基于水文应急监测的GNSS测流系统平台设计与应用

为提升水文应急监测技术能力,设计了一套集成Web端和手机APP端的水文应急GNSS测流系统平台。基于5G和GNSS高精度定位追踪技术,该系统平台实现了多流速球终端集群测量和多用户在线监测,并具备数据实时查看、轨迹回放查看、数据存储与下载功能,可对观测数据进行计算、分析和统计。试验结果表明：所设计的GNSS测流系统精度指标相对误差小于1%,APP界面简单易操作;各层级用户通过随身携带的手机等终端可随时查看、掌握监测情况,满足水文应急监测需求。     

高精度GPS实时变形监测系统应用研究

三差分量测算法是GPS测量技术中的一个新突破.介绍了一种采用三差分量测算法的高精度GPS测量系统,并通过精度验证试验和工程应用来验证该GPS测量系统实时测量精度、测量技术、测量数据传输和处理技术.试验和工程应用研究所取得的大量实测数据表明,采用三差分的GPS三维变形实时测量技术具备毫米级测量精度,测量简单,测量数据集中处理,监测效率高,具备远程数据采集、接收和传输功能;该高精度GPS测量系统是工程表面变形实时监测工作中的一种新技术,在工程表面变形监测中具有良好的应用前景.     

大范围、高帧频PLIF 浓度场测量系统的开发及应用

平面激光诱导荧光技术(Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF)是环境水力学领域研究污染物紊动扩散机理的重要手段。采用鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜组合扩展蓝色激光束、生成光强分布比较均匀的平行片光,通过高速摄像机采集高分辨率的荧光图像,据此开发了大范围、高帧频PLIF浓度场测量系统,解决了常规PLIF技术测量区域小、采样频率低、片光分布不均匀的问题。提出了适用于矩形平行片光特点的参数标定方法及浓度场还原算法,并初步用于恒定流条件下的垂直射流浓度场研究。结果显示,喷口附近(z-z)o/lm1范围内属动量作用近区,射流轴线最大高度为(z)max-zo/lm=2.3。与已有研究成果的对比表明,本系统测量的射流浓度场合理可信,验证了系统的可靠性。     

基于线状点云的水深测量精度快速评定方法研究

水下地形测量精度主要采用主测线与检查线的水深比对较差进行评定,但在实际应用时,现有的评定方法不能够准确、快速地进行分析统计,往往耗费大量的人力与时间,也无法合理地表达水深测量的精度。为了能够充分利用检查线数据快速准确地对水深测点进行精度评定,全面合理判定测深点的质量,进而反映水下地形测量的精度,研究提出了一种新方法。该方法融合了GIS空间分析技术,将水下地形测量的主测线以及检查线的水深数据离散为空间点云矢量数据,开发数据处理与检测程序,快速地进行水深测量精度评定。该方法在长江荆州河段水下地形测量中得到应用,显著提高了参与精度评定的有效测点数以及评定效率,更加合理、准确地表达了水深测量数据的质量。     

应用农业生产系统模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率I：模型参数的灵敏度分析与标定

以采集的北京市海淀区东北旺试验站大量的田间实测数据为基础,对农业生产系统模型（Agricultural Production Systems Simulator,APSIM）进行详细的参数灵敏度分析与标定,结果显示：标定模拟的土壤剖面体积含水量动态的精度较高,平均相对误差为13.41%;标定模拟的土壤剖面硝态氮浓度动态的精度较低,平均的相对误差为29.69%;标定模拟的冬小麦叶面积指数、生物量和产量的平均相对误差分别为36.49%、24.18%和32.31%;标定模拟的夏玉米叶面积指数、生物量和产量的平均相对误差分别为31.76%、35.84%和26.44%。以上标定模拟的精度就田间实际情况而言,总体是可以接受的。经过详细的参数标定后的APSIM模型将为深入探讨不同农田管理措施下水氮利用效率的长期变化提供可靠的定量分析手段。     

