[发明专利]一种坡面水文试验流量场观测系统及方法

权利要求书

1.一种坡面水文试验流量场观测系统，其特征在于，所述系统包括：坡面搭建系统、人工降雨系统、示踪液投放系统、数字地形采集处理系统、以及地理信息处理系统；

所述坡面搭建系统搭建试验所观测的坡面模型；所述人工降雨系统用于在指定的所述坡面模型上进行降雨；

所述示踪液投放系统用于在指定所述坡面模型上投放示踪液；

所述数字地形采集处理系统包括相机阵列和同步器；所述相机阵列排布在所述坡面模型上方，用于在试验过程中拍摄所述坡面模型的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影测量原理和倾斜摄影测量原理对所述地形图像进行分析，生成所述坡面模型的数字高程模型；其中，每个数字高程模型对应一个时间点；

所述地理信息处理系统对各所述数字高程模型进行分析计算，生成各数字高程模型对应的第一参数组；确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；对所述相机阵列同步拍摄的地形图像进行分析，计算出指定坡面模型位置的坡面流速场；针对每个栅格，依据水流深度以及坡面流速场计算得到单宽流量场；

其中，所述第一参数组包括：坡度、坡面曲率以及汇流累计数；所述第二参数组包括：降雨强度、坡面糙率以及坡面稳定入渗率；

所述地理信息处理系统通过以下公式对各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出所述数字高程模型中每个栅格的坡面水流深度数据进行计算：

h＝β*I^a*n^b*Acc^c/(k^d*SS^e)；

其中，h为坡面水流深度，I为降雨强度，n为坡面糙率，Acc为汇流累计数，k为坡面稳定入渗率，SS为地表剖面曲率，β为系数，a、b、c、d、e为参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述示踪液投放系统包括：蠕动泵和蠕动泵控制器，所述蠕动泵控制器控制所述蠕动泵在所述坡面模型上，将示踪液投放至指定位置处；所述地理信息处理系统还包括：校准标识；所述校准标识用于图像校准。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地理信息处理系统包括：识别模块、数据获取模块以及计算模块；

所述识别模块分别识别各所述地形图像中的示踪液位置；针对各地形图像，将所述地形图像与对应的所述数字高程模型进行精确配准，并建立二者之间的对应关系；依据各地形图像的排序以及各地形图像中示踪液的位置确定所述示踪液指示的水流位置与时间的关系；

所述数据获取模块分别各所述数字高程模型进行分析，获取所述坡面模型的各栅格对应的第一参数组，所述数据获取模块依据降雨强度、所述坡面模型的物质组成、土壤质地确定所述坡面模型中各栅格对应的第二参数组；

所述计算模块依据所述示踪液指示的水流位置与时间的关系，计算水流方向；提取各所述数字高程模型中示踪液终点处的坡度信息，依据各坡度信息计算水流流速；依据所述水流方向以及所述水流流速输出水流的坡面流速场；依据各数字高程模型对应的所述第一参数组以及所述第二参数组计算出每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据；依据所述坡面流速场以及每个时间点、每个栅格的坡面水流深度数据计算所述坡面模型的坡面模型的各流量场数据。