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武大AiFlow视觉测流技术在灌区流量监测的应用研究

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水资源研究 2024年第3期13卷 325-332页

作者：熊骥徐海张庆兵李振华史良胜郑晓燕杨文祥湖北省水利水电科学研究院湖北武汉安徽省淠史杭灌区管理总局科技信息中心安徽六安湖北省王英水库管理局湖北咸宁武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉武汉大水云科技有限公司湖北武汉

在推进农田水利现代化建设的进程中,强化灌区水资源的信息化管理与自动化监测体系,成为引领灌区改革与农业发展的关键因素。鉴于新兴的视觉测流技术在各水文场景的逐渐推广,探讨其对灌区流量监测的适用性十分必要。本文主要研究了视觉... 详细信息

在推进农田水利现代化建设的进程中,强化灌区水资源的信息化管理与自动化监测体系,成为引领灌区改革与农业发展的关键因素。鉴于新兴的视觉测流技术在各水文场景的逐渐推广,探讨其对灌区流量监测的适用性十分必要。本文主要研究了视觉测流在淠史杭灌区横排头、浙江金华安地灌区,以及湖北省王英水库的监测效果,结果显示,淠史杭灌区横排头站点视觉测流流量与横排头水文站查线流量之间的系统误差在±1%以内,随机不确定度在8%以内,测验精度符合一类精度水文站的相关要求;金华安地灌区两站点视觉测流流量与灌区瞬时放水流量的相对误差控制在±5%之内,且时段内总过水量与计划放水量的差异仅为3.62%,湖北王英水库法隆河站的视觉测流表面流速与浮标法的对比结果均在5%以内;充分证明了武大AiFlow视觉测流技术在灌区流量监测中的高精度、可靠性及稳定性,彰显了该技术在灌区具有良好的适用性。

关键词：视觉测流计灌区流量监测水量分析

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倾斜地下水含水层混合3维溶质运移数值模拟

四川大学学报（工程科学版） 2012年第2期44卷 43-51页

作者：朱焱史良胜杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

针对不规则地下水含水层中溶质运移简化数值模拟问题,根据不规则地下水含水层特点,提出了柱体单元水头梯度平均面的概念。在水头梯度平均面的基础上,采用有限单元法推导柱体单元水平向溶质通量,而柱体单元垂向溶质运移通量则采用有限差... 详细信息

针对不规则地下水含水层中溶质运移简化数值模拟问题,根据不规则地下水含水层特点,提出了柱体单元水头梯度平均面的概念。在水头梯度平均面的基础上,采用有限单元法推导柱体单元水平向溶质通量,而柱体单元垂向溶质运移通量则采用有限差分法进行推导,通过联合利用有限单元法和有限差分法计算柱体单元节点溶质均衡项,根据不规则柱体单元溶质均衡项计算结果,编制Fortran程序,建立倾斜地下水含水层混合3维溶质运移数值模拟模型。运用该模型模拟了不同条件下地下水中溶质运移过程,将模拟结果与解析解进行对比分析,模拟得到的溶质浓度结果正确、合理。该模型适用于倾斜地下水含水层中溶质运移模拟,具有节省计算工作量,单元剖分灵活的优点。同时,当Peclet数较大时,该模型分别在水平向和垂向采用迎风加权格式进行计算,有效地消除了边界附近出现的数值跳动现象,模型也适用于Peclet数较大的情况。

关键词：溶质运移混合3维数值模拟迎风加权格式倾斜含水层

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基于随机配点法的饱和-非饱和水流运动模拟

四川大学学报（工程科学版） 2012年第5期44卷 30-37页

作者：唐云卿史良胜杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

为解决土壤水分运动的不确定性问题,研究了随机配点方法,并应用此方法建立了饱和-非饱和水分运动的随机模型,考虑了土壤分层及参数分布函数的差异,视渗透系数等参数为随机输入,探讨了土壤中水分运动的随机数值模拟,分析了随机配点法的... 详细信息

为解决土壤水分运动的不确定性问题,研究了随机配点方法,并应用此方法建立了饱和-非饱和水分运动的随机模型,考虑了土壤分层及参数分布函数的差异,视渗透系数等参数为随机输入,探讨了土壤中水分运动的随机数值模拟,分析了随机配点法的计算性能和选点原则。研究结果表明:基于随机配点法的饱和-非饱和水分运动模拟相比于传统的Monte Carlo模拟极大地节省了计算成本,提高了计算效率;随机配点法可以直接在经典非饱和模型基础上搭建随机模型,这种方法能够快速地构建出水头的概率分布函数;不同的非饱和输入参数对水头的不确定性产生不同影响;随机参数的分布类型会影响到水分运动不确定性的预测。