无资料或少资料区河流流量监测与定量反演

河流流量是流域水循环和水文计算的关键因素,受复杂地形、恶劣气候或经济、政治等因素的影响,无资料或少资料区水文站点的建设、维护和流量测量极为困难。为解决上述问题,将常见的河道过流断面概化为三角形断面和幂函数型断面两种形态,通过水力分析建立水面宽与流量函数关系的一般表达式,结合实时、高效、观测范围广和数据量大的遥测技术,提出了一种适用于无资料或少资料区的、水力学与遥感相耦合的径流反演方法,并基于模型实验和野外实测资料对提出的方法进行了校验。根据模型实验水面宽反演的56组流量,相对误差平均值为18.77%;其中,40组数据与实测流量的相对误差小于20%,占比为71.43%。根据野外实测水面宽反演的流量,相对误差平均值为20.71%;其中,64.66%的数据与实测流量的相对误差小于20%,86.03%的相对误差小于30%。本文提出的方法能够较为准确地反演河流流量,为无资料或少资料区径流的实时高效监测提供了一种解决方案。     

基于水位流速法的矩形渠道流量自动检测系统

为了提高检测精度,实现水位、流量测量的自动化,减少人力的投入,研制了流量自动检测系统。该系统以水位—流速法为基本测流原理,将水位、流速检测技术与机械传动机构结合起来。整个系统选用低功耗的16位单片机MSP430F149为控制单元,采集到的水位和流速信号经过其内部的算法可得出流量值;而且还能控制x-y直角坐标机械传动装置,可在整个矩形断面范围内自动改变流速测杆的位置,使渠道流量的测量工作自动化程度高。试验结果表明:使用该系统检测矩形断面流量具有准确性和适用性,测量结果与采用明渠超声波流量计测得的流量值相比,相对误差在±4%以内。     

基于多源遥感土壤湿度与模型数据同化的流域径流模拟

为提升径流模拟精度,以秦淮河流域为例,采用集合平均法将SMAP、SMOS、AMSR2卫星遥感土壤湿度融合并利用地形湿度指数进行空间降尺度处理,采用卡尔曼滤波算法和栅格新安江模型进行遥感融合土壤湿度同化。对2016—2018年秦淮河流域3个流量站记录的11场洪水进行模型数据同化的结果表明：日尺度率定期洪峰、径流深相对误差合格率均为71.43%,验证期洪峰、径流深相对误差合格率分别为66.67%和100%;经同化后,8场洪水径流深误差减小,平均误差降低29.01%;8场洪水确定性系数增大,范围在0.01～0.09之间,模拟精度最高可提升11.84%;同化多源遥感土壤湿度能有效改善土壤湿度估计的准确性,进而提升径流模拟精度。     

灰色—马尔科夫模型在南俄5水电站大坝变形预测中的应用研究

利用灰色—马尔科夫模型对南俄5水电站大坝变形进行预测分析研究,利用数据分组技术进一步提高了灰色—马尔科夫模型预测变形的精度。以南俄5水电站大坝表面水平位移观测值为样本,将大致能够拟合为指数函数曲线的数据分为一组,然后分别考虑不分组和分组两种情况预测其未来值。经过计算对比后发现合理的分组可以使预测值的相对误差缩小到11%以内,精度较之前有了明显的提高。由此表明,利用灰色—马尔科夫模型并结合适当的数据分组技术对大坝变形的预测有较好的效果。     

船舶吃水检测系统的数据处理研究

开发了一套仰扫式船舶吃水检测系统,采用超声波阵列扫描测距方法实现通航船舶三维动态吃水数据检测。系统安装在趸船上,受风浪和水流的影响,趸船的摆动将影响检测系统的稳定性,同时检测结构架在水下的挠度变化亦会影响系统的测量精度。为解决以上问题,采用动态压力补偿算法对系统数据进行实时补偿,采用中值滤波算法对数据中的随机噪声进行处理,通过最小二乘法对船舶吃水深度进行直线拟合,消除尾流噪声的影响,最终得到船舶吃水深度。采用模拟实验数据对系统进行测试,结果证明数据补偿算法快速有效。现场实船测试表明,系统检测精度满足要求。     

