本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體說(shuō)的是一種基于城市影像資料確定洪水中人體穩(wěn)定性的方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)一直是深受洪水災(zāi)害威脅的國(guó)家之一，由暴雨引起的超標(biāo)準(zhǔn)洪水造成的人員傷亡非常嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1950-2000年間，每年因洪澇災(zāi)害直接死亡的人數(shù)約為5 200人。自2000年后，因洪災(zāi)直接死亡人數(shù)下降到年均約1 600人。但隨著當(dāng)前人口的迅猛增長(zhǎng)，人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)張，以及全球變暖為主要特征的氣候變化，增大了洪澇災(zāi)害發(fā)生的概率，人員的生命安全依然面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如，2012年7月北京發(fā)生特大暴雨洪水，2d內(nèi)造成79人死亡。由此可見(jiàn)，洪水作用下的人體容易失穩(wěn)，行人被洪水沖走后極有可能直接死亡。因此建立洪水中人體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。

隨著科技的發(fā)展，攝像、照相已成為城市交通及各單位安保工作等不可或缺的一部分，也是記錄洪水過(guò)程的重要手段。影像資料中的人體失穩(wěn)過(guò)程反應(yīng)了實(shí)際洪水情況，更有利于相關(guān)研究的開(kāi)展。因此，如何根據(jù)城市影像資料確定洪水中人體穩(wěn)定性，將有助于建立洪水中人體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，更可推廣擴(kuò)展至車輛、房屋等受淹對(duì)象失穩(wěn)條件的獲取，將為城市洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及管理提供參考依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種基于城市影像資料確定洪水中人體穩(wěn)定性的方法，將為估算洪水中人體危險(xiǎn)程度、指導(dǎo)受災(zāi)群眾的逃生、以及城市洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供科學(xué)依據(jù)。

本發(fā)明的原理為：城市洪水相關(guān)影像資料中的物體長(zhǎng)度與實(shí)際物體長(zhǎng)度之間具有一定的比例關(guān)系，據(jù)此確定圖上距離與實(shí)際距離的比尺，進(jìn)而計(jì)算人體所在位置的水深；再根據(jù)視頻中一段時(shí)間內(nèi)物體的漂浮距離，或照片中人體所在位置水深的壅高和伯努利方程，確定人體所在位置的流速大小。本發(fā)明基于現(xiàn)有的影像資料，確定比尺關(guān)系，計(jì)算人體失穩(wěn)的水深與流速，采用洪水中人體失穩(wěn)的曲線，驗(yàn)證資料中人體失穩(wěn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。提出了一種基于城市影像資料確定洪水中人體穩(wěn)定性的方法。

本發(fā)明提供一種基于城市影像資料確定洪水中人體穩(wěn)定性的方法，包括如下步驟：

步驟(1)，提出影像資料中人體與實(shí)際人體的比尺關(guān)系的方法，進(jìn)而確定人體所在位置的水深大小，具體步驟如下：

步驟(1.1)，若影像資料中的人體附近具有已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物，根據(jù)參照物的實(shí)際長(zhǎng)度與圖上長(zhǎng)度確定比例關(guān)系；

步驟(1.2)，若影像資料中沒(méi)有具有已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物，以影像資料所在地區(qū)的平均身高為參考依據(jù)，利用人體的身高與臂長(zhǎng)的關(guān)系，確定人體的手臂長(zhǎng)度，再確定資料中物體實(shí)際長(zhǎng)度與圖上長(zhǎng)度的比例關(guān)系；

步驟(1.3)，根據(jù)步驟(1.1)或步驟(1.2)確定的比例關(guān)系，計(jì)算相應(yīng)的來(lái)流水深；

步驟(2)，將影像資料分為具有漂浮物的視頻資料、圖片資料和沒(méi)有漂浮物的視頻資料，然后根據(jù)視頻資料中漂浮物移動(dòng)距離計(jì)算視頻資料中的水流流速，根據(jù)伯努利方程計(jì)算圖片或沒(méi)有漂浮物的視頻資料中的水流流速，具體步驟如下：

步驟(2.1)，對(duì)于具有漂浮物的視頻資料，可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)漂浮物移動(dòng)的距離確定水面流速，考慮水面流速與垂線平均流速的關(guān)系，計(jì)算人體前方水流的平均流速；

