تتبع الجسيمات لاغرانجي القائم على الصورة في التجارب السرير تحميل
Summary
تعرض المخطوطة بروتوكولا لإجراء تجارب نقل الرواسب ذات الأحمال السرير حيث يتم تتبع الجسيمات المتحركة بتحليل الصور. ويقدم المرفق التجريبي، وإجراءات إدراك التشغيل ومعالجة البيانات، وأخيرا بعض نتائج إثبات المفهوم.
Abstract
وقد استخدم تحليل الصور بصورة متزايدة لقياس تدفقات الأنهار نظرا لقدراتها على تقديم صور كمية مفصلة بتكلفة منخفضة نسبيا. تصف هذه المخطوطة تطبيق الجسيمات تتبع فيلويمتري (بتف) لتجربة السرير الحمل مع الرواسب خفيفة الوزن. وكانت الخصائص الرئيسية لظروف نقل الرواسب التي تم التحقيق فيها وجود تدفق مغطى وسرير خام ثابت فوقه تم إطلاق الجسيمات في عدد محدود في مدخل الدفق. في ظل ظروف التدفق المطبق، كانت حركة جزيئات الحمل الفردية متقطعة، مع تناوب الحركة وشروط السكون. وقد اتسم نمط التدفق مبدئيا بقياسات صوتية لمحات عمودية لسرعة التدفق. خلال عملية التصور، تم الحصول على حقل كبير من الرأي باستخدام اثنين من كاميرات العمل وضعت في مواقع مختلفة على طول المسلك. ويرد وصف البروتوكول التجريبي من حيث تشاننيل المعايرة، تحقيق التجربة، صورة ما قبل المعالجة، وتتبع الجسيمات التلقائي، وما بعد المعالجة من البيانات المسار الجسيمات من الكاميرات اثنين. وتشمل النتائج المعروضة على إثبات المفاهيم توزيعات الاحتمال لطول القفزة الجسيمية ومدتها. وتقارن إنجازات هذا العمل مع تلك الموجودة في الأدبيات الحالية لإثبات صحة البروتوكول.
Introduction
منذ أعمال رائدة ظهرت منذ عقود 1 ، 2 ، واستخدام تحليل الصور لدراسة النقل الرواسب النهر قد تزايد باستمرار. وقد أثبتت هذه التقنية بالفعل قدرتها على توفير بيانات عالية الدقة نسبيا ومنخفضة التكلفة لإجراء تحليلات مفصلة للظواهر الفيزيائية 3 و 4 و 5 . مع مرور الوقت، تم الحصول على تحسينات كبيرة لكل من الأجهزة والبرمجيات الأدوات.
ويمكن إجراء قياس نقل الرواسب باستخدام نهج يوليريان يستهدف قياس تدفقات الرواسب، أو لاغرانغي واحد يهدف إلى قياس مسارات الحبوب الفردية لأنها تتحرك. معالجة الصور يوفر إمكانيات فريدة لتتبع الجسيمات بالمقارنة مع أساليب يولريان أخرى 6 ، 7 . ومع ذلك، ديستفسد هذه الإمكانات، وتطبيق تحليل الصور على نقل الرواسب السرير الحمل يعاني من بعض القيود التجريبية الحاسمة، من حيث جداول الدعم المكاني / الزمني لقياس وحجم عينات البيانات. على سبيل المثال، من الصعب تحقيق توليفة مناسبة من مساحة مكانية كبيرة، مدة طويلة من التجربة، وتيرة قياس عالية 3 ، 4 ، 8 ، دون المساس بجودة وكمية البيانات. وبالإضافة إلى ذلك، تتبع الجسيمات يمكن أن يؤديها يدويا 2 ، 4 ، الأمر الذي يتطلب جهدا إنسانيا كبيرا، أو تلقائيا 3 ، 8 ، مع إمكانية تتبع الأخطاء التي أدلى بها البرنامج المستخدم للتحليل.
