运动恢复结构多视角立体重构在河工模型地形测量中的应用

动床地形的准确、快速测量对于河工模型试验具有重要意义。采用运动恢复结构三维地形重建(SfM-MVS)方法对某河工模型动床地形进行测量,并与传统测针地形测量法进行对比。结果表明,SfM法可以成功获取大面积动床冲淤地形,但所测高程与测针法之间存在系统偏差;这种偏差可利用测针法结果进行修正,使测量结果达到或接近河工模型试验规程所规定的精度要求。SfM法对于地形变化较平缓区域偏差较小,地形变化剧烈区域偏差较大,且难以通过系统修正得以改善。在实际地形测量中建议采用SfM法与传统测针法相结合,测针法可重点对床面变化较为剧烈处开展测量,弥补SfM法对局部地形测量存在的不足。     

河工模型试验量测新技术的开发及应用

量测技术水平是决定河工模型试验成果质量的关键因素之一。为此,介绍了近期在河工模型断面板制作、河势与流场观测、动床地形三维测量方面的研发成果,包括:提出了基于文本编辑的自动断面板脚本绘制方法,同时结合激光切割机的应用,解决了人工绘制断面板费时费力、数控雕刻机成本高和一般科研人员难以使用等问题;将无人机航拍技术应用于实验室河工模型试验流态、河势和流场观测,与常规固定式摄像机相结合,为试验成果的进一步分析提供了独特视角和丰富、可靠的参考信息;将运动结构恢复三维地形重建技术应用于河工模型冲淤地形测量中,并结合河工模型试验冲淤地形的特点提出具体应用方法。     

明渠弯道三维冲淤数值模拟

文章建立了基于非结构化网格的三维非静压有限体积地形冲淤模型,模型能够准确地模拟弯道二次流及其对河床切应力的影响,同时也考虑了横向底坡对输沙方向的影响,推移质输沙采用Engelund-Hansen全沙公式,将模型应用于140°明渠弯道冲淤试验,分别选取弯道纵向和横向地形冲淤测量值与计算值进行对比,结果显示模型能够模拟弯道主要的冲淤特征,具有较高的模拟精度,能进一步用于实际弯曲河道的地形冲淤计算。     

多沙河流河工动床模型"人工转折设计方法"研究

基于能量守衡原理和水动力学的方法 ,探讨了多沙河流河工动床模型人工转折设计原理、原则和方法 ,并给出了黄河下游河道河工动床模型的设计实例。通过设计率定试验表明 ,所提出的河工动床模型人工转折设计方法 ,能够保证模型河道转折前后的水流水力规律及河床冲淤变形的一致性     

Y型交汇河段河工模型验证方法研究

本文对白石水库库区内大凌河与亡牛牛河Y型交汇河段河工模型进行试验研究,其目的是验证Y型交汇河段河工模型是否满足试验规程要求。根据定床河工模型应满足的相似比尺要求,结合牛亡牛河的特点,采用数学模型与物理模型对亡牛牛河与大凌河交汇河段河工模型进行设计研究及模型验证。验证结果表明,精度满足规程要求,含沙量比尺、河床冲淤变形时间比尺选取合适。     

三维激光扫描技术在库区冲淤试验中的应用

三维激光扫描技术能快速、大面积地获取被扫描物体表面的三维点云数据,具有高效率、高精度的独特优势。借助某工程模型试验,将该技术应用于模型库区泥沙冲淤形态的测量,克服了常规地形测量方式的局限性,在保证测量精度的同时节省了时间和人力。同时,结合后处理软件,实现了等高线绘制、冲淤形态对比和排沙量计算等试验数据分析及成果展示。     

基于断面地形法和网格地形法的河道冲淤计算分析

河道的冲淤量及其分布是相关工程规划设计和防洪决策的基本依据,在生产实践中,冲淤计算一般是采用断面地形法。随着GIS技术的发展,三维表面的建模和表面分析已逐渐成熟,为推广网格地形法计算河槽冲淤量创造了条件。该文通过对比断面地形法、网格地形法两种方法计算的河道冲淤量,分析其误差来源及解决方法,评估其方法的适宜性和可靠性,得出GIS支持下的网格地形法计算河道冲淤可视化强,提高了效率和精度。     