关键词：非饱和水流运动空间变异性随机配点法随机数值模型

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智慧灌区的架构、理论和方法之初探

水利学报 2020年第10期51卷 1212-1222页

作者：史良胜查元源胡小龙杨琦武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

我国灌区面临着多元化、精准化和智能化的管理需求。结合人工智能技术的发展趋势和水利学科本身特点,尝试提出智慧灌区的定义和基本功能。从灌区的感知智能、认知智能和管理决策三个方面讨论了智慧灌区研究的难点,初步论述了智慧灌区架... 详细信息

我国灌区面临着多元化、精准化和智能化的管理需求。结合人工智能技术的发展趋势和水利学科本身特点,尝试提出智慧灌区的定义和基本功能。从灌区的感知智能、认知智能和管理决策三个方面讨论了智慧灌区研究的难点,初步论述了智慧灌区架构、理论和方法。在灌区感知智能方面,提出非接触式与接触式观测相结合、移动式和固定式观测相结合的观测体系,开发适用于灌区不同尺度观测的机器视觉技术、灌区特征解译技术和天地空数据智能交换技术;建立大数据环境下的信息理论,支撑灌区多源观测体系的研发和海量数据的解译和分析。在灌区认知智能方面,提出物理方程和机器学习相结合的灌区建模思路,建立“数据-物理”混合认知智能的理论基础,开发非完整先验物理机制下灌区水分、盐分、养分、污染物迁移转化以及作物生长和生态系统演化模型,开发灌区物理机制挖掘方法和动态建模方法。在灌区决策方面,提出可满足众多决策者需求以及可处理多种目标的智能优化决策系统,实现灌区尺度上的水量、水质和生态的最优化管理。

关键词：智慧灌区人工智能大数据认知智能感知智能

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三维地下水流随机分析的配点法

水利学报 2010年第1期40卷 47-54页

作者：史良胜蔡树英杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

提出三维地下水不确定分析的随机配点法,比较了张量积配点法(TPCM)、Smolyak配点法(SmCM)、Stroud-2配点法(StCM)和概率配点法(PCM)等4种配点法的基本原理。其渗透系数场和水头场分别被表示为Karhunen-Loeve展开和多项式展开的形式;初... 详细信息

提出三维地下水不确定分析的随机配点法,比较了张量积配点法(TPCM)、Smolyak配点法(SmCM)、Stroud-2配点法(StCM)和概率配点法(PCM)等4种配点法的基本原理。其渗透系数场和水头场分别被表示为Karhunen-Loeve展开和多项式展开的形式;初始随机偏微分方程被转化为在相应配点上的确定性方程。进一步建立了基于Modflow-2000的随机模型,讨论了以上不同算法的计算精度及计算成本。分析结果表明,配点法可充分继承现有模拟软件或代码的求解功能,配点的选取方法决定了其计算成本,SmCM具有最高的计算精度,但StCM具有最好的性价比。

关键词：地下水多项式配点法随机场

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次降雨入渗补给系数空间变异性研究及模拟

水利学报 2007年第1期38卷 79-85页

作者：史良胜蔡树英杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

本文分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理,应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异性,建立了协方差函数与方向角的函数关系;对次降雨入渗补给系数进行了Karhunen-Loeve展开,通过求解特征值、特征函数及随机向量模拟次降... 详细信息

本文分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理,应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异性,建立了协方差函数与方向角的函数关系;对次降雨入渗补给系数进行了Karhunen-Loeve展开,通过求解特征值、特征函数及随机向量模拟次降雨入渗补给系数随机场。分析结果表明,在水平径流微弱、潜水面坡度小的地区,平稳场理论可以有效地描述次降雨入渗补给系数空间分布规律,KL展开法具有优越的收敛速度。

关键词：次降雨入渗补给系数空间变异性协方差 Karhunen-Loeve展开

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双重介质饱和-非饱和流随机分析

四川大学学报（工程科学版） 2007年第2期39卷 47-54页

作者：史良胜蔡树英杨金忠武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

为描述天然介质的复杂构成,引入指示函数模型,推导了双重介质参数均值、方差和协方差函数的表达式,提出了拟单介质的概念,然后将基于Karhunnen-Loeve展开的谱方法应用于双重介质饱和-非饱和流随机分析中,分别模拟了双重介质和拟单介质... 详细信息