تقدم هذه الورقة بروتوكولا للتحقيق التجريبي للرسوبيات الحملية ترأنسبورت، حيث تم تحقيق مدة طويلة من نوع الكاميرا المستخدمة، تم ضمان مجال كبير من الرأي عن طريق الاستخدام المتزامن من اثنين من الكاميرات في مواقع مختلفة، وجعلت المعالجة التلقائية يمكن الاعتماد عليها من خلال ظروف تجريبية مخصصة . وقد تم تصميم العملية التجريبية وتم اختيار أدوات المعالجة بناء على الخبرة المكتسبة من قبل المؤلفين في العديد من الأعمال البحثية التي تتناول التحقيق المفصل في نقل الرواسب بطرق الصورة 3 و 9 و 10 و 11 و 12 و 13 و 14 و 15 و 16 ، 17 ، 18 .
وتوصف تجربة نقل الرواسب، التي تم تنفيذها الإفراج عن الجسيماتأكثر من سرير ثابت. كان تغذية الجسيمات أقل بكثير من قدرة النقل للتدفق للحفاظ على تركيز منخفض من الحبوب المتحركة، وبالتالي تجنب الازدحام من الجسيمات التي سيتم تعقبها. وعلاوة على ذلك، فإن الجسيمات المنقولة لا تتحرك بشكل مستمر، ولكن لوحظ حركة متقطعة. استخدام سرير ثابت بدلا من سرير منقول يمثل فقدان التشابه مع الظروف الطبيعية. ومع ذلك، تم استخدام سرير ثابت في كثير من الأحيان في تجارب نقل الرواسب 19 ، 20 ، 21 على افتراض أن النتائج هي أكثر بساطة وتفسيرية من تلك من سيناريوهات معقدة مع مجموعة متنوعة من العمليات التمثيل. ومن الواضح أن استخدام سرير ثابت يمنع عمليات دفن الرواسب وتظهر من جديد. من ناحية أخرى، في وجود ضعف الحمل السرير، ونقل الرواسب يحدث في طبقة سطحية من سرير فضفاض، وفي هذه الحالة،قد يكون استخدام سرير ثابت كافيا. في الواقع، لم مقارنات محددة بين خصائص حركة الجسيمات في التجارب التي أجريت مع الشرطين لم تقدم أي اختلافات كبيرة 3 ، 14 . وأخيرا، تم تنفيذ التجربة المقدمة هنا مع تدفق الضغط لضمان أفضل حالة لتصور الجسيمات من خلال غطاء شفاف. وقد درس نقل الرواسب مع تدفق مضغوط تجريبيا في البحوث النموذجية الأنهار المغطاة بالثلج، وتبين أن التفاعل بين طبقة الحدود القريبة من السرير والرواسب مماثلة لتلك التي من تدفق قناة مفتوحة 22 ، 23 . في الأقسام التالية، يتم توضيح جميع الطرق وتقدم بعض النتائج التمثيلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تصميم تجربة نقل الأحمال السرير مع التصور الجسيمات ينطوي على عدة خطوات، بما في ذلك اختيار التكوين التجريبي وأدوات الأجهزة، قياس التدفق، البذر الجسيمات والتصور، وتحليل الصور. الاختلافات في كل خطوة لها مزايا وعيوب. وتتمثل الخصائص الرئيسية للبروتوكول المعروض في هذه المخطوطة فيما يلي: (1) استخدام تدفق مضغوط وسرير خشن ثابت، (2) زرع عدد قليل من جزيئات الحمل ذات اللون المتناقض إلى لون السرير الثابت، باستخدام الضوء الطبيعي، و (4) استخدام كاميرات متعددة للحصول على مجموعات مسارات مستقلة للانضمام إلى بعضها البعض.
الطريقة التجريبية ومعالجة البيانات تمكن جزيئات الحمل السرير أن تتبع بشكل موثوق للقياس النهائي. يضمن التدفق المغطى رؤية مثالية للجسيمات المتحركة. بيد أن السرير الثابت يحول دون مراقبة بعض العمليات ( مثل تلك المرتبطة ب فيرتيكا l تشريد جسيمات الرواسب داخل طبقة الحمل النشط)، وبالتالي يحد من قابلية تطبيق التقنية على ضعف الأحمال السرير.