步驟(2.2)，對(duì)于圖片或沒(méi)有漂浮物的視頻資料，可測(cè)量出人體所在位置的壅水高度，再采用伯努利方程求解人體前方的水流的平均流速；

步驟(3)，利用已建立的洪水中人體失穩(wěn)曲線檢驗(yàn)方法的可靠性，具體步驟如下：

步驟(3.1)，通過(guò)理論分析，建立人體失穩(wěn)的臨界流速曲線，并采用模型人體失穩(wěn)的水槽數(shù)據(jù)率定公式的相關(guān)參數(shù)；

步驟(3.2)，利用步驟(3.1)中率定的公式，繪制不同水深情況下真實(shí)人體失穩(wěn)的曲線；

步驟(3.3)，將步驟(1)和步驟(2)中的得到的洪水中人體失穩(wěn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、其他人的真人失穩(wěn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與步驟(3.2)繪制的曲線進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)上述方法的可靠性。

所述步驟(1.1)中，影像資料的比尺S為：

其中，L_p為影像資料中已知長(zhǎng)度的參照物的實(shí)際長(zhǎng)度，L_s為影像資料中已知長(zhǎng)度的參照物的圖上長(zhǎng)度；選取的已知長(zhǎng)度的參照物應(yīng)靠近洪水中的人體。

所述步驟(1.2)中，影像資料的比尺S為：

S＝L_aP/L_aS

其中，L_aP為影像資料中人體的實(shí)際臂長(zhǎng)，L_aP＝H_Pavg×34.4％，H_Pavg為影像資料所在區(qū)域的人體的實(shí)際平均身高，L_aS為影像資料中人體的圖上臂長(zhǎng)。

所述步驟(1.3)中，若影像資料中具有已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物，影像資料中實(shí)際水深H為：

H＝H_p-H_bPOUT

其中，H_P為影像資料中人體的實(shí)際身高，H_P＝L_aP÷34.4％，L_ap為影像資料中人體的實(shí)際臂長(zhǎng)；H_bPOUT為影像資料中人體露出水面的實(shí)際高度，H_bPOUT＝H_bSOUT×S，S為影像資料的比尺，該比尺采用步驟(1.1)所述方法確定，H_bSOUT為影像資料中人體露出水面的圖上長(zhǎng)度。

所述步驟(1.3)中，若影像資料中不具有已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物，影像資料中實(shí)際水深H為：

H＝H_Pavg-H_bPOUT

其中，H_Pavg為影像資料所在區(qū)域的人體的實(shí)際平均身高；H_bPOUT為影像資料中人體露出水面的實(shí)際高度；H_bPOUT＝H_bSOUT×S，S為影像資料的比尺，該比尺采用步驟(1.2)所述方法確定，H_bSOUT為影像資料中人體露出水面的圖上長(zhǎng)度。

所述步驟(2.1)中，用視頻資料中人體附近的垂線平均流速U_VL近似代表人體前方水流的平均流速U，視頻資料中人體前方水流的平均流速U的計(jì)算公式為：

其中，U_max為視頻資料中水面的實(shí)際流速，ΔT為時(shí)間段，ΔL為在ΔT的時(shí)間段內(nèi)圖上的運(yùn)動(dòng)距離；S為影像資料的比尺。

所述步驟(2.2)中，先測(cè)量出人體所在位置的壅水高度ΔH，再采用伯努利方程求解人體前方水流的平均流速：

其中，ΔH為壅水高度，g為重力加速度，S為影像資料的比尺。

本發(fā)明方法，其有益效果在于：

(1)提出了2種實(shí)際物體與影像資料比尺關(guān)系的確定方法。如資料中人體附近有確定長(zhǎng)度的物體，以實(shí)際長(zhǎng)度與圖上長(zhǎng)度的比值作為比尺；如資料中人體附近沒(méi)有確定長(zhǎng)度的物體，取資料所在地區(qū)的平均身高為參考值，根據(jù)人體臂長(zhǎng)與身高之間的關(guān)系，確定實(shí)際臂長(zhǎng)和圖上臂長(zhǎng)的比值作為比尺；

(2)根據(jù)比尺關(guān)系確定水深和流速，流速的計(jì)算方法分為2種。對(duì)于視頻資料而言，可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)漂浮物移動(dòng)的距離確定水面水流流速，考慮水面流速與平均流速的關(guān)系，計(jì)算當(dāng)前水流的平均流速；對(duì)于圖片資料來(lái)講，可測(cè)量出人體所在位置的壅水高度，再采用伯努利方程求解人體所在位置的流速。

