分析和可视化与MATLAB流入河流和湖泊

水文学家和其他科学家使用声学多普勒当前profiler (adcp)来测量水的体积率流,或排放,河流和其他水路。流量测量是用来预测洪水和低水位条件。虽然这样的测量是有价值的,adcp提供的数据也可以用来创建一个更加详细的图片在水的流速分布。

速度映射工具箱(车辆行驶里程),建在MATLAB^®,使美国地质调查局(USGS)迅速处理所有adcp的原始数据记录。结果是一个更好的理解空间流分布和时间流变化,使车辆行驶里程的各种应用程序的一个有价值的工具。周围环境科学家使用它来检查流分布结构附近的野生动物栖息地。能源公司用它来识别潮汐涡轮机的最佳位置。

美国地质调查局已经使用在各种各样的项目和研究车辆行驶里程。例如,他们用它来帮助美国陆军工程兵团评估流分布在密西西比河和俄亥俄河的交汇处,驳船可以安全地浏览肿胀河流洪水在创纪录的2011。美国地质调查局的科学家利用车辆行驶里程研究蜿蜒弯曲的河流和确定海岸线保护可能需要防止侵蚀、可视化流在近岸和rivermouth地区大湖了解污染物的运输和援助沙滩健康研究,和学习能力的大湖支流运输亚洲鲤鱼鸡蛋来确定合适的产卵入侵物种的栖息地。

车辆行驶里程和adcp增加研究的步伐,依靠流动数据。ADCP的引入之前,研究人员利用声学多普勒测速仪或机械目前米,水柱中采样一个点而不是整个水柱同时本质上。团队可以花几天的流量测量和几个月与电子表格处理数据。今天,几分钟内车辆行驶里程可以完成相同的分析。

收集数据

流数据收集的横切河,湖流,或在船上配备一个ADCP(图1)。

ADCP传递声音脉冲到水和处理的回声反射粒子移动的流体流动(图2)。

通过确定发射脉冲的多普勒频移回到ADCP,粒子的速度可以计算使用先天的传感器几何和三角关系的知识。随着船,ADCP记录使用全球定位系统(GPS)的地位。使用脉冲频率测量,一起滚,标题,和位置数据,三维速度的仪器计算和记录向量数据下的水柱乐器。ADCP记录深度调查,另外,水表面温度,声波反散射(声音的数量反映了粒子在水里列)。通过适当的校准,声波反散射可以显示大量的泥沙悬浮在水中。

数据收集是一个迭代的过程,垂直速度剖面测量每秒至少一次,导致大量数据。获得流量的精确测量的水域,美国地质调查局研究人员完成多个河的横断面,每个组成的,成千上万的垂直样品。垂直样品是由一组向量可能包含多个3 d速度测量。这不是不寻常的为一个大型数据集河横截面包含超过100000数据点,和一个完整的研究可能需要10到30横截面。

发展速度映射工具

车辆行驶里程从MATLAB代码进化为过去的研究开发项目。允许研究人员处理和可视化ADCP资料,自己的车辆行驶里程背后的代码被修改为通用的使用。修改应用程序中添加新特性和增强功能的数据分析和可视化。新颖的算法结果聚合来自多个横切开发使用的内置在MATLAB插值技术。通过使用映射工具箱™功能,车辆行驶里程是能够产生外观质量地理坐标测量流动领域的可视化功能,使研究人员的上下文中设置他们的分析测量的物理环境。

车辆行驶里程的发展包括添加更多ADCP数据的可视化工具。举例来说,研究人员可以比较流速数据在不同深度和地层,图中小流通模式和情节泥沙速度航拍地图上(图3)。

车辆行驶里程的图形界面的开发使研究人员更容易从ASCII文件导入数据或mat文件由adcp(图4)。研究人员可以使用此接口来加载和处理数据文件,创建易于理解的2 d和3 d MATLAB块速度数据(图5),出口数据和数据进行进一步分析和可视化处理,或访问VMT-related数据处理工具,使数据可用的其他项目,如地理信息系统(GIS)和谷歌地球^®。用MATLAB编译器™,车辆行驶里程的开发人员创建了一个独立的可执行版本的应用程序,研究人员可以使用没有安装MATLAB。

革新速度的映射

除了车辆行驶里程,美国地质调查局研究人员使用MATLAB开发工具分析时间序列流数据,和工具,可用于校准声ADCP或类似的后向散射Doppler-based工具在现有地质调查局streamgages连续悬浮沉积物监测。美国地质调查局甚至ADCP制造商提供的MATLAB代码来帮助他们提高他们的算法计算整体放电。这些工具,车辆行驶里程,正在帮助变化研究和数据分析程序地表水水文学家。

研究人员分析数据的速度与车辆行驶里程导致重大变化的方式进行研究。今天,研究人员在这个领域可以在笔记本电脑上运行车辆行驶里程和过程ADCP实时数据立即在附近。结果用于指导进一步的数据收集,如果必要的。这种方法在过去是不可能的,因为流分析可能需要几个月才能完成,结果分辨率较低。

使开放发展

车辆行驶里程不仅仅是一个原型,但生产应用程序接口,便于使用,甚至没有MATLAB经验的科学家和研究人员。使用MATLAB开发应用程序的一个关键优势是美国地质调查局的科学家可以运用他们的专业知识水文学家自己创建生产软件,不依赖程序员。整个开发的工具箱,车辆行驶里程开发者注册的许多想法和脚本从科学MATLAB的社区用户。

美国地质调查局最近的车辆行驶里程开发商参与MathWorks顾问帮助提高效率和性能的MATLAB代码和提高界面的布局。作为这一努力的一部分,车辆行驶里程的代码更加模块化和帮助其他用户改进和增强它作为一个开源的开发工作的一部分。可供下载的源代码是在Google代码。

美国地质调查局的车辆行驶里程的主要开发人员

p·瑞恩·杰克逊是一个水文专家博士和弗兰克·l·恩格尔是地理学家美国地质调查局(U.S. Geological Survey)。都持有从伊利诺伊大学香槟分校博士,杰克逊在土木工程博士和恩格尔在地理。杰克逊在环境流体力学专业博士和对一个ADCP水质仪表研究运输和混合问题在全国河流和湖泊。恩格尔博士专攻河流地貌学研究之间的交互流的演化,在蜿蜒的小溪和河流沉积物运移。