كان حجم عينات البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام 100 ثانية فقط من الفيلم صغير نسبيا. ومع ذلك، يمكن بسهولة زيادة حجم العينة عن طريق إطالة مدة التجريبية من الحصول على الصور ومعالجتها. تغذية عدد محدود من الجسيمات يتطلب وقتا أطول التجريبية من التغذية بمعدل أعلى بكثير؛ ولكنها تستحق الجهد بسبب تتبع الجسيمات مباشرة نسبيا بسبب تركيز صغير من الجسيمات في الحركة واستخدام ألوان مختلفة، وكلاهما يقلل من احتمال تتبع الأخطاء. استخدام الضوء الطبيعي في التجربة يتجنب الحاجة إلى أجهزة الإضاءة. ومع ذلك، فإن الجانب السلبي هو أن الإضاءة الجيدة تعتمد على الظروف الجوية.
العقود مقابل الفروقات من طول القفزة الجسيمات والمدة المبينة فيg "> الشكل 4 يظهر أقل القيم على أنها الأكثر شيوعا، وكانت أكبر قيم قياس طول القفزة ومدة حوالي 600 ملم و 7 ثانية، على التوالي، وكان هذا أكبر بكثير بالمقارنة مع القيم المماثلة من الأدب 4 و 16 و 30 ، لأن قياس المسارات الأطول يمر بخطر القفزات الجسيمية الطويلة، ومن الواضح أن الاستفادة من استخدام اثنين من الكاميرات واضحة بالنظر إلى أن كاميرا واحدة كان طول منطقة التركيز حوالي 850 ملم، والتي لن تكون أكبر بكثير من قيم طول القفزة التي يتعين قياسها. إن بروتوكول القياس باستخدام اثنين من الكاميرات بدلا من ذلك، تضمن فصلا مرضيا بين مقاييس الطول للعملية ومقياس مجال القياس، مما يقلل من خطر انحياز النتائج الظواهر بسبب القيود التجريبية، كما يمكن إطالة مجال التركيز وزيادة عدد الكاميرات وضعت على طول المسلك.
إجراء بديل بالمقارنة مع البروتوكول الموصوفة هنا هو خلق صور متداخلة قبل تحديد الجسيمات وتتبع. كان بروتوكولنا (من أداء التتبع مرتين وربط مسارات الجسيمات) المفضل لأن طريقة دمج الصور قد تضاعف حجم ملفات البيانات، مما يتطلب استهلاك الذاكرة التي لم تكن في متناول الجميع.
مع خوارزميات المعالجة الموصوفة هنا، تم تجاهل العديد من المسارات الجسيمية التي كانت أقصر من طول المنطقة المتداخلة لأنها منعت إعادة الإعمار الكامل للمسارات الرواسب. غير أن طول العتبة البالغ 120 مم كان أقل من طول المسارات التي يمكن الحصول عليها، ومن ثم فقد كان فقدان هذه البيانات مقبولا. وعلاوة على ذلك، فإن انضمام المسار الذي شوهد في الحالات ال 8 الأدنى من الشكل 1 لن يتيح زيادة كبيرة في طول المسير الذي يمكن الحصول عليه. ومن ناحية أخرى، قد تساعد هذه الحالاتفي استرجاع المسارات الطويلة، مثل الحالة في الشكل 5 التي يمكن أن تكون بسبب تتبع الانقطاعات. وفي حالة مماثلة، يمكن إعادة بناء مسار طويل من خلال عمليات الانضمام المتكرر. ومع ذلك فمن المهم أن نضع في اعتبارنا أن انقطاع المسار مثل تلك الواردة في الشكل 5 ترتبط بشكل واضح بعملية التتبع بدلا من عملية الانضمام.