(3)利用已建立的洪水中人體失穩(wěn)曲線檢驗(yàn)方法的可靠性。提出的方法將有助于建立洪水中人體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也將為城市、灘區(qū)、蓄滯洪區(qū)等洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及管理提供參考依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明方法的流程圖；

圖2洪水中人體各部分長(zhǎng)度測(cè)量示意圖；

圖3伯努利方程中兩個(gè)斷面示意圖；

圖4人體失穩(wěn)曲線及本發(fā)明得到的人體失穩(wěn)數(shù)據(jù)比較。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1-圖4所示，一種基于城市影像資料確定洪水中人體穩(wěn)定性的方法，包括如下步驟：

步驟(1)，提出影像資料中人體與實(shí)際人體的比尺關(guān)系的方法，進(jìn)而確定人體所在位置的水深大小，具體步驟如下：

步驟(1.1)，若影像資料中的人體附近具有已知長(zhǎng)度的參照物，根據(jù)參照物的實(shí)際長(zhǎng)度與圖上長(zhǎng)度確定比例關(guān)系；

考慮拍攝角度、距離等問(wèn)題，已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物應(yīng)靠近洪水中的人體。假定影像資料中已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物的實(shí)際長(zhǎng)度為L(zhǎng)_p，圖上長(zhǎng)度為L(zhǎng)_s，則該影像資料的比尺S為：

步驟(1.2)，若影像資料中沒(méi)有具有已知長(zhǎng)度的參照物，如圖2所示，以影像資料所在地區(qū)的平均身高為參考依據(jù)，利用人體的身高與臂長(zhǎng)的關(guān)系，確定人體的手臂長(zhǎng)度，以計(jì)算影像資料中物體實(shí)際長(zhǎng)度與圖上長(zhǎng)度的比尺；

Gordon et al.(1989)研究表明，人的臂長(zhǎng)大約為身高的34.3％，取圖2所在區(qū)域的人體的實(shí)際平均身高為H_Pavg，則人體的實(shí)際臂長(zhǎng)L_aP為：

L_aP＝H_Pavg×34.4％ (2)

而圖2中人體手臂彎曲，可分為L(zhǎng)_a1和L_a2兩部分，由此計(jì)算人體的圖上臂長(zhǎng)L_aS為：

L_aS＝L_a1+L_a2 (3)

那么比尺S為:

S＝L_aP/L_aS (4)

步驟(1.3)，根據(jù)步驟(1.1)或步驟(1.2)確定圖上距離與實(shí)際距離的比尺關(guān)系S，再計(jì)算相應(yīng)的來(lái)流水深。

若影像資料中具有已知實(shí)際長(zhǎng)度的參照物，那么首先測(cè)量計(jì)算圖2中人體的圖上臂長(zhǎng)L_aS，再根據(jù)比尺計(jì)算人體的實(shí)際臂長(zhǎng)為：

L_aP＝L_aS×S (5)

那么人體的實(shí)際身高H_P為：

H_P＝L_aP÷34.4％ (6)

圖2中人體露出水面部分有彎曲，可分為L(zhǎng)_b1、L_b2和L_b3 3部分，則圖上人體露出水面的長(zhǎng)度為H_bSOUT為：

H_bSOUT＝L_b1+L_b2+L_b3 (7)

計(jì)算人體露出水面的實(shí)際高度H_bPOUT為：

H_bPOUT＝H_bSOUT×S (8)

那么實(shí)際水深H為人體實(shí)際身高與人體露出水面的實(shí)際高度的差值：

H＝H_p-H_bPOUT (9)

若影像資料中不具有已知實(shí)際長(zhǎng)度的物體，那么同樣根據(jù)圖上人體露出水面的長(zhǎng)度及比尺計(jì)算實(shí)際人體露出水面的長(zhǎng)度，只是計(jì)算水深改為下式：

H＝H_Pavg-H_bPOUT (10)

步驟(2)，將影像資料分為具有漂浮物的視頻資料、圖片資料和沒(méi)有漂浮物的視頻資料，然后根據(jù)視頻資料中漂浮物移動(dòng)距離計(jì)算視頻資料中的水流流速，根據(jù)伯努利方程計(jì)算圖片或沒(méi)有漂浮物的視頻資料中的水流流速，具體步驟如下：

步驟(2.1)，對(duì)于具有漂浮物的視頻資料而言，可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)漂浮物移動(dòng)的距離確定水面流速，考慮水面流速與垂線平均流速的關(guān)系，計(jì)算人體前方水流的平均流速；

