降雨系统主要是为试验区模拟降雨条件，其降雨强度10-200m/h可调，降雨均匀度大于0.8。
示踪液投放系统203用于在指定坡面模型上投放示踪液。示踪液投放系统203包括：蠕动泵2032和蠕动泵控制器2033，蠕动泵控制器2033控制蠕动泵2032在坡面模型2011上，将示踪液投放至指定位置处。
示踪液是指那些能随注入流体一起流动，指示流体在多孔介质中的存在、流动方向和渗流速度的物质。示踪液的种类较多，按其化学性质可分为化学示踪液和放射性示踪液；按其溶解性质可分为分配性示踪液和非分配性示踪液。化学示踪液常见的有:离子型，如SCN-、NO3-、Br-、I-等；有机类，如甲醛、乙醇、异丙醇等；染料类和惰性气体；放射性示踪液常见的有:氚水、氚化正丁醇、氚化乙醇等。非分配性示踪液只溶于水；而分配性示踪液既溶于水，又溶于油，但在油、水中的分配比例不同。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对示踪液进行选择，对此不作具体限制，并且示踪液的颜色与所述坡面模型不同。
地理信息处理系统205还包括：校准标识；校准标识用于图像校准。
数字地形采集系统204包括相机阵列2041和同步器2042；相机阵列2041排布在坡面上方，用于在试验过程中拍摄坡面模型2011的地形图像，同步器2042控制相机阵列2041中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对地形图像进行分析，生成坡面模型的数字高程模型，其中，每个数字高程模型对应一个时间点。
具体地，相机阵列包括6个高速摄影器；各高速摄影器的焦点均为坡面模型的中心，以方便拍摄。
地理信息处理系统205对各数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组；确定坡面模型中各栅格对应的第二参数组；依据各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；对相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；依据每个栅格的坡面水流深度数据以及坡面流速场计算得到坡面模型的各流量场数据。地理信息处理系统包括：识别模块2051、数据获取模块2052以及计算模块2053。
识别模块2051分别识别各地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将地形图像与对应的数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定示踪液指示的水流位置与时间的关系；
数据获取模块2052分别各数字高程模型进行分析，获取坡面模型的各栅格对应的第一参数组，第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数，数据获取模块依据降雨强度、坡面模型的物质组成、土壤质地确定坡面模型中各栅格对应的第二参数组，其中第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率。
计算模块2053依据示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各数字高程模型中示踪液终点处的坡度信息，依据各坡度信息计算水流流速；依据水流方向以及水流流速输出水流的坡面流速场；依据各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；依据坡面流速场以及每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据计算坡面模型的单宽流量场。
具体地，针对每个栅格，通过以下公式对坡面模型中的每个栅格的单宽流量场进行计算：
单宽流量＝＝水流深度*流速场。
栅格数字高程模型数据又称为网格数据，结构简单，只有行列，对应像元的值，属性明显，表达直观。栅格在一种特殊的影像格式，一般影像格式有JPG、BMP、TIF、PNG等。数字高程模型属于一种连续表面的栅格图，是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由底面规则格网点的高程值构成的矩形，形成栅格结构数据集，通过将地理信息数据、遥感影响结合，进行矢量化处理，从而构建数字高程模型。单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出，在基于2*2的栅格内，根据栅格间的最大距离权落值，即高程落差，判断水流的方向。根据栅格的水流方向，可以统计流经此栅格的上游的栅格数量，进而计算出此栅格的汇流累计量反应了栅格的积水深度和范围，也反应了该栅格形成地表汇流的难易程度。
对各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：
h＝β*Ia*nb*Accc/(kd*SSe)；
其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。
本发明实施例提供的一种坡面水文试验流量场观测系统，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；利用示踪液的计算分析，得到指定坡面模型位置的坡面流速场，并对各数字高程模型进行分析计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据，通过计算出的每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据以及坡面流速场，并依据上述数据计算出单宽流量场。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测系统，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。
实施例三参照图3，示出了本发明一种坡面水文试验流量场观测方法的步骤流程图。
本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方法包括以下步骤：
步骤301：搭建坡面模型。
坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型。
步骤302：启动示踪液投放系统将示踪液投放在指定的坡面模型上。
示踪液是指那些能随注入流体一起流动，指示流体在多孔介质中的存在、流动方向和渗流速度的物质。示踪液的种类较多，按其化学性质可分为化学示踪液和放射性示踪液；按其溶解性质可分为分配性示踪液和非分配性示踪液。化学示踪液常见的有:离子型，如SCN-、NO3-、Br-、I-等；有机类，如甲醛、乙醇、异丙醇等；染料类和惰性气体；放射性示踪液常见的有:氚水、氚化正丁醇、氚化乙醇等。非分配性示踪液只溶于水；而分配性示踪液既溶于水，又溶于油，但在油、水中的分配比例不同。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对示踪液进行选择，本发明实施例中对此不作具体限制。
步骤303：启动人工降雨系统。
人工降雨系统主要是为试验区模拟降雨条件，其降雨强度10-200m/h可调，降雨均匀度大于0.8。
其中，人工降雨系统在指定的坡面模型上进行降雨。
步骤304：启动数字地形采集处理对坡面模型的地形数据进行采集。
其中数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器，相机阵列排布在坡面上方，用于在试验过程中拍摄坡面模型的地形图像，同步器控制相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像。
步骤305：利用近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对图像进行分析得到坡面模型数字高程模型。
其中，每个数字高程模型对应一个时间点
步骤306；启动地理信息处理系统将相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。
地理信息处理系统对上述相机整列图像进行分析，通过正射纠正、数字图像拼接获得坡面模型正射影像；利用图斑边缘检测技术，识别示踪图斑，结合坡面模型数字高程模型和前后两张照片中示踪图斑位移情况计算出指定坡面模型位置的坡面流速场。
步骤307：对各数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组，确定坡面模型中各栅格对应的第二参数组。
