CN110132247A - 一种多空间尺度的水体流场观测互补方法 - Google Patents

一种多空间尺度的水体流场观测互补方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水体流场观测领域的一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，技术方案为：通过ADCP测流仪得到仪器所在位置的水体垂向流速分布，通过无人机跟踪拍摄示踪粒子得到局部水体较为精细的表层流场图，通过GPS浮子的坐标反馈得到整个水体的表层流场图。利用上述三种不同空间尺度流场观测方法相互补充，形成一种平面上多尺度嵌套，垂向上可按需分层的水体立体观测方法，其拓宽了现有技术中对流场仅为点和线的流速描述，该方法可解决水体流场观测实施困难、耗时耗力、观测范围有限等问题。

Description

一种多空间尺度的水体流场观测互补方法
技术领域
本发明涉及水体流场观测领域,尤其属于一种多空间尺度的水体流场观测互补方法。
背景技术
流场是描述水体空间动力特征的主要参数，反映一定空间范围内水体流动速度及流动方向。目前，由于技术上的限制，对大型水体的流场观测主要采用定点或走航式断面观测，观测范围局限于几个点或几条断面，很难掌握大范围水体流场特征，且观测过程费时耗力。亟需一种对水体流场进行不同空间尺度的观测。
发明内容
本发明提供了一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，用于克服现有技术中对水体流场仅为点和线的流速描述的局限，并且利用三种不同空间尺度流场观测方法相互补充，形成一种平面上多尺度嵌套，垂向上可按需分层的水体立体观测方法。
本发明的基本技术方案为：
在水体内设置ADCP测流仪，并设置测流仪的垂向分层参数及时间参数，测流仪自动记录各层水体流速；
预先在水面抛洒若干示踪粒子，操控无人机搭载摄像机飞临示踪粒子上空，持续拍摄示踪粒子运动过程，拍摄示踪粒子运动过程时，拍摄视角中包含参照物；根据示踪粒子在Δt时间内运动的横向距离Δx和纵向距离Δy，计算出每个示踪粒子随水流运动的矢量速度综合拍摄视角内所有示踪粒子的运动轨迹和运动速度，得到拍摄视角内水面的流场图；
将载有GPS设备的浮于水面随水体运动的GPS浮子抛掷于水面上，实时记录GPS浮子随水体运动的位置坐标及时间并实时传输至接收设备，通过GPS浮子位置坐标变化刻画水体运动轨迹，设GPS浮子在Δt时间内运动的横向距离Δx和纵向距离Δy，根据计算任意时间段的水流运动的矢量速度，得到GPS浮子抛掷范围内水面各时刻的流场图。
上述方案中操控无人机搭载高清摄像机飞临示踪粒子上空的高度具体可根据地区飞行器限高、无人机性能、摄像机性能来确定。
基于上述技术特征：示踪粒子的抛洒密度每5m2不宜低于2个。
基于上述技术特征：示踪粒子为萝卜片，直径为5cm～10cm，厚度为0.4cm～1cm。
基于上述技术特征：GPS设备包括GPS定位模块和通讯模块，通讯模块内嵌SIM卡，通过无线网络实时传输GPS信号。
基于上述技术特征：接收设备为联网的手机或电脑终端。
基于上述技术特征：GPS浮子的抛洒密度每5km2水面内不少于1个。
本发明的有益效果为：采用无人机搭载高清摄像机飞临示踪粒子上空的观测方法突破了现有技术中对流场仅为点和线的流速描述，同时采用GPS浮子观测方法及ADCP测流仪测流方法，三种不同空间尺度流场观测方法相互补充，形成一种平面上多尺度嵌套，垂向上可按需分层的水体立体观测方法。该方法可解决水体流场观测实施困难、耗时耗力、观测范围有限等问题。
附图说明
图1为无人机工作示意图。
图2为GPS浮子工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明的具体实施步骤为：
1.根据水体水文情势特征及研究应用需求，有针对性地布设ADCP测流仪，将ADCP测流仪布设在工程附近或研究区域，可得到最直接、最准确的流速数据，并设置垂向分层参数，如可按每20cm至50cm一层设置，及包括观测起止时间、数据记录时间间隔的时间参数，时间间隔可按15min-60min设置，仪器自动记录各层水体流速。
