تخمین دبی جریان و توزیع عرضی سرعت رودخانه در شرایط سیلاب با پردازش تصاویر پهپادی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 سبزوار-میدان طالقانی-24 متری انقلاب-انقلاب12

2 عضو هیئت علمی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 عضو هیئت علمی دانشگاه گلستان

4 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

5 تهران

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: طغیان رودخانه‌ها یک پدیده طبیعی است که اثرات مخربی بر زندگی انسان داشته و زیان‌های اقتصادی زیادی به‌بار می-آورد. تعیین دبی جریان سیلاب در مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و نیز طراحی سازه‌های آبی در مسیر رودخانه از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مختلفی در مطالعه طغیان رودخانه‌ها و همچنین تعیین دبی سیلاب وجود دارد که هرکدام از آنها دارای خطاها و محدودیت‌هایی هستند. تخمین دبی جریان در ایستگاه‌های هیدرومتری با استفاده از منحنی دبی-اشل همواره یکی از بارزترین روش‌های تعیین دبی جریان رودخانه‌ها است، اما محدودیت اساسی و مهم این روش این است که برای دبی‌های سیلابی باید از منحنی، برونیابی شود که این روند با خطا و عدم قطعیت همراه است. همچنین روش‌های دیگر، مانند دستگاه سرعت‌سنج مولینه و دستگاه آگوستیک داپلر در شرایط جریان طبیعی رودخانه و به‌ویژه در مواقع سیلابی، علاوه بر مخاطره آمیز بودن، بسیار پر‌هزینه و زمانبر می‌باشد. استفاده از روش‌های سرعت‌سنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان از جمله رویکردهایی است که اخیراً به عنوان یک روش غیرتماسی در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از تکنیک جدید سرعت‌سنجی تصویری ذرات (PIV) با استفاده از تصاویر پهپادی استفاده شده است که با دقتی مناسب، سریع و بدون تماس با جریان و اختلال در الگوی جریان آب، توزیع عرضی سرعت و همچنین دبی جریان را در مواقع سیلابی رودخانه محاسبه می‌کند.
مواد و روش‌ها: برای دستیابی به اهداف پژوهش، اقدام به فیلم‌برداری با استفاده از پهپاد از مقطع رودخانه زیارت در محل تلاقی با رودخانه قره‌تپه (استان گلستان) در سیلاب اردیبهشت 1403 شد. بدین ترتیب که تصویربرداری از سطح جریان رودخانه در ارتفاع 40 متری به وسیله پهپاد و به صورت کاملاً عمودی به مدت 40 ثانیه با فرکانس 30 فریم بر ثانیه صورت گرفت. پس از انجام عملیات پردازش تصاویر در نرم‌افزارPIVLAB در محیط MATLAB، سرعت سطحی جریان در مقطع عرضی رودخانه محاسبه شد و درنهایت توزیع عرضی سرعت و دبی جریان رودخانه در شرایط سیلابی با استفاده از روش سرعت- مساحت محاسبه و با داده‌های اندازه-گیری شده مقایسه شد.
یافته‌ها: در این مطالعه برای اندازه‌گیری دبی و تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع با روش‌های ردیابی مبتنی بر تصویر، از شاخص سرعت (k) استفاده گردید. به کمک این روش توزیع عرضی سرعت و دبی جریان در رودخانه در شرایط سیلابی بدون تماس با جریان در یک مقطع با استفاده از دو الگوریتم تعریف شده درPIVLAB مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن نشان‌دهنده دقت بالای هر دو الگوریتم در برآورد دبی جریان و توزیع عرضی سرعت در مقطع مورد مطالعه بود به‌طوری‌که دبی و سرعت متوسط جریان به ترتیب با خطای نسبی حدود 5/3 و 7 درصد برآورد و محاسبه گردیدند.
نتیجه‌گیری: براساس نتایج به دست آمده و با توجه به اینکه اندازه‌گیری دقیق دبی جریان سیلابی رودخانه‌ها در زمان کوتاه از اهمیت ویژه-ای برخوردار است، عملیات پردازش تصاویر پهپادی جهت تخمین دبی جریان رودخانه و همچنین توزیع عرضی سرعت رودخانه، می-تواند اقدام موثری در این زمینه باشد.