步骤308：依据各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据。
栅格数字高程模型数据又称为网格数据，结构简单，只有行列，对应像元的值，属性明显，表达直观。栅格在一种特殊的影像格式，一般影像格式有JPG、BMP、TIF、PNG等。数字高程模型属于一种连续表面的栅格图，是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由底面规则格网点的高程值构成的矩形，形成栅格结构数据集，通过将地理信息数据、遥感影响结合，进行矢量化处理，从而构建数字高程模型。单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出，在基于2*2的栅格内，根据栅格间的最大距离权落值，即高程落差，判断水流的方向。根据栅格的水流方向，可以统计流经此栅格的上游的栅格数量，进而计算出此栅格的汇流累计两反应了栅格的积水深度和范围，也反应了该栅格形成地表汇流的难易程度。
步骤309：针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
本发明实施例提供的一种坡面水文试验流量场观测方法，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；利用示踪液的计算分析，得到指定坡面模型位置的坡面流速场，并对各数字高程模型进行分析计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据，通过计算出的每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据以及坡面流速场，并依据上述数据计算出单宽流量场。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方法，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。
实施例四
参照图4，示出了本发明实施例四的一种坡面水文试验流量场观测方法的步骤流程图。
本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方法包括以下步骤：
步骤401：搭建坡面模型。
坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型。
步骤402：启动示踪液投放系统将示踪液投放在指定的坡面模型上。
示踪液是指那些能随注入流体一起流动，指示流体在多孔介质中的存在、流动方向和渗流速度的物质。示踪液的种类较多，按其化学性质可分为化学示踪液和放射性示踪液；按其溶解性质可分为分配性示踪液和非分配性示踪液。化学示踪液常见的有:离子型，如SCN-、NO3-、Br-、I-等；有机类，如甲醛、乙醇、异丙醇等；染料类和惰性气体；放射性示踪液常见的有:氚水、氚化正丁醇、氚化乙醇等。非分配性示踪液只溶于水；而分配性示踪液既溶于水，又溶于油，但在油、水中的分配比例不同。
需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对示踪液进行选择，本发明实施例中对此不作具体限制。
步骤403：启动人工降雨系统。
其中，人工降雨系统在指定的坡面模型上进行降雨。
人工降雨系统主要是为试验区模拟降雨条件，其降雨强度10-200m/h可调，降雨均匀度大于0.8。
步骤404：启动数字地形采集处理对坡面模型的地形数据进行采集。
其中数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器，相机阵列排布在坡面上方，用于在试验过程中拍摄坡面模型的地形图像，同步器控制相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像。
步骤405：利用近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对图像进行分析得到坡面模型数字高程模型。
其中，每个数字高程模型对应一个时间点。
将相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像按照拍摄时间先后进行排序，对排序后的各地形图像进行分析得到各坡面模型的数字高程模型。
在数字地形采集系统建立需要建立一个索引数据库，提高后续数据处理的工作效率，减少查询复杂度。索引数据库的两个关键检索项是相机号和拍摄时间，其中相机号与相机的真实位置一一对应，拍摄时间步长可通过用户设置。用户可基于索引数据库利用交互界面查询每一台相机在某个特定时间段拍摄的相片。
步骤406：分别识别各地形图像中的示踪液位置。
针对各地形图像，将地形图像与对应的数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系。
由于场景数字高程模型建立的时间与水流模拟的时间不一致，相片的相机坐标系与数字高程模型可能存在匹配误差，因此需要将相片的位置与数字高程模型进行重新匹配。选择在起始拍摄时间相邻相机获取的相片，利用空中三角测量技术，建立相片坐标系与数字高程模型的对应关系，起始时间的相片坐标系匹配后，后续相片即可使用该转换模型进行精确配准，使得相片上任意一点都能从数字高程模型中提取三维信息。
步骤407：依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定示踪液指示的水流位置与时间的关系。
步骤408：依据示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各数字高程模型中示踪液位移距离和时间间隔，计算水流流速。
步骤409：依据水流方向、位移距离、时间间隔以及水流流速输出水流的坡面流速场。
从时间序列相片中提取示踪液的变化信息，确定每个时间的水流方向；同时根据示踪液变化位置对应的坡度信息，计算示踪液流淌的真实距离，获得水流流速，从而形成一个时空连续的三维水流流速场(流速、方向)，以三维矢量文件的格式进行输出。
步骤410：分别对各数字高程模型进行分析，获取坡面模型的各栅格对应的第一参数组。
第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数。
步骤411：依据降雨强度、坡面模型的物质组成、土壤质地确定坡面模型中各栅格对应的第二参数组。
其中第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率。
步骤412：依据各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据。
第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率。
栅格数字高程模型数据又称为网格数据，结构简单，只有行列，对应像元的值，属性明显，表达直观。栅格在一种特殊的影像格式，一般影像格式有JPG、BMP、TIF、PNG等。数字高程模型属于一种连续表面的栅格图，是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由底面规则格网点的高程值构成的矩形，形成栅格结构数据集，通过将地理信息数据、遥感影响结合，进行矢量化处理，从而构建数字高程模型。单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出，在基于2*2的栅格内，根据栅格间的最大距离权落值，即高程落差，判断水流的方向。根据栅格的水流方向，可以统计流经此栅格的上游的栅格数量，进而计算出此栅格的汇流累计两反应了栅格的积水深度和范围，也反应了该栅格形成地表汇流的难易程度。
通过以下公式对各数字高程模型对应的第一参数组以及第二参数组计算出数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：
h＝β*Ia*nb*Accc/(kd*SSe)；
其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。
步骤413：针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
通过以下公式对坡面模型中的每个栅格的单宽流量场进行计算：
单宽流量＝＝水流深度*流速场。
