本發(fā)明涉及水利工程技術領域，具體說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：

我國一直是深受洪水災害威脅的國家之一，由暴雨引起的超標準洪水造成的人員傷亡非常嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計，1950-2000年間，每年因洪澇災害直接死亡的人數(shù)約為5 200人。自2000年后，因洪災直接死亡人數(shù)下降到年均約1 600人。但隨著當前人口的迅猛增長，人類活動范圍的不斷擴張，以及全球變暖為主要特征的氣候變化，增大了洪澇災害發(fā)生的概率，人員的生命安全依然面臨著非常嚴峻的挑戰(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，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)標準，對洪水風險評估具有重要意義。

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，也是記錄洪水過程的重要手段。影像資料中的人體失穩(wěn)過程反應了實際洪水情況，更有利于相關研究的開展。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)標準，更可推廣擴展至車輛、房屋等受淹對象失穩(wěn)條件的獲取，將為城市洪水風險分析及管理提供參考依據(jù)。

技術實現(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程度、指導受災群眾的逃生、以及城市洪水風險分析提供科學依據(jù)。

本發(fā)明的原理為：城市洪水相關影像資料中的物體長度與實際物體長度之間具有一定的比例關系，據(jù)此確定圖上距離與實際距離的比尺，進而計算人體所在位置的水深；再根據(jù)視頻中一段時間內(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，確定比尺關系，計算人體失穩(wěn)的水深與流速，采用洪水中人體失穩(wěn)的曲線，驗證資料中人體失穩(wěn)數(shù)據(jù)的準確性。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際人體的比尺關系的方法，進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際長度的參照物，根據(jù)參照物的實際長度與圖上長度確定比例關系；

步驟(1.2)，若影像資料中沒有具有已知實際長度的參照物，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的關系，確定人體的手臂長度，再確定資料中物體實際長度與圖上長度的比例關系；

步驟(1.3)，根據(jù)步驟(1.1)或步驟(1.2)確定的比例關系，計算相應的來流水深；

步驟(2)，將影像資料分為具有漂浮物的視頻資料、圖片資料和沒有漂浮物的視頻資料，然后根據(jù)視頻資料中漂浮物移動距離計算視頻資料中的水流流速，根據(jù)伯努利方程計算圖片或沒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)，對于具有漂浮物的視頻資料，可根據(jù)一段時間內(nèi)漂浮物移動的距離確定水面流速，考慮水面流速與垂線平均流速的關系，計算人體前方水流的平均流速；

步驟(2.2)，對于圖片或沒有漂浮物的視頻資料，可測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)曲線檢驗方法的可靠性，具體步驟如下：

步驟(3.1)，通過理論分析，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)的試驗數(shù)據(jù)、其他人的真人失穩(wěn)的試驗數(shù)據(jù)與步驟(3.2)繪制的曲線進行對比，檢驗上述方法的可靠性。

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度的參照物的實際長度，L_s為影像資料中已知長度的參照物的圖上長度；選取的已知長度的參照物應靠近洪水中的人體。

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

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

H＝H_p-H_bPOUT

其中，H_P為影像資料中人體的實際身高，H_P＝L_aP÷34.4％，L_ap為影像資料中人體的實際臂長；H_bPOUT為影像資料中人體露出水面的實際高度，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度。

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

H＝H_Pavg-H_bPOUT

其中，H_Pavg為影像資料所在區(qū)域的人體的實際平均身高；H_bPOUT為影像資料中人體露出水面的實際高度；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的計算公式為：

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

所述步驟(2.2)中，先測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種實際物體與影像資料比尺關系的確定方法。如資料中人體附近有確定長度的物體，以實際長度與圖上長度的比值作為比尺；如資料中人體附近沒有確定長度的物體，取資料所在地區(qū)的平均身高為參考值，根據(jù)人體臂長與身高之間的關系，確定實際臂長和圖上臂長的比值作為比尺；

(2)根據(jù)比尺關系確定水深和流速，流速的計算方法分為2種。對于視頻資料而言，可根據(jù)一段時間內(nèi)漂浮物移動的距離確定水面水流流速，考慮水面流速與平均流速的關系，計算當前水流的平均流速；對于圖片資料來講，可測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)標準，同時也將為城市、灘區(qū)、蓄滯洪區(qū)等洪水風險分析及管理提供參考依據(jù)。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法的流程圖；

