一种河流测流侧扫雷达流量反演方法及系统与流程

1.本发明属于水文监测技术领域，尤其涉及一种河流测流侧扫雷达流量反演方法及系统。


背景技术：

2.河流流量作为最重要的水文资料，一直以来都是水文工作者最关心也是最难以掌握的水文信息之一。流量是一个无法直接通过仪器测量的量，往往需要利用测速仪器测量流体流速进而计算得到。至今为止，国内外应用最广泛的流量计算方法当属流速面积法。流速面积法要求在河道上选取一个断面，然后在断面上测量单点或者多点流速，最后通过流速与面积相乘得到流量。因此，河流流量监测必须完成两个重要的工作，一是断面流速测量，二是流速流量反演。
3.河流流量是一个无法直接用仪器测量的量，所以往往用河宽、水深、水位、流速等其他水文要素来反演。因此流量反演是河流流量监测中一个极其重要的点。现有的河流流量反演算法大体上可以分为两类：一类是利用河宽、水深或水位等而不利用流速进行反演。另一类是利用水流中的相关流速进行反演。
4.在侧扫雷达探测径向流的反演技术中，对于矢量流的合成普遍采用两类：1、通过单个雷达求解矢量流速及流向；2、通过两个雷达的径向流进行矢量合成。
5.对于通过两个雷达的径向流进行矢量合成，现有技术中，具有以下缺陷：参与矢量合成的径向流未进行质量标记，容易将质量差的径向流引入，增大误差；合成矢量流未进行矢量标记，致使无法删除低质量合成矢量流，使得获取的流量数据可信度较低，雷达流量探测精度低；由于只对两个雷达的径向流进行矢量合成，无法在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，如果其中一个雷达无法正常工作，会导致无法合成矢量流，使得雷达网流量探测稳定性低。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的在于提供一种河流测流侧扫雷达流量反演方法及系统，旨在解决背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种河流测流侧扫雷达流量反演方法，所述方法具体包括以下步骤：利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。
8.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速具体包括以下步骤：获取侧扫雷达测量的表面流场；从所述表面流场中，提取断面表面流速。
9.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法，反演计算河流流量具体包括以下步骤：从所述断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速；对多个所述指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速；根据所述最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模并选择最优指标流速法模型；利用所述最优指标流速法模型，反演计算河流流量。
10.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述按照所述断面表面流速，基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量具体包括以下步骤：按照所述断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速；利用所述表面指标流速，反演深层流速分布；使用流速面积法计算河流流量。
11.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述流速面积法的计算公式为：其中，β1，βn为岸边的垂线平均流速系数，vi为第i条垂线上的垂线平均流速，di为第i条垂线处的水深，bi为从岸边的起始点到第i条垂线的距离，b为河宽，q为河流流量。
12.一种河流测流侧扫雷达流量反演系统，所述系统包括表面流速提取单元和河流流量计算单元，其中：表面流速提取单元，用于利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；河流流量计算单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。
13.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述表面流速提取单元具体包括：表面流场获取模块，用于获取侧扫雷达测量的表面流场；表面流速提取模块，用于从所述表面流场中，提取断面表面流速。
14.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述河流流量计算单元具体包括：第一流量计算子单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法，反演计算河流流量；第二流量计算子单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。
15.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述第一流量计算子单元具体包括：指标流速获取模块，用于从所述断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速；最佳流速选择模块，用于对多个所述指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速；速法建模选择模块，用于根据所述最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模并选择最优指标流速法模型；第一流量计算模块，用于利用所述最优指标流速法模型，反演计算河流流量。
16.作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述第二流量计算子单元具体包括：按照所述断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及
断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速；利用所述表面指标流速，反演深层流速分布；使用流速面积法计算河流流量。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实施例通过利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；按照断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。能够避免质量差的径向流引入，减小误差；能够删除低质量合成矢量流，提高获取的流量数据的可信度，且雷达流量探测精度高；能够在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，即使其中一个雷达无法正常工作，仍然能够保证合成矢量流，使得雷达网流量探测稳定性高。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