本发明实施例提供的一种坡面水文试验流量场观测方法，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；利用示踪液的计算分析，得到指定坡面模型位置的坡面流速场，并对各数字高程模型进行分析计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据，通过计算出的每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据以及坡面流速场，并依据上述数据计算出单宽流量场。可见，本发明实施例提供的坡面水文试验流量场观测方法，数字图像分析系统可以通过示踪液的变化以及地形图像数据，精准快速的计算出指定坡面模型的坡面流速场，通过实时采集坡面地形数据并构造坡面模型的数字高程模型，能够对坡面薄层水流进行全方位观察、并实时计算全坡面的坡面水流深度，相比现有技术中对流量场的试验方法，准确率更高。
以上对本发明所提供的一种坡面水文试验流量场观测系统及方法装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种坡面水文试验流量场观测系统，其特征在于，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；
所述坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型；所述人工降雨系统用于在指定的所述坡面模型上进行降雨；
所述示踪液投放系统用于在指定所述坡面模型上投放示踪液；
所述数字地形采集系统包括相机阵列和同步器；所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对所述地形图像进行分析，生成所述坡面模型的数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点；
所述地理信息处理系统对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组；确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；对所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处；所述地理信息处理系统还包括：校准标识；所述校准标识用于图像校准。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地理信息处理系统包括：识别模块、数据获取模块以及计算模块；
所述识别模块分别识别各所述地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将所述地形图像与对应的所述数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定所述示踪液指示的水流位置与时间的关系；
所述数据获取模块分别各所述数字高程模型进行分析，获取所述坡面模型的各栅格对应的第一参数组，所述第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数，所述数据获取模块依据降雨强度、所述坡面模型的物质组成、土壤质地确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组，其中所述第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率；
所述计算模块依据所述示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各所述数字高程模型中示踪液终点处的坡度信息，依据各坡度信息计算水流流速；依据所述水流方向以及所述水流流速输出水流的坡面流速场；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；依据所述坡面流速场以及每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据计算所述坡面模型的坡面模型的各流量场数据。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地理信息处理系统通过以下公式对各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出所述数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：
h＝β*Ia*nb*Accc/(kd*SSe)；
其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。
5.一种坡面水文试验流量场观测方法，其特征在于，所述方法包括：
搭建坡面模型；
启动示踪液投放系统将所述示踪液投放在指定的所述坡面模型上；
启动人工降雨系统，其中，所述人工降雨系统在指定的所述坡面模型上进行降雨；
启动数字地形采集处理系统对所述坡面模型的地形数据进行采集，其中所述数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器，所述相机阵列排布在所述坡面上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像；
利用近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对图像进行分析得到坡面模型数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点；
启动地理信息处理系统将所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；
对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组，确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；
依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；
针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述启动示踪液投放系统将所述示踪液投放在指定的所述坡面模型上的步骤，包括：
所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组，确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组的步骤包括：
分别对各所述数字高程模型进行分析，获取所述坡面模型的各栅格对应的第一参数组，所述第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数；
依据降雨强度、所述坡面模型的物质组成、土壤质地确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组，其中所述第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下公式对各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出所述数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：
h＝β*Ia*nb*Accc/(kd*SSe)；
其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述启动地理信息处理系统将所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场的步骤包括：
分别识别各所述地形图像中的示踪液位置；
针对各地形图像，将所述地形图像与对应的所述数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；
依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定所述示踪液指示的水流位置与时间的关系；
依据所述示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各所述三维数字地形图中示踪液位移距离和时间间隔，计算水流流速；
依据所述水流方向、位移距离、时间间隔以及所述水流流速输出水流的坡面流速场。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下公式对坡面模型中的每个栅格的单宽流量场进行计算：
单宽流量＝＝水流深度*流速场。
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