本文關(guān)鍵詞：基于立體視覺與LSPIV的河流水動(dòng)力過(guò)程近距遙感測(cè)量系統(tǒng)

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【摘要】：對(duì)山區(qū)流域來(lái)講,洪水是汛期普遍發(fā)生的自然災(zāi)害,其現(xiàn)有的形成和演進(jìn)機(jī)制都是在理論和常規(guī)試驗(yàn)上獲知的,缺乏極端條件下的實(shí)測(cè)方法和數(shù)據(jù)。中小河流的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),特別是山區(qū)河流洪水事件的水位、流速和流量等核心水流信息的獲取,對(duì)于山洪的預(yù)測(cè)與防治均起著至關(guān)重要的作用,也是目前防洪減災(zāi)工作中的難點(diǎn),面臨著諸多挑戰(zhàn)需要克服。本研究旨在以立體視覺和大尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)(LSPIV)為支撐,研發(fā)一種安裝便捷、功耗低、性價(jià)比高、適用范圍廣的近距遙感測(cè)量系統(tǒng),目標(biāo)為解決原有設(shè)備無(wú)法勝任的水文測(cè)量,已成功應(yīng)用于我國(guó)四川都江堰市的無(wú)測(cè)站流域。該系統(tǒng)硬件部分由成熟商用元件搭建,自動(dòng)獲取連續(xù)的洪水影像,并結(jié)合軟件程序計(jì)算分析,對(duì)三維地形、實(shí)時(shí)水位、二維流場(chǎng)分布、斷面流量等進(jìn)行非接觸式測(cè)量。本研究可為山區(qū)流域暴雨洪水的動(dòng)力過(guò)程和災(zāi)害形成機(jī)理等研究給予實(shí)地?cái)?shù)據(jù)支持,為建立基于物理過(guò)程的山洪坡面流模型提供校驗(yàn)和率定標(biāo)準(zhǔn),也為將來(lái)擴(kuò)展到全流域洪水流速、流量的遙感測(cè)量建立重要的技術(shù)基礎(chǔ)。本研究主要工作和成果如下：(1)開展多學(xué)科交叉(水文、數(shù)字影像處理、測(cè)繪等),探究適用于偏遠(yuǎn)無(wú)測(cè)站山區(qū)的徑流特征測(cè)量的理論與方法,從系統(tǒng)軟硬件等多方面開展整合優(yōu)化工作,自主研發(fā)“基于立體視覺與LSPIV的河流水動(dòng)力過(guò)程近距遙感測(cè)量系統(tǒng)”,有效解決了偏遠(yuǎn)無(wú)測(cè)站山區(qū)難以進(jìn)行水文測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)基本屬于首次應(yīng)用,可極大彌補(bǔ)無(wú)測(cè)站地區(qū)的水文數(shù)據(jù)空白,有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值；(2)將雙目立體視覺應(yīng)用至靜態(tài)河道地形、動(dòng)態(tài)水位和水面形態(tài)的三維計(jì)算,可針對(duì)不同需求選取適宜算法。建議波浪或河流表面形態(tài)計(jì)算應(yīng)用點(diǎn)云法,對(duì)于特定斷面的計(jì)算則應(yīng)用虛擬高程迭代法。同時(shí),采用預(yù)校正圖像法進(jìn)行前期修正,不僅可解決因基線過(guò)長(zhǎng)造成的左右視角差異過(guò)大無(wú)法匹配的問(wèn)題,而且有效提高極線搜索匹配的效率和成功率；(3)將三維重建得到的實(shí)時(shí)水位和水面形態(tài)融入到LSPIV圖像正向校正這一步驟,突破了簡(jiǎn)化水面為二維水平面或傾斜平面的做法,建立更為精確的物理坐標(biāo)和圖像灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,提高表面二維流場(chǎng)的計(jì)算精度,并采用靈活的三角網(wǎng)格,適應(yīng)彎曲河道,避免大量無(wú)效節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算；(4)在LSPIV核心算法中加入魯棒的最小平方差(MQD)算法,進(jìn)行天然表面模式的追蹤匹配。對(duì)于表面連續(xù)形態(tài)、多背景噪聲、光線不均勻等現(xiàn)場(chǎng)條件,MQD的適應(yīng)能力更強(qiáng)。通過(guò)敏感性分析,認(rèn)為L(zhǎng)SPIV的計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精度與示蹤粒子分布、計(jì)算窗口尺寸以及時(shí)間間隔等影響因子間存在復(fù)合關(guān)系；(5)以龍溪河于2014年7月發(fā)生的一次小型洪水為例,驗(yàn)證了河流水動(dòng)力過(guò)程近距遙感測(cè)量的可行性。使用虛擬高程迭代法獲取斷面形態(tài),結(jié)合實(shí)時(shí)圖像資料確定實(shí)時(shí)水位,計(jì)算多斷面的流量、水深、弗勞德數(shù)、曼寧系數(shù)等。研究成果不僅充分證明了此系統(tǒng)具有可行性,且在硬件搭建和軟件開發(fā)方面積累了大量的技術(shù)儲(chǔ)備,為今后繼續(xù)更新完善提供了保障。使非接觸水文測(cè)量?jī)x器朝著更為自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,輔助各類水災(zāi)害預(yù)警工作和水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的開展。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P332;TV133

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