摘要：雨滴形状、直径、降落速度等是表征雨滴特性的重要物理量。为了获取雨滴物理特性参数,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。钢珠洒落实验发现该技术观测误差小。外场观测实验发现本次降雨主要以中等粒子为主,雨滴直径和降落速度均值分别为2.00 mm和3.52 m/s。雨滴降落速度可由雨滴直径的线性回归方程表达,且该方程的预测准确度和精度较高。可见,该测量技术可以准确地获取雨滴物理特性参数,为降雨特征和土壤侵蚀研究开辟了新途径。

摘要：针对径流泥沙过程监测仪缺乏和监测误差大的状况,研制了一种具有野外复杂条件下普遍适用的径流泥沙高精度实时自动监测仪,并建立了数据/站点管理云平台。该仪器从径流泥沙过程中提取驱动仪器运转的物理量并将其转换为测控信号,实现径流泥沙过程的实时自动监测;通过对仪器总体结构及各功能部件的优化设计,消减泥沙粘附和沉积,提高监测精度。通过标准泥沙样品验证了该仪器的适用性,结果表明该仪器监测的含沙量相对误差均值为3.67%,决定系数为0.997。土槽试验获取了径流过程中变幅较宽的径流量和含沙量的动态过程曲线。可见,该仪器不仅可以准确地监测径流泥沙过程,而且创新了水土流失监测技术和方法,推动了水土流失监测的自动化和信息化。

摘要：流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心确定等手段,获取薄层水流的流速等参数,从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确度和准确度高,可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为0.020 m/s,观测精度可达到98.33%,观测的时间分辨率为1/9 s,空间分辨率为2 mm。为了验证该系统的准确度,以流量法为基准,与传统示踪法(染料示踪法、盐示踪法)比较,结果表明,该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成像观测系统的相对误差均在±10%以内;染料示踪法的相对误差均大于10%;盐示踪法52%的相对误差在±10%以内。利用热红外成像系统获取的影像,可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯,也可以测量示踪剂沿水流方向的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度,计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的研究,对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。