2.预先在水面抛洒示踪粒子2，示踪粒子2抛洒密度每5m2不宜低于2个，操控无人机1搭载高清摄像机飞临示踪粒子上空20米，摄像机视角拍摄范围约为10000m2，持续拍摄示踪粒子2运动过程。示踪粒子应能准确代表水体的流速，要具备较好的水体跟随性，不能在风作用下运动的比水体还快，也不能因为重量、外形粗糙度等原因运动的比水体慢，或是偏离水体流向，同时要有辨识度，要能被高空相机捕获。本实施例中，示踪粒子2采用萝卜片。萝卜片可切成薄片，直径5～10cm，厚度0.5cm左右为宜。拍摄示踪粒子2运动过程时，拍摄视角中应注意包含合适参照物，如水工构筑物、堤岸等，便于后期计算示踪粒子2相对速度。
根据示踪粒子2在Δt时间内运动的横向距离Δx和纵向距离Δy，计算出每个示踪粒子2随水流运动的矢量速度综合拍摄视角内所有示踪粒子2的运动轨迹和运动速度，可得到局部水面较为精细的流场图。
设置在示踪粒子2覆盖区域的前述步骤1中的ADCP测流仪同步开展表层流速观测，并用于验证由无人机观测得到的流速的精度。
3.制作一批载有GPS设备的浮于水面随水体运动的GPS浮子3，并在GPS设备的通讯模块中内嵌SIM卡，借助SIM卡运营商无线网络，将GPS定位信息实时传输至岸上接收设备4。
(1)将GPS浮子3均匀抛掷于整个水面，每5km2水面内不宜少于1个GPS浮子3，并可根据实际需求加大GPS浮子3抛掷密度。
(2)GPS浮子3将随水体运动，设置位置坐标的记录间隔时间，如每隔5s或10s，记录GPS浮子3位置坐标及时间，并实时传输至岸上接收设备4，接收设备可为连网的手机或电脑。
(3)根据长时间序列的GPS浮子位置坐标及时间，刻画每个GPS浮子3随水流的运动轨迹。设GPS浮子3在Δt时间内运动的横向距离Δx和纵向距离Δy，根据计算任意时间段的运动速度。综合所有GPS浮子3的运动轨迹和运动速度，可得到整个水面各时刻的流场图。
通过ADCP测流仪得到仪器所在位置的水体垂向流速分布，通过无人机跟踪拍摄示踪粒子得到局部水体较为精细的表层流场图，通过GPS浮子的坐标反馈得到整个水体的表层流场图。ADCP测流仪测流的特点一是定点垂向分层流速观测，二是精度很高，可以对无人机观测的流速精度进行复核；无人机受搭载相机性能限制，观测范围在水面10000m2左右，特点是对局部表层流场的刻画更细；GPS浮子测流无观测范围的限制，特点是可用于大面积表层流场观测，但相应的表层流场刻画比无人机观测的粗一点，因为GPS浮子不会布置的很密。三者结合实现大范围水体立体流场观测，同时可以细致刻画工程附近或是其他特殊区域等重点区域的流场。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，其特征在于：
在水体内设置ADCP测流仪，并设置所述测流仪的垂向分层参数及时间参数，所述测流仪自动记录各层水体流速；
预先在水面抛洒若干示踪粒子，操控无人机搭载摄像机飞临示踪粒子上空，持续拍摄示踪粒子运动过程，拍摄所述示踪粒子运动过程时，拍摄视角中包含参照物；根据所述示踪粒子在Δt时间内运动的横向距离Δx和纵向距离Δy，计算出每个示踪粒子随水流运动的矢量速度综合拍摄视角内所有所述示踪粒子的运动轨迹和运动速度，得到拍摄视角内水面的流场图；
将载有GPS设备的浮于水面随水体运动的GPS浮子抛掷于所述水面上，实时记录所述GPS浮子随水体运动的位置坐标及时间并实时传输至接收设备，通过所述GPS浮子位置坐标变化刻画水体运动轨迹，设所述GPS浮子在Δt时间内运动的横向距离Δx和纵向距离Δy，根据计算任意时间段的水流运动的矢量速度，得到所述GPS浮子抛掷范围内水面各时刻的流场图。
2.根据权利要求1所述的一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，其特征在于：所述示踪粒子的抛洒密度每5m2不低于2个。
3.根据权利要求1所述的一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，其特征在于：所述示踪粒子为萝卜片，直径为5cm～10cm，厚度为0.4cm～1cm。
4.根据权利要求1所述的一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，其特征在于：所述GPS设备包括GPS定位模块和通讯模块，所述通讯模块内嵌SIM卡，通过无线网络实时传输GPS信号。
5.根据权利要求1所述的一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，其特征在于：所述接收设备为联网的手机或电脑终端。
6.根据权利要求1所述的一种多空间尺度的水体流场观测互补方法，其特征在于：所述GPS浮子的抛洒密度每5km2水面内不少于1个。
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