基于多源数据融合的河道冲淤监测技术

开展河道陆上和水下地形测量时,单一的测量方法和孤岛数据已经满足不了河道数字化发展。提出了基于多无人智能系统协同采集河道数据,融合构建三维模型,计算分析冲淤量的监测技术方案,并开展了荆州长江大桥冲淤监测项目和公安河弯段河道地形观测项目试验。结果表明：该技术方案精度能够满足大比例尺河道冲淤监测项目要求,构建的三维模型能提升监测数据整体质量;三维模型平面精度高,在陆上三维模型高程精度方面,低密度植被覆盖的区域有94.2%的点误差在0.25 m以内,高密度植被覆盖的区域有82.91%的点误差在0.25 m以内;项目监测效率整体提升20%以上。该技术方案与传统作业方式相比,数据产品形式更加丰富,监测质量和效率明显提高,在大部分河道测区具有较高的可行性。     

三维地形自动测量分析系统的开发及应用

针对当前已有动床模型试验的地形自动测量模式,提出了基于超声测距技术的具有更高精确度、更高自动化程度以及采集效率的三维地形自动测量分析系统。系统采用以激光器为主的测距组件实现行走定位,提高了测车和测桥的定位精度。采用齿带传动结构代替钢索牵引方案实现测车横向行走,较大地提升了测车的定位能力;采用轴传动结构实现测桥自动纵向行走,提高测桥的定位能力。采用双探头采集模式,整体上大幅度提高了数据采集效率。系统提供了地形数据的自动测量功能,降低了人员劳动强度,提供了测车和测桥行走的控制功能,方便用户自定义操作;提供了测量断面的显示和对比,三维地形的显示、等高线的绘制、冲淤量的计算等地形数据分析处理功能。系统激光测距组件的测量范围为0.2～50 m,定位精度可达±3 mm;横向和纵向行走功能的速度范围在1～150 mm/s之间;超声测距组件的测量范围为0.05～1 m,在模型沙分别选取天然沙、塑料砂、木屑和煤粉的情况下,测量精度均可达±1 mm;横向测量点距最小可达10 mm。本系统已成功应用于中国石油集团工程技术研究院的海工结构物冲刷试验系统等物理模型试验的地形测量中,并取得了良好的效果。     

某市区河段泥沙物理模型试验的设计与验证

本文对某城区河段的泥沙物理模型试验进行了设计和验证.利用动床变态模型,根据河床质泥沙和悬移质来沙的特点,采用不同容重模型沙对其进行了模拟.依据不同年份实测河道冲淤断面资料及水沙(汛期、非汛期)资料进行了模型河床冲淤地形验证.     

数值地形图的生成及其水文地貌特征评价

数值地形图(DEM)是利用地理信息系统(GIS)进行流域水文模拟的基础, 其精度直接影响模拟结果在没有现成的数值地形图时, 应用人员往往利用传统的地形图来生成它. 本文分别采用Arc/Info地理信息系统软件提供的哈奇逊法和不规则三角网五次插值法, 对一个实验流域的高程取样点进行插值, 生成了4种不同的数值地形图, 从凹洼分布、流域界定、河网提取、地面坡度和地形指数、以及地面径流汇成等方面, 对它们的水文地貌精度进行了比较. 结果表明, 两种方法都能生成由高程点群所反映的地形, 然而由于哈奇逊法能够结合流域的河网结构及其具有物理基础的水文地貌加强法来处理凹洼问题, 因此大大地提高了其所生成的流域数值地形图水文地貌特征精度.     

