阅读说明：本技术 一种基于水面明暗波纹的河流流速测量装置和方法 (River flow velocity measuring device and method based on water surface light and shade ripples ) 是由 丁勇 李友杰 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于水面明暗波纹的河流流速测量装置和方法,利用一根不规则测杆,在顶端盖板下安装监控摄像头,在测杆顶部安装蓄电池和太阳能板。该装置安装在河流中央时,水流会通过不规则测杆,在测杆的尾部产生明暗相间的水面波纹,其将会被测杆顶端摄像机拍摄同时进行图像的抓取,利用视频监控将河流水面明暗相间的波浪波纹实时形成序列图像,对序列图像波纹进行自动检测与分析。这种基于水面明暗波纹河流流速测量方法和装置可以方便快速检测出不同流速水流通过测杆后的速度v。本发明具有设备简单、测验历时短、数据自动显示、自动保存、方便查询、工作人员参与少、瞬间可采集多个数据,并且在有探照灯等照明设备的情况下,不会间断等特点。(The invention discloses a river flow velocity measuring device and method based on water surface light and shade ripples. When the device is installed in the river center, rivers can pass through irregular measuring staff, produce the alternate surface of water ripple of light and shade at the afterbody of measuring staff, and it will be shot by measuring staff top camera and carry out snatching of image simultaneously, utilizes video monitoring to form the alternate wave ripple of river surface of water light and shade sequence image in real time, carries out automated inspection and analysis to sequence image ripple. The river flow velocity measuring method and device based on the water surface light and shade ripple can conveniently and quickly detect the velocity v of water flow passing through the measuring rod at different flow velocities. The invention has the characteristics of simple equipment, short testing duration, automatic data display, automatic storage, convenient query, less participation of workers, capability of instantly acquiring a plurality of data, no interruption and the like under the condition of lighting equipment such as searchlights and the like.)

一种基于水面明暗波纹的河流流速测量装置和方法

技术领域

本发明属于河流流速测试技术领域，尤其涉及一种基于水面明暗波纹的河流流速测量方法和装置。

背景技术

我国地势走向西高东低，江河众多，地形复杂，降雨时空分布不均，洪涝灾害一直是人们非常关注的焦点，制定了一系列措施预防和控制洪涝灾害的发生。但从近年来我国洪涝灾害的特点看，灾害损失的内涵和影响发生了较大变化，山洪灾害占了较大的比重。由于主要江河堤防建设和病险水库除险加固取得重大进展，全国大江大河发生洪水造成的死亡人数呈下降趋势，但是有些偏远地区仍然受大降水量雨水导致的洪涝事件时常发生。山洪灾害已经成为当前全国防洪减灾工作中的突出问题。

目前，在山溪性河流中，水文测报系统还处于手工测量、手工分析、人工报送的相对较落后状况。对于断面流速测量工作，在小流速(<20m³/s) 环境下，由人工用流速仪施测；在大流速(>200m³/s)环境下，由人工在上游施放浮标，下游断面人工计时估计测量。当汛情发生时，这种以手工测量为主的方式往往不能及时、准确地测量出水位、流速、流量等数据，削弱了应对自然灾害的能力。

因此，需要一种基于水面明暗波纹的河流流速测量方法和装置。

发明内容

根据我国地势分布，一些偏远山区，高洪和山溪流量测验条件困难，涨落率较大，并伴随流速高，漂浮物多，断面冲淤大，流速仪实测困难的情况，本发明提供一种基于水面明暗波纹的河流流速测量方法和装置。

本发明的技术方案为：

本发明将一个不规则测杆安插在河流中央，利用河流的流动，水流通过测杆，在测杆尾部形成明暗相间的水面波纹，再通过测杆顶端盖板下的监控摄像机快速捕抓测杆尾部明暗相间的水面波纹的照片并形成有序图像，通过无线传输的方式传送至远端计算机，最后由计算机来检测分析明暗相间的波纹波长λ，利用公式得出水流流速v。利用以下两种方法测量：

方法1：河流表面在遇到固定装置时会引起尾迹波长λ,可以由下式计算:

式中v是水流速度,可见波的波长只与河流水面运动速度有关，速度v 越大则波长λ越长，速度v越小波长λ越短。

方法2：河流的水面流速v和河流波长λ及频率f有关系：

式中v是水流相对速度，f是频率，λ是波长。波长λ可由测杆尾迹明暗相间的波纹分析得出，而频率f可以通过调整监控摄像机拍照频率得出。

这种基于水面明暗波纹的河流流速测量方法和装置，需要一个固定在河流中的固定测杆，该测杆固定在河流中，当测杆足够长的时候，测杆就会承受河流冲击作用，在测杆尾部就会持续产生明暗相间的水面波纹。

基于计算机图像识别系统，其特征在于所述监测系统包括:水面波纹判别模块、拍照模块、无线通信模块、图像接收模块、图像识别模块以及应用管理模块。

在测杆顶部安装一个包括蓄电池的太阳能板，主要功能是持续供给监控摄像头用电，实现24h日夜不间断测量河流流速的目的。

有益效果：

本发明针对实际水流流量的需求，设计了一种适用于各种流量河流的测速固定装置，能够运用于各种复杂环境，有效克服了高洪流量测验条件，涨落率较大，并伴随流速高，漂浮物多，断面冲淤大，流速仪实地监测的困难。

本发明能够实现完全自动化、全天候运行，对于突发洪水事件反应迅速，在监测控制方面能达到的精度比人工操作更高，不仅能节省人工开支，另一方面也能减少因为人员经常进出测量水流速度来的安全风险。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明的测杆的截面示意图汇总；

图3为明暗相间的波浪图像。

其中，

1-太阳能板、2-蓄电池、3-摄像头、4-尾部波纹区域、5-测杆、6-水、 7-泥沙。

具体实施方式

如图1所示，本种基于水面明暗波纹的河流流速测量装置，一根不规则的测杆5竖直放置，其底部***泥沙7中，与水面6垂直。在测杆5的顶部设置蓄电池2，蓄电池2处设置太阳能板1；测杆5的侧面设置侧板，侧板的下表面设置摄像头3。

所述测杆的横截面包括若干种，其能够使水面产生更加明显的水面波纹，它们均以正三角形为基础，或相邻两条边设有若干个等间距缺口；或相邻的两条边上设有等间距凸出；或相邻的两条边为构成抛物线；或相邻的两条边构成凹面线

本种基于水面明暗波纹的河流流速测量方法，

第一步，如图1所示，将设置好的测试杆放入河流当中；在该图中，水流流向从右向左，水流通过测杆，在测杆尾部形成明暗相间的水面波纹 4；

第二步，使用摄像头对测杆及其尾部明暗相间的波纹进行定位拍摄和抓取；

第三步，计算机统计分析拍摄的图像，主要针对明暗相间的波纹。

第四步，方法1计算机分析得出河流流过测杆尾部形成的明暗相间波纹的尾迹波长λ；

方法2调整摄像机自身的拍照频率f

第五步，使用计算公式(1)或者使用计算公式(2)获得河流流速。