基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法

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.