为描述天然介质的复杂构成,引入指示函数模型,推导了双重介质参数均值、方差和协方差函数的表达式,提出了拟单介质的概念,然后将基于Karhunnen-Loeve展开的谱方法应用于双重介质饱和-非饱和流随机分析中,分别模拟了双重介质和拟单介质的饱和-非饱和流运动,分析了饱和水力传导度(Ks)和土壤孔隙分布参数α的变异性对双重介质和拟单介质之间等效性的影响。结果表明:双重介质变异参数总体方差的增大并不会导致KL展开截断阶数的增加;如果仅考虑Ks或α的空间变异性,Ks或α的总体方差越大,拟单介质模型预测的水头方差准确性越差;当两种介质的Ks或α显著不同且各自具有小方差时,拟单介质可以代替双重介质;参数α比Ks更大程度影响等效性。如果同时考虑Ks和α的空间变异性,Ks或α均值差异越大,等效性越差,Ks或α的总体方差与等效性之间的相关关系不明显。

关键词：双重介质空间变异性水头方差

利用无人机影像构建作物表面模型估测甘蔗LAI

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农业工程学报 2017年第8期33卷 104-111页

作者：杨琦叶豪黄凯查元源史良胜武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 广西壮族自治区水利科学研究院南宁530023

为探讨从作物表面模型(crop surface models,CSMs)中提取株高来估算糖料蔗叶面积指数(leaf area index,LAI)的可行性,该文采用无人机-RGB高清数码相机构成的低空遥感平台,以广西糖料蔗为研究对象,采集了糖料蔗全生育期的高清数码影像,... 详细信息

为探讨从作物表面模型(crop surface models,CSMs)中提取株高来估算糖料蔗叶面积指数(leaf area index,LAI)的可行性,该文采用无人机-RGB高清数码相机构成的低空遥感平台,以广西糖料蔗为研究对象,采集了糖料蔗全生育期的高清数码影像,分别在有无地面控制点条件下建立各生育期CSMs并提取株高。此外,该文利用高清数码影像计算了6种可见光植被指数并建立LAI估算模型,用以对比从CSMs提取的株高对LAI的估算效果。结果表明:全生育期CSMs提取的株高与实测株高显著相关(P<0.01),株高预测值与实测值高度拟合(R2=0.961 2,RMSE=0.215 2)。选取的6种可见光植被指数中,绿红植被指数对糖料蔗伸长末期以前的LAI的估测效果最好(R2=0.779 0,RMSE=0.556 1,MRE=0.168 0)。相同条件下,株高对LAI有更高的估测精度,其中CSMs提取的株高估测效果优于地面实测株高,预测模型R2=0.904 4,RMSE=0.366 2,MRE=0.124 3。研究表明,使用无人机拍摄RGB影像来提取株高并运用于糖料蔗重要生育期LAI的估算是可行的,CSMs提取的株高拥有较高的精度。该研究可为大区域进行精准快速的农情监测提供参考。

关键词：遥感无人机农作物作物表面模型糖料蔗数码影像株高叶面积指数

基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅱ——条件模拟

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水利学报 2007年第4期38卷 524-528页

作者：史良胜杨金忠蔡树英武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

建立了降雨空间变异条件下基于KLPC解法的潜水运动条件模拟方法,假设平面上若干测点的降雨量已知,分析了当随机模型中加入雨量站观测值时水头、流速和水动力弥散系数标准差的变化情况。研究结果表明:在条件模拟中,由于降雨协方差具有非... 详细信息

建立了降雨空间变异条件下基于KLPC解法的潜水运动条件模拟方法,假设平面上若干测点的降雨量已知,分析了当随机模型中加入雨量站观测值时水头、流速和水动力弥散系数标准差的变化情况。研究结果表明:在条件模拟中,由于降雨协方差具有非平稳结构,需要采用数值解法来求解Fredholm方程;条件模拟方法计算出的水头、流速和水动力弥散系数的标准差要小于非条件模拟的结果;在降雨空间变异条件下,降雨的相关长度越大,方差越大,条件模拟对水头标准差削减越明显;与水头相比,条件模拟下流速和水动力弥散系数的标准差的消减更为明显,因此在考虑降雨的空间变异性时,条件模拟可减小溶质运移输入参数的不确定性具有一定作用。

关键词：条件模拟标准差水头流速水动力弥散系数