基于不同分辨率DEM提取坡度值的转换关系研究

基于DEM提取计算单元坡度是分布式水文模型构建的重要手段之一,通过研究不同分辨率DEM对WEP-L模型计算单元坡度的影响及其转换关系,为模型计算中坡度与其他运算量之间非线性关系带来的计算精度与计算效率之间的矛盾提供解决方案。以NASA发布的30 m分辨率DEM数据为基础,以不同尺度流域(南小河沟流域,面积36.3 km~2;泾河流域,面积4.5万km~2)为研究对象,利用分形结合半方差函数的方法分析低分辨率DEM提取的计算单元坡度向高分辨率DEM提取的坡度信息转换的规律。研究发现以30 m分辨率DEM为基础提取的子流域套等高带结构能够很好地反映南小河沟流域地形"坡度等高分布"的特点;利用分形结合半方差函数的形式能够有效地实现基于低分辨率DEM提取的流域基本计算单元坡度向"真实"地形坡度值转换。根据模型计算需求,给出了不同分辨率DEM数据提取坡度值的转换关系。本研究可为分布式水文模型搭建面临的计算精度与计算效率矛盾问题提供借鉴和参考。     

CREATING AND EVALUATING DIGITAL ELEVATION MODEL‐BASED STREAM‐POWER MAP AS A STREAM ASSESSMENT TOOL

As urban development increases, a need is emerging to understand and predict river behaviour in order to focus rehabilitation efforts and protect the natural river system while preserving urban infrastructure. Stream assessment methods are reviewed to demonstrate the need for a physically based and objective method that is also accessible in terms of time, data requirements and expertise. The case of Highland Creek near Toronto, Canada, is used to demonstrate a new type of initial stream assessment method that is based on the concept of stream power and performed entirely in a geographic information system using information from a digital elevation model (DEM). The results from this analysis are tested against existing information for Highland Creek. This includes a hydraulic model (Hydraulic Engineering Center's ‘River Analysis System’), field‐measured slopes, air photos and the geomorphic effects of an extreme flood. In addition, the results are presented in map form to demonstrate the effectiveness of visualizing the stream‐power distribution over the entire basin and also the usefulness of overlaying stream power onto other available information. The slopes extracted from the DEM are found to be statistically similar to those from a one‐dimensional hydraulic model and field‐measured slopes. Individual peaks in slope as well as locations of stream‐power maxima and minima are found to correlate to actual channel features as seen in air photos. The extreme flood event of August 2005 caused a dramatic change in channel form at the exact location of maximum energy predicted by the DEM‐based stream‐power analysis. The case of Highland Creek illustrates how this approach yields a useful outcome for understanding stream dynamics and stability as part of a stream assessment process. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

复杂下垫面城市暴雨内涝汇水区划分方法研究

汇水区(catchment)是径流控制的结构单元,也是水文模型中重要的输入数据。在城市地区,由于复杂的下垫面特征,使用传统的汇水区划分方法得到的结果和现实情况差异较大。在已有的汇水区划分方法基础上,结合城市地区实际径流特点,提出了新的汇水区划分方法。首先,将影响地表汇流路径的不同地物高程信息融入到DEM中;然后,对概化后的排水管网进行缓冲区分析并修正对应范围内的DEM数据,进一步优化DEM;再次,结合研究区范围确定合适的DEM空间分辨率,保证子汇水区划分的合理性;最终,根据精细化的DEM数据,利用D8算法划分子汇水区。以海宁地区为研究区,并将新方法与3种传统方法进行对比。结果表明:细化后的DEM能够更加真实地反映地表高程,汇水区划分结果可以准确刻画地表径流过程,提高了汇水区划分的合理性。     

泄水建筑物下游冲刷坑二维数值模拟

对巨亭水电站泄水建筑物下游局部冲刷过程进行了二维数值模拟。采用RNG k-ε湍流模型封闭N-S方程、有限体积法在计算网格上离散求解、VOF方法追踪自由水面;采用C语言编写用户自定义函数,以泥沙起动切应力作为床面泥沙起动判别标准,通过分析比较水流剪切力与泥沙起动切应力大小,用以控制冲刷坑底部边界变化;采用局部重构模型和弹簧光顺模型更新计算区域和网格质量,藉以模拟和追踪局部冲刷坑边界变化。研究表明,模拟结果与实测资料符合良好。在冲刷坑的冲刷过程中,床面剪切应力随着冲刷的进程急剧减小,湍动能随着冲刷的进程减小缓慢;床面剪切应力和湍动能沿程变化均较为剧烈,床面剪切应力沿程先增大后减小,床面湍动能则沿程减小。冲刷坑的纵向平衡形态或床面泥沙起动主要决定于床面剪切应力,床面湍动能对泥沙起动也具有重要影响。     

基于概率神经网络的河床床面形态预测模型

判定冲积河流床面形态的经验与图形分析方法较多,但一般只使用水流和泥沙参数中的2个参数,其判别效果不甚理想.为克服传统分析方法的局限性,在分析冲积河流床面形态影响因子的基础上,建立了非线性映射能力强的概率神经网络床面形态预测模型.实例分析表明,该模型能反映冲积河流复杂因素及其变化对床面形态的影响,较好地实现输入与输出的非线性映射,其预测效果较好,为床面形态的预测提供了一种新的方法.     

