用MATLAB分析和可视化河流和湖泊的流动

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水流或流量的体积速率。流量测量被用来预测洪水和低水位情况。虽然这些测量是有价值的，但ADCPs提供的数据也可以用来创建河流中水流速度分布的更详细的图像。

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分布和时间流变化，使VMT成为各种应用的有价值的工具。环境科学家使用它来检查野生动物栖息地附近的结构周围的流动分布。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都使用了VMT。例如，他们用它来帮助美国陆军工兵部队评估密西西比河和俄亥俄河汇合处的水流分布，以便驳船在2011年创纪录的洪水期间能够安全地在暴涨的河流中航行。美国地质调查局的科学家使用VMT研究河流的曲流弯曲，并确定可能需要在哪里保护海岸线以防止侵蚀，可视化五大湖近岸和河口地区的流量，以了解污染物的运输和帮助海滩健康研究，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加快了依赖流数据的研究步伐。在引入ADCP之前，研究人员使用的是声学多普勒测速仪或机械流速仪，它们对水柱中的一个点采样，而不是基本上同时对整个水柱采样。研究团队可能要花几天时间进行流量测量，用电子表格处理数据需要几个月的时间。如今，VMT可以在几分钟内完成同样的分析。

收集数据

流量数据是通过在装有ADCP的船上横切河流、小溪或湖泊来收集的(图1)。

ADCP将声脉冲传输到水中，并处理在流体流动中移动的粒子反射回来的回声(图2)。

通过确定发射脉冲返回ADCP的多普勒频移，可以使用先天的了解换能器的几何和三角关系。当船移动时，ADCP使用GPS记录它的位置。利用脉冲频率测量以及俯仰、横摇、航向和位置数据，该仪器计算并记录仪器下方水柱的三维速度数据向量。此外，ADCP还记录了深度探测、水面温度和声波后向散射(水柱中粒子反射的声波量)。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的过程，垂直速度剖面至少每秒测量一次，从而产生大量的数据。为了获得对流经水体的流量的精确测量，USGS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。一个垂直样本由一组向量表示，这些向量可能包含数十个独立的3D速度测量。单个大型河流横截面的数据集包含10万多个数据点并不罕见，而一个完整的研究可能需要10到30个横截面。

开发速度映射工具箱

VMT是从为过去的研究项目开发的MATLAB代码演变而来的。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为数据分析和可视化添加新功能和增强功能。使用MATLAB中健壮的内置插值技术，开发了用于聚合来自多个横断面的结果的新算法。通过使用Mapping Toolbox™功能，VMT能够生成被测流场的显示质量的地理参考可视化，该特性使研究人员能够在进行测量的物理环境上下文中设置他们的分析。

VMT的演变包括为ADCP数据增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，绘制一次和二次环流模式，并在航拍地图上绘制深度平均流速(图3)。

VMT图形界面的开发使得研究人员可以很容易地从ADCPs生成的ASCII文件或mat文件中导入数据(图4)。研究人员可以使用这个界面加载和处理数据文件，创建易于理解的二维和三维速度数据MATLAB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Earth^®。有了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。

革新速度的映射

除了VMT, USGS的研究人员还使用MATLAB开发了分析时间序列流量数据的工具，以及用于校准ADCP或类似基于多普勒仪器的声学后向散射的工具，用于现有USGS流量表的持续悬浮沉积物监测。USGS甚至向ADCP制造商提供了MATLAB代码，以帮助他们改进计算总体流量的算法。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，并近乎实时地立即处理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。

使开放发展

VMT不仅仅是一个原型，而是一个生产应用程序，它的界面使其易于使用，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开发该应用程序的一个关键优势是，USGS科学家可以将他们作为水文学家的专业知识应用到自己创建生产软件上，而不需要依赖程序员。在整个工具箱的开发过程中，VMT开发人员整合了来自科学MATLAB用户社区的许多想法和脚本。世界杯预选赛小组名单

来自USGS的VMT开发人员最近聘请MathWorks顾问帮助提高MATLAB代码的效率和性能，并增强界面布局。作为这一努力的一部分，VMT代码变得更加模块化，并帮助其他用户改进和增强它，作为开源开发工作的一部分。源代码可以在谷歌code上下载。

关于主要USGS VMT开发者

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，杰克逊博士主修土木工程，恩格尔博士主修地理学。Jackson博士专门研究环境流体力学，并将ADCP与水质仪器配对，研究全国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和研究曲流溪流和河流中流动演变和泥沙运输之间的相互作用。