水文学家和其他科学家使用声学多普勒电流剖面仪(ADCPs)来测量河流和其他水道中的水流体积率或流量。流量测量用于预测洪水和低水位情况。虽然这样的测量是有价值的，但adcp提供的数据也可以用来创建一个更详细的河流水速分布图。
速度映射工具箱(VMT)，在MATLAB中构建®，使美国地质调查局(USGS)能够快速处理ADCPs记录的所有原始数据。其结果是更好地理解空间流量分布和时间流量变化，使VMT成为各种应用的有价值的工具。环境科学家用它来检测野生动物栖息地附近建筑物周围的水流分布。能源公司用它来确定潮汐涡轮机的最佳位置。
美国地质调查局在各种项目和研究中使用了VMT。例如，他们用它来帮助美国陆军工程兵团评估密西西比河和俄亥俄河汇合处的流量分布，这样驳船就可以在2011年创纪录的洪水中安全地航行。美国地质调查局的科学家们使用VMT研究河流中的弯曲弯曲，并确定可能需要在哪里进行海岸线保护以防止侵蚀，可视化五大湖近岸和河口地区的流动，以了解污染物的运输，并帮助海滩健康研究，并研究五大湖支流运输亚洲鲤鱼卵的能力，以确定入侵物种的合适产卵栖息地。
VMT和ADCPs加快了依赖流量数据的研究步伐。在ADCP引入之前，研究人员使用声学多普勒测速仪或机械流速仪，它们对水柱中的一个点进行采样，而不是同时对整个水柱进行采样。研究团队可能要花几天时间进行流量测量，然后用电子表格处理数据。今天，VMT可以在几分钟内完成相同的分析。
收集数据
流量数据通过在装有ADCP的船上横切河流、溪流或湖泊来收集(图1)。
ADCP将声音脉冲传输到水中，并处理流体流动中移动的颗粒反射回来的回声(图2)。
通过确定发射脉冲返回到ADCP的多普勒频移，可以用a计算粒子的速度先天的了解换能器几何和三角函数关系。当船移动时，ADCP会用GPS记录船的位置。利用脉冲频率测量以及俯仰、横摇、航向和位置数据，仪器计算并记录了仪器下方水柱的三维速度数据向量。此外，ADCP还记录深度探测、水面温度和声波后向散射(水柱中颗粒反射的声音量)。通过适当的校准，声波后向散射可以显示水中悬浮的沉积物量。
数据收集是一个迭代过程，至少每秒测量一次垂直速度剖面，从而产生大量数据。为了获得流经水体的流量的精确测量，美国地质调查局的研究人员完成了河流的多个横断面，每个横断面由数百到数千个垂直样本组成。垂直样本由一组向量表示，其中可能包含数十个单独的三维速度测量值。一个大型河流断面的数据集包含10万多个数据点是很正常的，而一个完整的研究可能需要10到30个断面。
开发速度映射工具箱
VMT由为过去的研究项目开发的MATLAB代码演变而来。为了让研究人员能够处理和可视化他们自己的ADCP数据，VMT背后的代码被修改为通用用途。对应用程序的修改包括添加新特性和增强的数据分析和可视化功能。利用MATLAB中健壮的内置插值技术，开发了用于聚合多个横断面结果的新算法。通过使用Mapping Toolbox™功能，VMT能够对测量的流场进行高质量的地理参考可视化，这一特性使研究人员能够在进行测量的物理环境中进行分析。
VMT的发展包括为ADCP数据添加更多的可视化工具。例如，研究人员可以比较不同深度和地层的流速数据，绘制主要和次要环流模式，并在航空地图上绘制深度平均速度(图3)。
VMT图形界面的开发使得研究人员可以轻松地从adcp生成的ASCII文件或mat文件中导入数据(图4)。研究人员可以使用该接口加载和处理数据文件，创建易于理解的2D和3D MATLAB速度数据图(图5)，导出处理后的数据和图形，以便进一步分析和可视化。或访问vmt相关的数据处理实用程序，使数据可用于其他程序，如地理信息系统(GIS)和谷歌地球®．通过MATLAB Compiler™，VMT的开发人员创建了应用程序的独立可执行版本，研究人员可以在不安装MATLAB的情况下使用。
革命性的速度映射
除了VMT, USGS研究人员还使用MATLAB开发了用于分析时间序列流动数据的工具，以及可用于校准ADCP或类似的基于多普勒仪器的声学后向散射的工具，以便在现有USGS流量上进行持续悬浮沉积物监测。美国地质调查局甚至向ADCP制造商提供了MATLAB代码，以帮助他们改进计算总排放量的算法。这些工具与VMT一起，正在帮助改变全球地表水水文学家的研究和数据分析程序。
研究人员用VMT分析数据的速度导致了研究进行方式的重大变化。如今，研究人员可以在现场的笔记本电脑上运行VMT，并几乎实时地立即处理ADCP数据。如有必要，这些结果将用于指导该地区进一步的数据收集。这种方法在过去是不可能的，因为流量分析可能需要几个月的时间才能完成，而且得出的结果分辨率较低。
启用开放开发
VMT不仅仅是一个原型，而是一个具有易于使用的界面的生产应用程序，即使对于没有MATLAB经验的科学家和研究人员也是如此。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将他们作为水文专家的专业知识应用于自己创建生产软件，而不依赖于程序员。在工具箱的整个开发过程中，VMT开发人员整合了许多来自MATLAB科学用户社区的想法和脚本。
来自USGS的VMT开发人员最近聘请了MathWorks顾问来帮助提高MATLAB代码的效率和性能，并增强界面布局。作为这项工作的一部分，VMT代码变得更加模块化，并帮助其他用户作为开源开发工作的一部分来改进和增强它。源代码可在谷歌code上下载。
关于USGS VMT的主要开发人员
P. Ryan Jackson博士是美国地质调查局的水文学家，Frank L. Engel博士是地理学家。两人都拥有伊利诺伊大学香槟分校的博士学位，杰克逊博士从事土木工程，恩格尔博士从事地理学。杰克逊博士擅长环境流体力学，并将ADCP与水质仪器配对，以研究全国各地河流和湖泊的运输和混合问题。恩格尔博士擅长河流地貌学，研究曲流和河流中流动演变和沉积物运输之间的相互作用。
