一種基于高清攝影的薄層水流滾波測量系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高清攝影的薄層水流滾波測量系統(tǒng)與方法，是一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法，是一種用于水力學(xué)測量的系統(tǒng)和方法，是一種用于室內(nèi)外薄層液流過程中滾波特征參數(shù)的水工測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]坡面水流，恒定、均勻的明渠水流等在一定臨界條件下，其表面常常會失穩(wěn)而發(fā)育一系列的波動過程。這些波動可能是周期性的，波速和波形都保持不變，并且波速始終大于水流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度;另一方面，波動也可能是非周期性的，波形和波速在傳播的過程中不斷發(fā)生演化，最終發(fā)生破碎。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為滾波。滾波常見于自然坡面、城市路面、水電站的泄水陡槽和大壩的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滾波的出現(xiàn)會帶來一系列不利的后果，例如水流從恒定流變?yōu)榉呛愣?增強(qiáng)水流對坡面土壤的侵蝕能力使土壤顆粒發(fā)生剝離及輸移泥沙的能力;波峰處的水深超過河(渠)道的設(shè)計(jì)水深，造成溢流;強(qiáng)烈的水流摻氣作用，造成霧化現(xiàn)象；同時(shí)對河(渠)道上的水工建筑物造成超負(fù)荷的壓力或者應(yīng)力等等。因此，研究滾波形成的臨界條件及其演化規(guī)律，對于土壤侵蝕過程及水土保持措施配置，以及工程實(shí)踐中如何消除滾波以及相關(guān)學(xué)科的理論研究，例如動床阻力和水流輸沙等都有著重要意義。特別是下墊面較為復(fù)雜或糙率較大的條件下，如自然侵蝕的黃土坡面、覆有枯枝落葉層的林地地面、草地等，滾波的發(fā)生和發(fā)展對坡面水流的侵蝕、搬運(yùn)過程，以及污染物擴(kuò)散過程具有重要影響。獲得不同條件下的滾波特征是開展薄層水流水動力學(xué)研究的基礎(chǔ)和前提?，F(xiàn)有的觀測則是利用水文測針直接觀測，該方法主要由人工確定測針與滾波的相對位置，由于是人工目視測量，而滾波的變化極快，人眼目測往往不能達(dá)到應(yīng)有的效果，測量難以保證精度，由于人為的測量，其穩(wěn)定性較差，每次的測量結(jié)果均不相同，只能增加測量次數(shù)，使用統(tǒng)計(jì)的方法近似的獲得測量。這種方式使?jié)L波測量變成了一種需要重復(fù)多次的繁復(fù)體力勞動，隨著人的體力下降，其精度也變得越來越差。因此，需要一種精確的系統(tǒng)代替這種繁重的體力測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種基于高清攝影的薄層水流滾波測量系統(tǒng)與方法，所述的系統(tǒng)和方法基于高清晰度的攝影，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜下墊面條件下薄層水流的滾波特征參數(shù)及其變化過程，獲取研究滾波所必要的各種特征參數(shù)，以便對滾波進(jìn)行深入的研究。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種基于高清攝影的薄層水流滾波測量系統(tǒng)，包括:水流經(jīng)過的坡面，所述坡面上架設(shè)具有自動記錄時(shí)間的高清數(shù)字取像器，所述高清數(shù)字取像器的拍攝視野范圍內(nèi)的坡面上設(shè)有定位標(biāo)志，所述的高清數(shù)字取像器依次與滾波識別器、圖像校準(zhǔn)器、滾波參數(shù)計(jì)算控制器連接，所述的滾波參數(shù)計(jì)算控制器與高清數(shù)字取像器連接。
[0005]進(jìn)一步的，所述的坡面上方設(shè)有輔助光源。