چکیده
سابقه و هدف: طغیان رودخانه‌ها یک پدیده طبیعی است که اثرات مخربی بر زندگی انسان داشته و زیان‌های اقتصادی زیادی به‌بار می-آورد. تعیین دبی جریان سیلاب در مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی و نیز طراحی سازه‌های آبی در مسیر رودخانه از اهمیت بالایی برخوردار است. رویکردهای مختلفی در مطالعه طغیان رودخانه‌ها و همچنین تعیین دبی سیلاب وجود دارد که هرکدام از آنها دارای خطاها و محدودیت‌هایی هستند. تخمین دبی جریان در ایستگاه‌های هیدرومتری با استفاده از منحنی دبی-اشل همواره یکی از بارزترین روش‌های تعیین دبی جریان رودخانه‌ها است، اما محدودیت اساسی و مهم این روش این است که برای دبی‌های سیلابی باید از منحنی، برونیابی شود که این روند با خطا و عدم قطعیت همراه است. همچنین روش‌های دیگر، مانند دستگاه سرعت‌سنج مولینه و دستگاه آگوستیک داپلر در شرایط جریان طبیعی رودخانه و به‌ویژه در مواقع سیلابی، علاوه بر مخاطره آمیز بودن، بسیار پر‌هزینه و زمانبر می‌باشد. استفاده از روش‌های سرعت‌سنجی مبتنی بر تصویربرداری از سطح جریان از جمله رویکردهایی است که اخیراً به عنوان یک روش غیرتماسی در مجاری روباز مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش از تکنیک جدید سرعت‌سنجی تصویری ذرات (PIV) با استفاده از تصاویر پهپادی استفاده شده است که با دقتی مناسب، سریع و بدون تماس با جریان و اختلال در الگوی جریان آب، توزیع عرضی سرعت و همچنین دبی جریان را در مواقع سیلابی رودخانه محاسبه می‌کند.
مواد و روش‌ها: برای دستیابی به اهداف پژوهش، اقدام به فیلم‌برداری با استفاده از پهپاد از مقطع رودخانه زیارت در محل تلاقی با رودخانه قره‌تپه (استان گلستان) در سیلاب اردیبهشت 1403 شد. بدین ترتیب که تصویربرداری از سطح جریان رودخانه در ارتفاع 40 متری به وسیله پهپاد و به صورت کاملاً عمودی به مدت 40 ثانیه با فرکانس 30 فریم بر ثانیه صورت گرفت. پس از انجام عملیات پردازش تصاویر در نرم‌افزارPIVLAB در محیط MATLAB، سرعت سطحی جریان در مقطع عرضی رودخانه محاسبه شد و درنهایت توزیع عرضی سرعت و دبی جریان رودخانه در شرایط سیلابی با استفاده از روش سرعت- مساحت محاسبه و با داده‌های اندازه-گیری شده مقایسه شد.
یافته‌ها: در این مطالعه برای اندازه‌گیری دبی و تبدیل سرعت سطحی به سرعت متوسط مقطع با روش‌های ردیابی مبتنی بر تصویر، از شاخص سرعت (k) استفاده گردید. به کمک این روش توزیع عرضی سرعت و دبی جریان در رودخانه در شرایط سیلابی بدون تماس با جریان در یک مقطع با استفاده از دو الگوریتم تعریف شده درPIVLAB مورد بررسی قرار گرفت که نتایج آن نشان‌دهنده دقت بالای هر دو الگوریتم در برآورد دبی جریان و توزیع عرضی سرعت در مقطع مورد مطالعه بود به‌طوری‌که دبی و سرعت متوسط جریان به ترتیب با خطای نسبی حدود 5/3 و 7 درصد برآورد و محاسبه گردیدند.
نتیجه‌گیری: براساس نتایج به دست آمده و با توجه به اینکه اندازه‌گیری دقیق دبی جریان سیلابی رودخانه‌ها در زمان کوتاه از اهمیت ویژه-ای برخوردار است، عملیات پردازش تصاویر پهپادی جهت تخمین دبی جریان رودخانه و همچنین توزیع عرضی سرعت رودخانه، می-تواند اقدام موثری در این زمینه باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Estimation of flow discharge and lateral velocity distribution of rivers in flood conditions with image processing of UAV (Unmanned Aerial vehicle)

