基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法.pdf

第 37 卷 第 21 期 农 业 工 程 学 报 Vol.37 No.21 108 2021 年 11 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2021 基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法 1,3 1,2,3※ 1,2 1,2 2 2 张 艳 ，史海静 ，郭明航 ，赵 军 ，展小云 ，丁成琴 （1. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100 ； 2. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100 ； 3. 中国科学院大学，北京 100049 ） 摘 要：流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速，基于热红外成像技术、计算机视觉识 别技术，设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校 正、噪点去除、质心确定等手段，获取薄层水流的流速等参数，从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确 度和准确度高，可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为 0.020 m/s，观 测精度可达到 98.33%，观测的时间分辨率为 1/9 s，空间分辨率为2 mm 。为了验证该系统的准确度，以流量法为基准， 与传统示踪法（染料示踪法、盐示踪法）比较，结果表明，该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成 像观测系统的相对误差均在± 10%以内；染料示踪法的相对误差均大于 10%；盐示踪法 52%的相对误差在± 10%以内。利 用热红外成像系统获取的影像，可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯，也可以测量示踪剂沿水流方向 的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度，计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的 研究，对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。 关键词：流速；坡面；热红外成像观测系统；薄层水流；热红外标靶；精准度评价 doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.013 中图分类号：P335 ；S157 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2021)-21-0108-08 张艳，史海静，郭明航，等. 基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：108-115. doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.013 Zhang Yan, Shi Haijing, Guo Minghang, et al. Thermal infrared imaging measurement method for shallow flow velocity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 108-115. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.013 规则的渠道，是目前测量流速较为准确的方法之一，但 0 引 言 只能测量断面的平均流