[0006]進(jìn)一步的，所述的輔助光源包括多個(gè)點(diǎn)光源與漫反射板。
[0007]進(jìn)一步的，所述的坡面是實(shí)驗(yàn)水槽的底面，所述的實(shí)驗(yàn)水槽上設(shè)有坡面水流水源；所述的試驗(yàn)水槽包括:安裝所述固定架的兩側(cè)槽幫和與所述的槽幫連接的槽底，所述的槽幫和槽底設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)架上，所述的鋼結(jié)構(gòu)架一端設(shè)置鉸鏈，另一端設(shè)置升降機(jī)構(gòu)，所述的實(shí)驗(yàn)水槽在鉸鏈一端設(shè)置出水口，所述的出水口與循環(huán)水池管道連接;所述的高清數(shù)字取像器，安裝在一條可以使高清數(shù)字取像器沿水流方向前后移動的導(dǎo)軌上。
[0008]進(jìn)一步的，所述的槽底是玻璃、塑料、金屬板或夯實(shí)并板結(jié)的平整泥土面中的一種。
[0009]進(jìn)一步的，所述的滾波發(fā)生器包括:安裝在坡面上方的、縱橫排列的噴水口陣列，所述的噴水口陣列通過流量控制閥和水栗與循環(huán)水池管路連接。
[0010]進(jìn)一步的，所述的坡面水流水源包括:設(shè)置在所述的水槽與出水口相對的另一端的至少一個(gè)進(jìn)水口，所述的進(jìn)水口通過流量控制閥和水栗與循環(huán)水池管道連接。
[0011]—種使用上述系統(tǒng)的基于高清攝影的薄層水流滾波測量方法，所述方法的步驟如下:
設(shè)置的步驟:用于記錄或設(shè)定水流坡面的坡度，設(shè)定高清數(shù)字取像器，使高清數(shù)字取像器鏡頭正對滾波可能出現(xiàn)的坡面，并保證被測區(qū)域和定位標(biāo)志均在取景框內(nèi)，且被測區(qū)域在取景框中的面積盡可能得大，記錄各個(gè)定位標(biāo)志之間的距離和位置坐標(biāo)，設(shè)定輔助光源；形成薄層水流的步驟:用于等待坡面形成薄層水流，或設(shè)定流量并開啟滾波發(fā)生器，在水流坡面上形成滾波水流；
拍攝的步驟:用于開啟高清數(shù)字取像器對測試區(qū)域的滾波水流進(jìn)行拍攝，以數(shù)秒的間隔拍攝兩張以上的照片，拍攝的同時(shí)記錄拍攝的時(shí)間和拍攝的畫面像素質(zhì)量；
提取滾波特征線的步驟:用于對拍攝的照片的亮度進(jìn)行分析，得到滾波特征線；
圖像處理的步驟:用于將拍攝的各個(gè)測試圖像進(jìn)行正射校正，根據(jù)所拍攝照片的畫面像素質(zhì)量、定位標(biāo)志的坐標(biāo)以及拍攝點(diǎn)位置的坐標(biāo)建立測量坐標(biāo)系，準(zhǔn)確的找出滾波特征線的準(zhǔn)確坐標(biāo)；
計(jì)算滾波波速的步驟:用于提取照片生成時(shí)間，利用不同照片所拍攝的時(shí)間間隔信息和和滾波特征線的坐標(biāo)位置信息計(jì)算滾波特征線的位移速度；
計(jì)算滾波頻率的步驟:利用多張連續(xù)照片，檢測通過指定斷面的滾波個(gè)數(shù)，利用個(gè)數(shù)和時(shí)間計(jì)算指定斷面的滾波通過頻率。
[0012]進(jìn)一步的，所述的提取滾波特征線的步驟中對滾波特征線的識別利用高通濾波算法對整張照片進(jìn)行檢測，將亮度高滾波特征線檢測出來。
[0013]進(jìn)一步的，所述的提取滾波特征線的步驟包括如下子步驟:
照片中沿水流方向的中線寬，進(jìn)行像素亮度值對比，連續(xù)3個(gè)像素亮度值大于平均值的位置即為滾波特征線的中間位置；
從滾波特征線的中間位置向周圍搜索找到滾波特征線在照片中的其他位置。