如果視頻資料中有某漂浮物，在ΔT時(shí)間段內(nèi)圖上運(yùn)動(dòng)了ΔL的距離，那么水面的實(shí)際流速U_max為:

現(xiàn)有研究表明，水面處的最大流速比垂線平均流速大16％，故垂線平均流速U_VL為:

上式計(jì)算的是視頻資料中人體附近的垂線平均流速，因此該流速可以近似代表人體前方水流的平均流速，即人體前方的平均流速為：

U＝U_VL (13)

步驟(2.2)，對(duì)于圖片或沒(méi)有漂浮物的視頻資料來(lái)講，如圖3，先測(cè)量出人體所在位置的壅水高度ΔH，再采用伯努利方程求解人體前方水流的平均流速。

人體在水中的位置如圖3所示，對(duì)于斷面1-1’和2-2’的伯努利方程為：

式中，等式左右3項(xiàng)的物理意義分別為位置水頭，壓強(qiáng)水頭和流速水頭。ρ為水流密度，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?-1’斷面有：Z₁是斷面1-1’中某點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)面的標(biāo)高，P₁是該點(diǎn)的壓強(qiáng)，U₁是該點(diǎn)的流速。相應(yīng)的2-2’斷面有，Z₂是斷面2-2’中某點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)面的標(biāo)高，P₂是該點(diǎn)的壓強(qiáng)，U₂是該點(diǎn)的流速。

發(fā)明近似認(rèn)為水流為恒定漸變流，取人體前方平均流速與斷面1-1’的平均流速相等，人體所在斷面2-2’的流速U₂＝0m/s，所以斷面2-2’測(cè)壓管水頭(位置水頭與壓強(qiáng)水頭之和)增大，產(chǎn)生ΔH的壅水。圖3中1-1’和2-2’兩個(gè)斷面的水深分別為H₁、H₂(ΔH＝H₂-H₁)。漸變流的過(guò)水?dāng)嗝娲嬖跍y(cè)壓管水頭是常數(shù)，水流流速在垂向均勻分布，均為平均流速。圖3中取地面為基準(zhǔn)面，那么1-1’和2-2’斷面的測(cè)壓管水頭分別為：

1-1’斷面：

2-2’斷面：

代入采用伯努利方程(式14)，求解實(shí)際洪水中人體前方的平均流速，即：

式中，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。?jīng)等式變換可得：

步驟(3)，利用已建立的洪水中人體失穩(wěn)曲線檢驗(yàn)方法的可靠性，具體步驟如下：

步驟(3.1)，通過(guò)理論分析，建立洪水中人體失穩(wěn)的臨界流速公式，并采用模型人體失穩(wěn)的水槽數(shù)據(jù)率定公式的相關(guān)參數(shù)，利用率定后的公式繪制洪水中人體失穩(wěn)的臨界曲線；

Xia等(2014)建立了身高H_P，體重M_P的人體跌倒失穩(wěn)的臨界流速的計(jì)算公式：

式中：ρ為水流密度，a₁，b₁，a₂，b₂是與人的身體特征相關(guān)的參數(shù)，經(jīng)計(jì)算可得a₁＝0.633、b₁＝0.367，a₂＝1.015×10^-3m³/kg、b₂＝-4.937×10^-3m³。α與β需要根據(jù)人體模型失穩(wěn)的水槽試驗(yàn)結(jié)果率定，經(jīng)計(jì)算得到α＝3.472，β＝0.188。

步驟(3.2)，利用步驟(3.1)中率定的公式，繪制不同水深情況下真實(shí)人體失穩(wěn)的曲線；

步驟(3.3)，將步驟(1)和步驟(2)得到的洪水中人體失穩(wěn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(人體失穩(wěn)時(shí)的水流流速和水深)、其他人的真人失穩(wěn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(人體失穩(wěn)時(shí)的水流流速和水深)與步驟(3.2)繪制的曲線進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)上述方法的可靠性。

圖4將人體失穩(wěn)曲線，影像資料中洪水作用下人體失穩(wěn)的水流條件數(shù)據(jù)，以及Abt(1989)、Karvonen(2000)、Field,Chanson(2014)真實(shí)失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，Xia等(2013)提出的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)曲線偏低，是由于公式采用模型人體水槽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行率定，未考慮人體的調(diào)整作用。影像資料中人體失穩(wěn)的數(shù)據(jù)與其他真人水槽試驗(yàn)的數(shù)據(jù)較為靠近，可以認(rèn)為方法是可靠的。