19.图1示出了本发明实施例提供的方法的流程图。
20.图2示出了本发明实施例提供的系统的应用架构图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.可以理解的是，对于通过两个雷达的径向流进行矢量合成，现有技术中，具有以下缺陷：参与矢量合成的径向流未进行质量标记，容易将质量差的径向流引入，增大误差；合成矢量流未进行矢量标记，致使无法删除低质量合成矢量流，使得获取的流量数据可信度较低，雷达流量探测精度低；由于只对两个雷达的径向流进行矢量合成，无法在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，如果其中一个雷达无法正常工作，会导致无法合成矢量流，使得雷达网流量探测稳定性低。
23.为解决上述问题，本发明实施例通过利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；按照断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。能够避免质量差的径向流引入，减小误差；能够删除低质量合成矢量流，提高获取的流量数据的可信度，且雷达流量探测精度高；能够在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，即使其中一个雷达无法正常工作，仍然能够保证合成矢量流，使得雷达网流量探测稳定性高。
24.图1示出了本发明实施例提供的方法的流程图。
25.具体的，一种河流测流侧扫雷达流量反演方法，所述方法具体包括以下步骤：步骤s100，利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速。
26.在本发明实施例中，单站侧扫雷达系统只能获得河流表面径向流场，双站侧扫雷达可以利用两个站的径向流场合成矢量流场，根据流速面积法的原理，需要得到断面上的
流速，因此，可以通过获取侧扫雷达测量的表面流场，从表面流场中，提取断面表面流速。
27.步骤s200，按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。
28.在本发明实施例中，计算河流流量可以使用两种方法：方法1（基于断面流的指标流速法）、从断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速，再通过对多个指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速，根据最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模，并从中选择最优指标流速法模型，进而利用最优指标流速法模型，反演计算河流流量；方法2（基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型）、按照断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速，进而利用表面指标流速，反演深层流速分布，使用流速面积法计算河流流量，具体的，流速面积法的计算公式为：其中，β1，βn为岸边的垂线平均流速系数，vi为第i条垂线上的垂线平均流速，di为第i条垂线处的水深，bi为从岸边的起始点到第i条垂线的距离，b为河宽，q为河流流量。
29.可以理解的是，利用流速以及其它水文要素反演流量，不管是水位-流量关系曲线，还是曼宁公式，算法中都不涉及流速，这两种方法在简单的流况中可以得到较好的应用，甚至极其便利，然而，对于流动的河流，流速是一个极其重要的水文参数，所以，流量反演算法中引入流速是极其必要的，这种引入流速反演流量的方法可以称作流速流量反演算法。针对河流流速反演流量，最具有代表性也是应用最广的是流速面积法，流速面积法要求在河道上选取一个断面，获取流量的方法有两种，其一是通过测量断面上一个点的流速或者局部平均流速来计算断面平均流速，再通过断面平均流速与断面面积相乘得到河流流量；其二是通过测量断面上多个点的流速或者计算断面流速分布然后分别计算局部流量最后积分得到河流总流量。
30.进一步的，图2示出了本发明实施例提供的系统的应用架构图。
31.其中，在本发明提供的又一个优选实施方式中，一种河流测流侧扫雷达流量反演系统，所述系统包括表面流速提取单元和河流流量计算单元，其中：表面流速提取单元100，用于利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速。
32.在本发明实施例中，单站侧扫雷达系统只能获得河流表面径向流场，双站侧扫雷达可以利用两个站的径向流场合成矢量流场，根据流速面积法的原理，需要得到断面上的流速，因此，表面流速提取单元100通过获取侧扫雷达测量的表面流场，从表面流场中，提取断面表面流速。
33.具体的，在本发明提供的优选实施方式中，所述表面流速提取单元具体包括：表面流场获取模块，用于获取侧扫雷达测量的表面流场；表面流速提取模块，用于从所述表面流场中，提取断面表面流速。
34.河流流量计算单元200，用于按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。
35.具体的，在本发明提供的优选实施方式中，所述河流流量计算单元具体包括：
第一流量计算子单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法，反演计算河流流量。
36.在本发明实施例中，第一流量计算子单元从断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速，再通过对多个指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速，根据最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模，并从中选择最优指标流速法模型，进而利用最优指标流速法模型，反演计算河流流量。
37.第二流量计算子单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。
38.在本发明实施例中，第二流量计算子单元按照断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速，进而利用表面指标流速，反演深层流速分布，使用流速面积法计算河流流量，具体的，流速面积法的计算公式为：其中，β1，βn为岸边的垂线平均流速系数，vi为第i条垂线上的垂线平均流速，di为第i条垂线处的水深，bi为从岸边的起始点到第i条垂线的距离，b为河宽，q为河流流量具体的，所述第一流量计算子单元具体包括：指标流速获取模块，用于从所述断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速；最佳流速选择模块，用于对多个所述指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速；速法建模选择模块，用于根据所述最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模并选择最优指标流速法模型；第一流量计算模块，用于利用所述最优指标流速法模型，反演计算河流流量。