[0014]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用高清晰度的數(shù)字取像器，連續(xù)捕捉高速運(yùn)動的滾波照片，應(yīng)用數(shù)字圖像分析技術(shù)對照片中的滾波進(jìn)行分析，獲取滾波的各個(gè)特征參數(shù)。由于獲取標(biāo)定計(jì)算等一系列工作均由計(jì)算機(jī)控制完成，與傳統(tǒng)的本發(fā)明能夠在觀測區(qū)域能設(shè)置多點(diǎn)同時(shí)試驗(yàn)和觀測，視場寬闊可以很好的解決較大區(qū)域的薄層水流流速觀測。因?yàn)橹饕菙?shù)字圖像處理，既適應(yīng)室內(nèi)工作也適應(yīng)野外工作。由于現(xiàn)場工作量較小，特別適用在野外惡劣情況下工作。由于觀測過程只需較少記錄，使觀測記錄過程更加客觀，人為影響和主觀誤差較小。能夠?qū)崿F(xiàn)水流示蹤段的過程觀測記錄，實(shí)現(xiàn)滾波波速、頻率等多個(gè)特征值的直接觀測和計(jì)算，使薄層水流過程的觀測和計(jì)算更加科學(xué)和準(zhǔn)確。本發(fā)明所述系統(tǒng)充分利用現(xiàn)成技術(shù)成熟的一些硬件、軟件，將其進(jìn)行組合，實(shí)驗(yàn)成本很低，經(jīng)濟(jì)性好，精度卻可以到達(dá)相當(dāng)高的程度。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0016]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一、二所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例四、六所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例七所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例十所述滾波識別示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例一:
本實(shí)施例是一種基于高清攝影的薄層水流滾波測量系統(tǒng)，如圖1所示。本實(shí)施例包括:水流經(jīng)過的坡面I，所述坡面上架設(shè)具有自動記錄時(shí)間的高清數(shù)字取像器2，所述高清數(shù)字取像器的拍攝視野范圍內(nèi)的坡面上設(shè)有定位標(biāo)志3，所述的高清數(shù)字取像器依次與滾波識別器4、圖像校準(zhǔn)器5、滾波參數(shù)計(jì)算控制器6連接，所述的滾波參數(shù)計(jì)算控制器與高清數(shù)字取像器連接。
[0018]本實(shí)施例通過高清數(shù)字取像器在被產(chǎn)生滾波的坡面正上方攝取水面滾波信息的照片，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行照片的正射糾正，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對正射糾正后的照片進(jìn)行滾波紋理提取或者直接人工判讀，獲得滾波的弧度、長度、破碎狀況等，利用多張?zhí)幚砗蟮恼掌崛L波的波速、頻率等參數(shù)。本實(shí)施例通過高清數(shù)字取像器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成科學(xué)高效的滾波水流特征快速測定系統(tǒng)，可以有效避免滾波運(yùn)動過程中的合并現(xiàn)象等對觀測造成的影響，使薄層水流特征參數(shù)測定更加精確和高效，操作更加方便，試驗(yàn)的過程更加易于控制。
[0019]為使攝影使?jié)L波的波峰更加明顯，可以在滾波產(chǎn)生的坡面上方設(shè)置輔助光源。輔助光源可以射燈或帶有漫反射光板的點(diǎn)光源，點(diǎn)光源可以是白熾燈或LED燈。
[0020]所述的坡面可以是專門用來實(shí)驗(yàn)的水槽，也可以是符合實(shí)驗(yàn)條件的野外自然坡面。其條件是具有一定坡度的平坦坡面，坡面的下墊面可以是平坦的泥土辦結(jié)面，在下雨或有水源的情況下能夠產(chǎn)生薄層水流，并在薄層水流中生成滾波，同時(shí)還要滿足便于架設(shè)高清數(shù)字取像器(照相機(jī))。
[0021]專門為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的