基于激光边缘检测的坡面流滚波测量与不稳定性分析研究

《Computers and Electronics in Agriculture》：Laser-based edge-detection system for measuring overland flow depth and instability analysis under laboratory conditions

本文推荐一种基于激光边缘检测算法的坡面流深度测量系统，通过亚克力板与水体实验验证其稳定性（平均相对误差<5%），并首次提出利用表面粗糙度（SR）量化滚波（Roll Waves）发育。研究发现流量（Q）与测量断面显著影响平均波高与峰值深度（p<0.01），SR值由发育初期<2.5增至完全发育期>4，其累积分布函数（CDF）曲线形态可有效表征波形演化规律，为坡面流不稳定性与土壤侵蚀机制研究提供新方法。

　　

Highlight

本研究通过亚克力板与水流实验验证了基于边缘检测算法的坡面流深度测量系统的适用性，首次提出利用表面粗糙度（Surface Roughness, SR）对滚波进行多断面量化表征。结果表明，两种材料的计算水深差异微小（平均相对误差<5%），系统稳定性良好。流量与测量断面对滚波参数存在差异化影响：流量主要影响平均水深（p<0.001），而流量与断面的交互作用显著影响平均波高和平均峰值深度（p<0.001和p=0.01）。随着流量增加及靠近出水口，水流波动加剧，SR值从初期<2.5升至完全发育期>4，波形由高频碎波向低频孤立波演化。SR的累积分布函数（CDF）曲线斜率与聚集特征可直观反映不同断面的水面起伏差异，为滚波发生与发展机制解析提供新视角。

结论

本研究基于边缘检测算法评估了坡面流深度测量系统在亚克力板与水流实验中的适用性，通过表面起伏测量实现了滚波发育过程的量化分析。创新性引入表面粗糙度（SR）及其累积分布函数（CDF）曲线表征滚波空间演化规律，证实系统在捕捉瞬态波形方面的可靠性。研究成果为坡面流不稳定性研究与土壤侵蚀防控提供了高精度数据支撑。