نویسندگان [English]

  • ehsan ghasemi 1
  • Abdolreza Zahiri 2
  • mohsen Lashkarbolok 3
  • Khalil Ghorbani 4
  • farhad akbarpoor 5
1 سبزوار-میدان طالقانی-24 متری انقلاب-انقلاب12
2
3 faculty member of Golestan university
4 faculty member of gorgan university of agriculture sciences natural resources
5 tehran
چکیده [English]

Abstract1
Background and Objectives: River flooding is a natural phenomenon that can have devastating effects on human life and cause significant economic losses. Determining flood flow discharge is crucial in hydraulic and hydrological studies, as well as in the design of water structures along the river. Various approaches exist for studying river flooding and determining flow discharge, each with its own errors and limitations. Estimation of flow discharge at hydrometric stations using the stage-discharge relationship has always been one of the most prominent methods for determining river flow discharge, But the basic and important limitation of this method is that for flood discharges, it must be extrapolated from the curve, which is associated with error and uncertainty.
Also, another method such as the velocitymeters and the acoustic doppler devices, are not only risky but also very costly and time-consuming in natural river flow conditions and especially during floods. Using velocity measurement methods based on surface flow imaging is an approach that has gained attention as a non-contact method in open channel flows. In this study, a new Particle Image Velocimetry (PIV) technique using drone images has been used, which accurately, quickly, and without contact and disturbance to the water flow pattern, calculates the lateral velocity distribution and flow discharge during river floods.
Materials and Methods: To achieve the research objectives, drone filming was conducted at the Ziarat River section at its confluence with the Qara-Tappeh River during the May 2023 flood. In this way, the imaging of the river flow surface at a height of 40 meters was performed by a UAV vertically for 40 seconds at a frequency of 30 frames per second using a drone. After processing the images in PIVLAB software within the MATLAB environment, the surface velocity of the flow in the cross section of the river was calculated and finally the lateral velocity distribution and river flow discharge under flood conditions were calculated using the velocity-area method and compared with the measured data.
Results: In this study, the velocity index (k) was used to measure the discharge and convert the surface velocity to the average velocity of the section using image-based tracking methods. With the help of this method, the lateral velocity distribution and flow discharge in the river under flood conditions without contact with the flow in a section was investigated using two algorithms defined in PIVLAB, the results of which show high accuracy in estimating the flow discharge and the lateral velocity distribution in the studied section with this method. so that the flow discharge was estimated and calculated with an error of about 3.5% and the average cross-sectional velocity distribution with an error of about 7%.
Conclusion: Based on the results obtained and considering that accurate measurement of river flood flow in a short time is of particular importance, processing drone images to estimate river flow and also the lateral distribution of river velocity can be an effective measure in this regard.
Abstract1
Background and Objectives: River flooding is a natural phenomenon that can have devastating effects on human life and cause significant economic losses. Determining flood flow discharge is crucial in hydraulic and hydrological studies, as well as in the design of water structures along the river. Various approaches exist for studying river flooding and determining flow discharge, each with its own errors and limitations. Estimation of flow discharge at hydrometric stations using the stage-discharge relationship has always been one of the most prominent methods for determining river flow discharge, But the basic and important limitation of this method is that for flood discharges, it must be extrapolated from the curve, which is associated with error and uncertainty.
Also, another method such as the velocitymeters and the acoustic doppler devices, are not only risky but also very costly and time-consuming in natural river flow conditions and especially during floods. Using velocity measurement methods based on surface flow imaging is an approach that has gained attention as a non-contact method in open channel flows. In this study, a new Particle Image Velocimetry (PIV) technique using drone images has been used, which accurately, quickly, and without contact and disturbance to the water flow pattern, calculates the lateral velocity distribution and flow discharge during river floods.
Materials and Methods: To achieve the research objectives, drone filming was conducted at the Ziarat River section at its confluence with the Qara-Tappeh River during the May 2023 flood. In this way, the imaging of the river flow surface at a height of 40 meters was performed by a UAV vertically for 40 seconds at a frequency of 30 frames per second using a drone. After processing the images in PIVLAB software within the MATLAB environment, the surface velocity of the flow in the cross section of the river was calculated and finally the lateral velocity distribution and river flow discharge under flood conditions were calculated using the velocity-area method and compared with the measured data.
Results: In this study, the velocity index (k) was used to measure the discharge and convert the surface velocity to the average velocity of the section using image-based tracking methods. With the help of this method, the lateral velocity distribution and flow discharge in the river under flood conditions without contact with the flow in a section was investigated using two algorithms defined in PIVLAB, the results of which show high accuracy in estimating the flow discharge and the lateral velocity distribution in the studied section with this method. so that the flow discharge was estimated and calculated with an error of about 3.5% and the average cross-sectional velocity distribution with an error of about 7%.
Conclusion: Based on the results obtained and considering that accurate measurement of river flood flow in a short time is of particular importance, processing drone images to estimate river flow and also the lateral distribution of river velocity can be an effective measure in this regard.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flood discharge
  • PIVLAB
  • lateral velocity distribution
  • image processing
  • drone