[發(fā)明專利]基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011381025.2
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112560595B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設計）人: 陳華;趙浩源;劉炳義;王俊
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06V20/40
• 分類號: G06V20/40;G06T7/62;G06F17/11
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

1.一種基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1，建立河道斷面的最大表面流速與斷面平均流速之間的線性關系得到對應的關系表達式；包括：

首先將河流斷面流速分布u＝u(y,z)由直角坐標系y-z轉(zhuǎn)換為ξ-η等流速線坐標系統(tǒng)使流速u與ξ呈一一對應關系，即得到關系式一：

u＝u(ξ)(0≤u≤u_max,ξ₀≤ξ≤ξ_max)

其中，y代表河深方向，z代表河床方向，ξ代表等流速線，η代表與ξ正交的曲線；

進一步，假設u與ξ為隨機變量，并且其概率密度函數(shù)分別為p(u)和q(ξ)，同時ξ在ξ₀和ξ_max之間呈均勻分布，即得到關系式二：

則流速小于或等于u的概率，即u的分布函數(shù)P(u)為關系式三：

因此，u的概率密度函數(shù)p(u)為關系式四：

同時，根據(jù)熵最大原理，p(u)應使熵函數(shù)H(u)最大，同時也應滿足概率密度函數(shù)的性質(zhì)，即滿足關系式五：

s.t.

其中，代表斷面平均流速；

進一步采用拉格朗日乘數(shù)法解上述條件極值問題，即解關系式六：

其中，λ₁,λ₂代表拉格朗日乘子，

解該偏微分方程，得到關系式七：

結(jié)合所述關系式七與所述關系式五可得關系式八：

和關系式九：

結(jié)合所述關系式四和所述關系式七，且由邊界條件可得流速u沿ξ的分布公式為關系式十：

同時，結(jié)合所述關系式八和所述關系式十，且令M＝λ₂u_max，有關系式十一：

進一步，對關系式九進行處理即得到河道斷面的最大表面流速與斷面平均流速之間的線性關系為關系式十二：

其中，Φ近似常數(shù)，即斷面最大表面流速與斷面平均流速之間呈線性關系；

步驟S2，對拍攝得到河流視頻圖像利用時空影像測量法獲取河道斷面的最大表面流速；包括：

步驟S21，將相機架設于河岸任意一側(cè)，采集河流的水流視頻信息；由實時水位數(shù)據(jù)Z和斷面地形數(shù)據(jù)確定左右兩岸的起點距a與b，則實際河寬l＝b-a；進一步，截取水流視頻的任意一幀圖像進行正射投影變換，在經(jīng)過投影變換的圖像中，通過計算機量取河寬的像素距離d，并計算像素分辨率R＝l/d；

步驟S22，進行最大表面流速的粗略搜索，從河流的左岸至右岸，以10米為間距等距離設置若干測速線；根據(jù)時空影像測量法依次計算上述每條測速線上的表面流速，將表面流速最大的測速線的起點距記為k；

步驟S23，進行表面流速的精確搜索，在k-5米至k+5米的范圍內(nèi)，以2米為間距等距離設置若干條測速線；根據(jù)時空影像測量法依次計算上述每條測速線上的表面流速，將計算得到的最大值作為最大表面流速，記為u_max；

步驟S3，根據(jù)河道斷面的歷史觀測數(shù)據(jù)，通過一元線性回歸確定斷面最大表面流速與斷面平均流速的關系系數(shù)，并得到斷面平均流速；在該步驟中，根據(jù)斷面最大表面流速與斷面平均流速的關系系數(shù)Φ以及所述步驟S2中得到的最大表面流速u_max得到斷面平均流速

步驟S4，設置若干條測深垂線沿河道斷面從左至右均勻分布將斷面劃分為若干個區(qū)域，從而得到斷面面積；并根據(jù)該斷面面積與所述步驟S3得到的表面流速計算得到河道斷面流量。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法，其特征在于：

所述步驟S4包括：

選取n條測深垂線，沿河道斷面從左至右均勻分布，將斷面劃分為n+1個區(qū)域，由所述步驟S1中得到的l，按照l/n+1計算各條垂線之間的間距w；由實時水位z以及各條測速垂線的河底高程z_i(i＝1，2，…，n)，計算各條垂線的水深h_i，h_i＝z-z_i；第1個和第n+1個區(qū)域概化為三角形來計算過水面積S_j(j＝1，2，…，n+1)，其余區(qū)域則概化為梯形，即：

總斷面過水面積S為：

最后，所述斷面流量