Evaluating performance dependency of a geomorphologic instantaneous unit hydrograph-based hydrological model on DEM resolution

The digital elevation model (DEM) is a type of model that has been widely used in terrain analysis and hydrological modeling. DEM resolution influences the hydrological and geomorphologic features of delineated catchments and consequently affects hydrological simulations. This study investigated the impacts of DEM resolution on the performance of the XAJ-GIUH hydrological model, a model coupling the widely used Xinanjiang (XAJ) hydrological model with the geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH), in flood simulations in small and medium-sized catchments. To test the model performance, the model parameters were calibrated at a fine DEM resolution (30 m) and then directly transferred to the simulation runs using coarser DEMs. Afterwards, model recalibration was conducted at coarser DEM resolutions. In the simulation runs with the model parameters calibrated at the 30-m resolution, the DEM resolution slightly affected the overall shape of the simulated flood hydrographs but presented a greater impact on the simulated peak discharges in the two study catchments. The XAJ-GIUH model consistently underestimated the peak discharges when the DEM resolution became coarser. The qualified ratio of peak simulations decreased by 35% when the DEM resolution changed from 30 m to 600 m. However, model recalibration produced comparable model performances when DEMs with different resolutions were used. This study showed that the impact of DEM resolution on model performance can be mitigated by model recalibration to some extent, if the DEM resolution is not too coarse.     

三峡水库DEM制作技术线路与方法

 为了保存一套高精度库底地形资料,以三峡水库2002年1∶20 000黑白航空影像资料作为信息源,运用全球卫星定位系统（GPS）进行航测外业控制测量,运用数字摄影测量工作站进行内业数字高程模型（DEM）采集、编辑,制作了三峡水库蓄水前枯水位以上、200 m高程以下1∶5 000精度的DEM,主要介绍了制作技术线路与方法。     

不同分辨率 DEM 提取三峡库区地形参数的精度研究

数字高程模型（ Digital Elevation Model , DEM ）能表达地形形态的起伏变化,从中提取的地形参数,可为径流预报提供一定的基础数据。但 DEM 数据是按照一定的分辨率对地表进行近似描述的,多种分辨率 DEM 数据的存在导致了尺度问题的产生。通过提取三峡库区内虾子岭小流域不同分辨率 DEM 的地形参数,分析了不同分辨率 DEM 对坡度和汇流网络精度的影响。研究结果表明：DEM 分辨率对坡度和汇流网络有较大影响,坡度和汇流网络的准确性和 DEM 的空间分辨率密切相关;1m DEM 能够准确反映当地的地形,从中提取的坡度与汇流网络接近于实际值,从 5m DEM 提取的坡度和汇流网络也能较为准确地反映实际值,而10m DEM 、25m DEM和 50m DEM 则不能准确地反映坡度和汇流网络。因此,在进行较为精确的径流预报时,建议采用至少 5m DEM 。在进行粗略估计或较大尺度的径流预报时,可采用 10m DEM 、 25m DEM 和 50m DEM 。     

排海工程等截面扩散器防淤改进措施研究

排海工程等截面扩散器在排放未经处理的污水时，会形成沿程递增的淤床，污水排放量较小时，淤床高度会影响上升管的正常出流。结合嘉兴市排海工程，通过河工模型试验，对减少扩散器泥沙淤积的措施进行了研究。认为，扩散器尾部改进型式能起到一定的降低尾部淤床高度的作用，能够改善上升管出流条件：定期冲洗有助于防止泥沙严重淤积；扩散器上升管喷口数分布不等明显降低尾部淤床高度，改善尾部上升管出流条件。