雨滴特性数字化摄影测量及其应用研究

Rainfall is the driving force of soil hydra-erosion. The physical properties of raindrop are essential parameters that are used to calculate rainfall kinetic energy and rainfall erosivity. Accurate observation in raindrop shape, diameter, fall velocity and its spatial distribution is therefore crucial in studying dynamic process of soil hydra-erosion. This project intends to develop a photogrammetric approach to soil hydra-erosion measurement that can monitor raindrop properties, and capture instantaneous images during ongoing rainfall. Light filed and the fast and slow CCD camera system will be developed to obtain the raindrop images during a rainfall event. Raindrop calculating system will be established based on computer vision and image analysis techniques. Raindrop properties such as raindrop shape, diameter, fall velocity and its spatial distribution will be calculated from the images by the established calculating system. The established photogrammetric observation method can be applied to analyze the characteristics of artificial and natural rainfall, and to evaluate the similarities between them. Rainfall kinetic energy calculating model can be established based on the raindrop characteristics, thereby correcting rainfall erosivity model.

降雨是土壤水力侵蚀的动力，雨滴特性是确定降雨动能、降雨侵蚀力的基本参数，准确观测雨滴的形状、下落速度及空间分布等雨滴特性是开展土壤侵蚀动力学研究的基础。本项目通过构造雨滴影像拍摄的光场，研制快速、慢速拍摄雨滴影像的成像系统，研究依据雨滴影像提取雨滴体积、下落速度和雨滴分布观测值的解析算法，构建数字化摄影观测雨滴特性的技术方法。应用该技术方法，对比观测相同降雨强度条件下的人工模拟和自然降雨，依据雨滴特性的统计学特征，评判人工模拟降雨的自然相似性；同时，建立基于实测雨滴特性的次降雨动能计算模型，进而修正次降雨的降雨侵蚀力计算模型。

雨滴微物理特性及降雨动能是揭示降雨物理本质的重要特征量，亦是开展侵蚀定量分析与建立侵蚀量预报模型的基础。本项目基于粒子成像的瞬态测量可视化技术，研制了降雨环境下拍摄雨滴影像的光路系统和成像系统，开发了雨滴影像的识别、提取、量测等软件系统，设计了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降雨成像测量系统。与传统的测量方法相比，该方法中的观测仪器便携，操作简单，软件功能完整，实现了软件硬件一体化，可以在不同的降雨强度下监测得到高清晰度的雨滴影像，在此基础上准确高效的解算雨滴物理特性参数，该测量技术可以准确的获取雨滴物理特性参数，为降雨特征和土壤侵蚀研究开创了新途径。利用该系统进行了降雨大厅模拟降雨的观测，同时观测了自然降雨，并采用虹吸式自记雨量计记录自然降雨降雨强度。研究表明自然降雨雨滴以中等粒子为主，其中直径在1.00～3.00 mm范围内的雨滴占样本总数的80%以上。雨滴直径和降落末速度呈显著的对数关系。基于实测的雨滴微物理特性和降雨强度估算降雨动能，该结果与传统的经验模型估算结果相对误差均值为7.28%。该方法得到的降雨动能较以往的经验模型能更真实的反应雨滴降落过程中的做功大小，为准确计算降雨过程中雨滴所造成的溅蚀量奠定基础。此外，设计了一种基于无线组网技术的数字近景摄影观测系统。该系统通过对连续降雨条件下不同时间节点的土壤侵蚀坡面进行数字影像的瞬时采集、雨滴噪声去除、点云匹配、三维重建等手段，实现对土壤侵蚀坡面形态演化过程的动态监测。该系统的测量精度可达到亚毫米级，最小测量误差为0. 0062 mm; 凹槽尺寸测量值与实测值之间最大相对误差为-2. 968 3%。土壤侵蚀坡面观测实证表明，土壤流失量估算平均相对误差为-1. 73%，单次观测精度最高可达99. 26%，时间观测分辨率可达到分钟级别，空间分辨率达到2 mm