[發明專利]基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法

有效

• 申請號: 202011381025.2
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112560595B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（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: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

本發明提供一種基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法，包括：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；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；根據河道斷面的歷史觀測數據，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，并得到斷面平均流速；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域，從而得到斷面面積；并根據該斷面面積與已得到的表面流速計算得到河道斷面流量，本發明解決了非接觸式測流技術無法獲取斷面流量的問題，同時使惡劣條件下的水文測報、流量測驗工作更加高效、便捷、安全、準確，具有重要的理論意義和應用價值。

技術領域

本發明屬于水文測驗的流量測驗技術領域，具體涉及一種基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法。

背景技術

近年來，受全球氣候變化的影響，洪水災害頻繁發生，給社會經濟和人民生命安全帶來嚴重威脅，如何在上述極端惡劣條件下測量河流的有關數據，已經成為了迫切需要解決的技術問題。隨著計算機技術的不斷發展，采用基于圖像識別的測流方法成為解決上述問題的最佳途徑之一。時空影像測量法(STIV)作為一種重要的圖像測流方法，由于具有空間分辨率高、實時性強、安全簡便、成本較低等優點，在河流的實時監測中具有特別的應用潛力。該方法通過拍攝水流視頻，提取視頻圖像中水流運動的時間和空間信息，以獲取河流的一維表面流速。

在實際生產生活中，無論是對于工程設計、水資源管理，還是對于災害風險管理而言，人們更關心的是河流流量，而并非流速數據。然而，以往關于時空影像測量法的研究更多側重于表面流速的計算方法，而對于如何由表面流速計算得到斷面流量卻鮮有涉及。截至目前，尚未有一種科學合理的基于視頻圖像獲取表面流速，再由表面流速計算河道斷面流量的方法。斷面流量的獲取仍然是依靠經驗系數或者是經驗公式。這些方法依賴于觀測者自身的經驗，其科學性和合理性難以保證，往往具有很大的不確定性。因此研究一種具有數學機理和物理意義的流量測算方法具有重要的理論意義和應用價值。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足之處，提供一種基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法，基于視頻圖像計算河流表面流速并進一步計算出河道斷面流量，在時空影像測量法獲得斷面最大表面流速的基礎上，將數學機理和水文學流量測量原理融入進河道流量的測算過程中，解決了現有技術中時空影像測量法無法獲取河道斷面流量的問題。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種基于河流表面流速的河道斷面流量計算方法，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；

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；

步驟S3，根據河道斷面的歷史觀測數據，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，并得到斷面平均流速；

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域，從而得到斷面面積；并根據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。

較佳地，所述步驟S1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轉換為ξ-η等流速線坐標系統使流速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：