灌区闸门量水试验研究

为了解决灌区闸门量水公式适用环境苛刻，量水精度偏差大的问题，在量水试验研究中引入自动控制技术，经过负反馈系统调节闸门开度。本文通过大量的数据统计，进行人工智能流态分析，将平均淹没深度与误差建立联系，寻找不同系数下的误差修正方法，同时也依据当前环境状态进行调整，最终将测量误差控制在5%以内。与传统人工调节方法相比，人工智能的引入增强了量水试验的工程应用性，同时提高了水工建筑物量水的灵活性和适用范围。     

模型试验含沙量量测技术研究

含沙量是河工、港工物理模型试验主要测量要素之一,现有的模型试验含沙量测量仪具有测量范围窄、相对误差大、重复性低等缺点,制约着物理模型试验含沙量的测量范围和试验准确性。介绍了一种自主研制的无线实时含沙量测量仪,该测量仪采用光电测量原理,将光信号转换成电信号,实现含沙量的实时在线测量。通过分析光电法含沙量测量仪的基本原理、硬件系统设计,分别研究了含沙量与透射光强、散射光强、透射光功率之间的变化关系,提出采用透射光与90°散射光相结合方法测量含沙量。经多组试验研究获得含沙量算法及其实现方式,确保含沙量测量的相对误差小于5%。本研究采用不确定度分析方法,分析新研制的含沙量测量仪的可靠性,试验表明仪器的不确定度小于0.4。     

冰水情一体化双频雷达测量系统

针对单频雷达在冰厚和水深同时测量中的缺点,提出了以100 MHz和1500 MHz雷达为基础的冰水情一体化双频雷达测量系统,并通过RTK系统实时采集测点的经纬度坐标。该系统通过交替工作周期为15 ms的分时工作来避免不同频率雷达间的相互干扰,利用冰厚和水深综合探测时在时间上表现为相邻道号数据振幅稳定、渐变的特点,采用相关性层位追踪算法提高测量的准确性。在我国纬度最高的黑龙江漠河段,通过21个水深和19个冰厚测点与传统观测方法进行了对比验证,并通过原型观测应用支撑了黑龙江龙岛码头河段春季的防凌爆破。结果表明基于双频雷达的冰水情一体化系统可大幅提高冰水情野外原型观测的效率,为长河段的冰厚、水深测量提供新的手段。     

VSMS系统在潮滩水沙测量中的应用

介绍了同步多点观测潮滩水流悬沙浓度、流速和水深和的计算机测量系统（VSMS）的组成，现场测试表明，该测系统精度较高、性能良好。     

大赉水文站测速垂线精简测点的分析探讨

利用2007年大赉水文站总计30次用三点法实测流量资料,通过对流量、垂线平均流速两个方面分析得知,大赉水文站测速垂线精简测点后,采用相对水深0.2、0.8测点测流与采用相对水深0.2、0.6、0.8测点测流,两种方法计算的流量对比,总的系统误差为-0.36%。并对两种测流方法进行了单次流量随机不确定度验证,符合《河流流量测验规范》精度要求。其意义在于缩短测流历时,把流量测验的重点投入到增加测验次数上,满足大洪水时期,水位变幅大,测次不足的问题。尤其在主汛期可及早报出流量,为防汛抗洪服务。     

远程测控智能闸门灌区推广应用研究

在潦河灌区西潦北干五支渠安装了远程测控智能平板闸门装置,开展渠道自动量水监测试验,分析验证远程测控智能闸门装置的实际应用效果。结果表明：该技术能实现灌区明渠输配水的远程智能化控制、下泄水流量数据实时监测、统计,测流误差综合精度小于5%,测流精度和可靠度较好,该系统适用于灌区小型明渠输水控制,为灌区量水设施改造工作提供了有效手段。     