圖2洪水中人體各部分長度測量示意圖；

圖3伯努利方程中兩個斷面示意圖；

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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步說明。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際人體的比尺關系的方法，進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度的參照物，根據(jù)參照物的實際長度與圖上長度確定比例關系；

考慮拍攝角度、距離等問題，已知實際長度的參照物應靠近洪水中的人體。假定影像資料中已知實際長度的參照物的實際長度為L_p，圖上長度為L_s，則該影像資料的比尺S為：

步驟(1.2)，若影像資料中沒有具有已知長度的參照物，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的關系，確定人體的手臂長度，以計算影像資料中物體實際長度與圖上長度的比尺；

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

L_aP＝H_Pavg×34.4％ (2)

而圖2中人體手臂彎曲，可分為L_a1和L_a2兩部分，由此計算人體的圖上臂長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)確定圖上距離與實際距離的比尺關系S，再計算相應的來流水深。

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

L_aP＝L_aS×S (5)

那么人體的實際身高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_b1、L_b2和L_b3 3部分，則圖上人體露出水面的長度為H_bSOUT為：

H_bSOUT＝L_b1+L_b2+L_b3 (7)

計算人體露出水面的實際高度H_bPOUT為：

H_bPOUT＝H_bSOUT×S (8)

那么實際水深H為人體實際身高與人體露出水面的實際高度的差值：

H＝H_p-H_bPOUT (9)

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

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、圖片資料和沒有漂浮物的視頻資料，然后根據(jù)視頻資料中漂浮物移動距離計算視頻資料中的水流流速，根據(jù)伯努利方程計算圖片或沒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)，對于具有漂浮物的視頻資料而言，可根據(jù)一段時間內(nèi)漂浮物移動的距離確定水面流速，考慮水面流速與垂線平均流速的關系，計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時間段內(nèi)圖上運動了ΔL的距離，那么水面的實際流速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)，對于圖片或沒有漂浮物的視頻資料來講，如圖3，先測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，對于斷面1-1’和2-2’的伯努利方程為：

式中，等式左右3項的物理意義分別為位置水頭，壓強水頭和流速水頭。ρ為水流密度，g為當?shù)氐闹亓铀俣取?-1’斷面有：Z₁是斷面1-1’中某點相對基準面的標高，P₁是該點的壓強，U₁是該點的流速。相應的2-2’斷面有，Z₂是斷面2-2’中某點相對基準面的標高，P₂是該點的壓強，U₂是該點的流速。

發(fā)明近似認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’測壓管水頭(位置水頭與壓強水頭之和)增大，產(chǎn)生ΔH的壅水。圖3中1-1’和2-2’兩個斷面的水深分別為H₁、H₂(ΔH＝H₂-H₁)。漸變流的過水斷面存在測壓管水頭是常數(shù)，水流流速在垂向均勻分布，均為平均流速。圖3中取地面為基準面，那么1-1’和2-2’斷面的測壓管水頭分別為：

1-1’斷面：

2-2’斷面：

代入采用伯努利方程(式14)，求解實際洪水中人體前方的平均流速，即：

式中，g為當?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)曲線檢驗方法的可靠性，具體步驟如下：

步驟(3.1)，通過理論分析，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的參數(shù)，經(jīng)計算可得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)的水槽試驗結(jié)果率定，經(jīng)計算得到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)的試驗數(shù)據(jù)(人體失穩(wěn)時的水流流速和水深)、其他人的真人失穩(wěn)的試驗數(shù)據(jù)(人體失穩(wěn)時的水流流速和水深)與步驟(3.2)繪制的曲線進行對比，檢驗上述方法的可靠性。

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)真實失穩(wěn)的實驗數(shù)據(jù)進行對比，可以看出，Xia等(2013)提出的失穩(wěn)標準曲線偏低，是由于公式采用模型人體水槽試驗結(jié)果進行率定，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的數(shù)據(jù)較為靠近，可以認為方法是可靠的。