39.具体的，所述第二流量计算子单元具体包括：按照所述断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速；利用所述表面指标流速，反演深层流速分布；使用流速面积法计算河流流量。
40.应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
41.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（rom）、可编程rom（prom）、电可编
程rom（eprom）、电可擦除可编程rom（eeprom）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（ram）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram（sram）、动态ram（dram）、同步dram（sdram）、双数据率sdram（ddrsdram）、增强型sdram（esdram）、同步链路（synchlink） dram（sldram）、存储器总线（rambus）直接ram（rdram）、直接存储器总线动态ram（drdram）、以及存储器总线动态ram（rdram）等。
42.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
43.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种河流测流侧扫雷达流量反演方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。2.根据权利要求1所述的河流测流侧扫雷达流量反演方法，其特征在于，所述利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速具体包括以下步骤：获取侧扫雷达测量的表面流场；从所述表面流场中，提取断面表面流速。3.根据权利要求1所述的河流测流侧扫雷达流量反演方法，其特征在于，所述按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法，反演计算河流流量具体包括以下步骤：从所述断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速；对多个所述指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速；根据所述最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模并选择最优指标流速法模型；利用所述最优指标流速法模型，反演计算河流流量。4.根据权利要求1所述的河流测流侧扫雷达流量反演方法，其特征在于，所述按照所述断面表面流速，基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量具体包括以下步骤：按照所述断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速；利用所述表面指标流速，反演深层流速分布；使用流速面积法计算河流流量。5.根据权利要求4所述的河流测流侧扫雷达流量反演方法，其特征在于，所述流速面积法的计算公式为：其中，β1，β
n
为岸边的垂线平均流速系数，v
i
为第i条垂线上的垂线平均流速，d
i
为第i条垂线处的水深，b
i
为从岸边的起始点到第i条垂线的距离，b为河宽，q为河流流量。6.一种河流测流侧扫雷达流量反演系统，其特征在于，所述系统包括表面流速提取单元和河流流量计算单元，其中：表面流速提取单元，用于利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；河流流量计算单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。7.根据权利要求6所述的河流测流侧扫雷达流量反演系统，其特征在于，所述表面流速提取单元具体包括：表面流场获取模块，用于获取侧扫雷达测量的表面流场；表面流速提取模块，用于从所述表面流场中，提取断面表面流速。8.根据权利要求6所述的河流测流侧扫雷达流量反演系统，其特征在于，所述河流流量计算单元具体包括：
第一流量计算子单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面流的指标流速法，反演计算河流流量；第二流量计算子单元，用于按照所述断面表面流速，基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。9.根据权利要求8所述的河流测流侧扫雷达流量反演系统，其特征在于，所述第一流量计算子单元具体包括：指标流速获取模块，用于从所述断面表面流速中，获取每一个流速点的指标流速；最佳流速选择模块，用于对多个所述指标流速进行数据分析，选择最佳指标流速；速法建模选择模块，用于根据所述最佳指标流速，进行多种指标流速法公式建模并选择最优指标流速法模型；第一流量计算模块，用于利用所述最优指标流速法模型，反演计算河流流量。10.根据权利要求8所述的河流测流侧扫雷达流量反演系统，其特征在于，所述第二流量计算子单元具体包括：按照所述断面表面流速，以断面各个位置上的表面流速、断面表面最大流速以及断面表面中间区域的平均流速分别作为表面指标流速；利用所述表面指标流速，反演深层流速分布；使用流速面积法计算河流流量。

技术总结
本发明涉及水文监测技术领域，具体公开了一种河流测流侧扫雷达流量反演方法及系统，技术方案包括利用侧扫雷达流场，提取断面表面流速；按照断面表面流速，基于断面流的指标流速法或基于断面表面最大流速的指标流速法流量反演模型，反演计算河流流量。本发明能够避免质量差的径向流引入，减小误差；能够删除低质量合成矢量流，提高获取的流量数据的可信度，且雷达流量探测精度高；能够在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，即使其中一个雷达无法正常工作，仍然能够保证合成矢量流，使得雷达网流量探测稳定性高。达网流量探测稳定性高。达网流量探测稳定性高。


技术研发人员：瞿常杰 刘洪波 徐文腾 李佳成 葛晨光 马盛夏 许月勇 韩增勇 崔永超
受保护的技术使用者：山东利水天达信息技术有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/4