矩形断面明渠流速分布的研究及应用

通过对矩形断面明渠流速分布的理论分析与试验研究，建立了明渠沿垂线流速的分布公式和沿横向流速的乘幂函数分布公式以及相关系数的确定方法。经不同水槽、渠道流速资料的验证，表明提出的明渠流速分布律与实际分布特点一致，测点流速相对误差比较小，可以很好满足明渠流量测量的精度要求。在此基础上提出了对明渠渠道进行流速、流量连续测量的计算方法，对简化明渠测流工作量、提高明渠测流精度具有实际应用价值。     

基于简易PIV的圆柱绕流压力场重构

采用简易粒子成像测速仪(PIV)装置测量入口流速为14.3 cm/s时圆柱绕流的速度场,运用有限容积法和直接积分法重构压力场。对比Fluent模拟速度场结果,分析简易PIV的速度场测量误差;对比Fluent模拟压力场结果,分析基于Fluent模拟速度场以及PIV实测速度场的不同算法重构压力场误差。结果表明:在简易PIV系统中,摄像机采用适合的空间分辨率与时间分辨率能有效减小速度场测量误差。基于Fluent模拟速度场数据,当给定第一边界条件时,有限容积法的压力场重构误差小于直接积分法,均方根误差分别为1.73%,8.99%;基于PIV实测速度场,有限容积法的压力场重构误差大于直接积分法,均方根误差分别为26.58%,12.72%;降低速度场误差与获取准确的边界条件均能有效提高压力场重构精度。通过采用低成本的PIV装置,探究获取流体的瞬态压力场重构方法,降低了PIV中重构压力场的成本。     

基于PTD和改进曲面拟合的高山区水电工程机载激光雷达点云滤波方法

针对高山区水电工程区域地形起伏大、植被茂密且存在部分建筑物,在提取这些区域地形时机载LiDAR点云滤波方法存在精度不高的问题,提出了一种综合点云回波特性、渐进三角网加密(PTD)算法、改进的曲面拟合算法和地面点精细化处理的山地点云滤波方法。该方法在对机载激光雷达(LiDAR)点云数据去噪的基础上,先利用植被点云的回波特性去除部分植被点,再使用PTD算法进行两次迭代计算获取部分地面点集合,然后将得到的部分地面点集合作为改进的曲面拟合算法的种子点进行格网区域化的曲面拟合来获取原始点云数据中的地面点,最后通过点云的精细化处理去除地面点中夹杂的低矮植被点,以此获得最终的地面点集合。选取DJI-M600搭载HS-600的机载LiDAR测量系统实测数据进行试验,并将提出的滤波方法与PTD算法、曲面拟合滤波算法、区域生长滤波算法和形态学滤波算法进行横向对比,通过点云误分率对滤波方法进行评价。结果表明,与其他4种方法相比,基于PTD和改进曲面拟合的滤波算法的第Ⅰ类误差、第Ⅱ类误差和总误差的最大减小幅度分别为6.25%、1.82%和2.93%,更适用于高山区水电工程机载LiDAR点云数据的滤波处理。     

宁夏引黄灌区斗渠量测水设备比测试验研究

考虑稳定性、准确性、泥沙含量和气温变化等因素综合作用对量测水设备可靠性的影响,建立量测水设备比测综合评价指标体系。在宁夏引黄灌区唐徕渠斗渠建立试验点,分别在夏秋灌和冬灌两个行水期对5类设备进行比测评价。结果表明:灌溉期泥沙对新安装量测水设备的精度影响不大,气温变化不足以影响设备精度;单纯基于超声波原理的设备不适宜在泥沙含量较大的渠道应用;基于电磁法和超声波原理的智能化明渠流量测量系统测流的准确性较高,但稳定性不足;非接触式明渠雷达流量计可靠性最优,其低水位时流量误差综合不确定度为8. 87%(受极端水位影响),中水位时为2. 87%,高水位时为4. 68%。研究可为引黄灌区不同流量级别渠道上量测水设备比测和选用提供借鉴。