قدمت هذه المخطوطة نتائج إثبات مفهوم لتجربة واحدة من أجل إثبات قدرات البروتوكول المعتمدة. في التجارب المستقبلية، سيتم تطبيق البروتوكول على سلسلة من الظروف المائية الديناميكية المختلفة لتحقيق تحليل مفصل لعملية نقل الرواسب السرير الحمل.
الشكل 5: حالة مسار تشارك في وجود انقطاعات. </قوية> الانضمام من هذه المسارات في مسار واحد غير ممكن مع بروتوكول الموصوفة هنا. وكما ذكر في الشكل 1 وفي الخطوة 8-4 من البروتوكول، تستبعد المسارات الأقصر من طول المنطقة المتداخلة. هذا يلغي المسارات الحمراء والأخضر قصيرة. وبالتالي، لا يمكن أن ينضم المتبقية طويلة لأنها ليس لديهم نقطة مشتركة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل الوكالة التنفيذية للبحوث، من خلال البرنامج الإطاري السابع للاتحاد الأوروبي، دعم التدريب والتطوير الوظيفي للباحثين (ماري كوري – FP7-بيوبل-2012-إتن) الذي مول شبكة التدريب الأولية (إتن) هايتك "النقل الهيدروديناميكي في واجهات غير متجانسة بيئيا" (رقم 316546). كما حظيت بدعم من بولو تيريتوريال دي ليكو من بوليتنيكو دي ميلانو. أجريت التجارب خلال زيارة سس إلى بوليتنيكو دي ميلانو كعالم زائر. ويشكر المؤلفان تارسيسيو فازيني وستيفانيا غيربي وفرانشيسكو موتيني (طلاب البكالوريوس في البوليتكنيكو ميلانو) وسيد عباس حسيني-صدبادي (زميل مشروع هيتيش والدكتوراه في بوليتكنيكو دي ميلانو) النشاط التجريبي وتحليل البيانات. ويتوجه المؤلفون بالشكر الجزيل إلى البروفيسور روجر نوكس (جامعة كانتربري، كرايستشيرش، نيوزيلندا)تيارات البرامج والمشورة المستمرة. وأخيرا، يشكر المؤلفون محرر جوف الإداري وثلاثة مراجعين مجهولين لتعليقاتهم واقتراحاتهم المثيرة للتفكير، والتي بفضلها يمكن تحسين المخطوطة بشكل ملحوظ.
Materials
| Laser distance sensor | METRICA | PREXISOX2 | Used to measure the flume slope |
| Two-component polyester resin | Gelson | MS 65213 | Used to glue sediment particles onto steel plates |
| Water-resistant spray paint | Any | Used to paint the fixed bed | |
| Ultrasonic Velocity Profiler | Signal Processing | DOP 2000 | Used to measure the water velocity profiles |
| Camera | Go-Pro | Hero 4 Black | Used to acquire movies of bed-load particle motion |
| Streams | University of Canterbury | 2.01 | Used for particle identification and tracking |
| MatLab | MathWorks | R14 | Used to develop ad hoc codes for a variety of operations |
| Plexiglas | Transparent acrylic material |
References
- Francis, J. R. D. Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream. Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).
- Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. B. Bedload transport of fine gravel observed by motion-picture photography. J Fluid Mech. 192, 193-217 (1988).
- Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. Particle motion and diffusion at weak bed load: accounting for unsteadiness effects of entrainment and disentrainment. J Hydraul Res. 53 (5), 633-648 (2015).
- Fathel, S. L., Furbish, D. J., Schmeeckle, M. W. Experimental evidence of statistical ensemble behavior in bed load sediment transport. J Geophys Res: Earth Surf. 120 (11), 2298-2317 (2015).
- Lajeunesse, E., Malverti, L., Charru, F. Bedload transport in turbulent flow at the grain scale: experiments and modeling. J Geophys Res: Earth Surf. 115, F04001 (2010).
- Tsakiris, A. G., Papanicolaou, A. N., Lauth, T. J. Signature of bedload particle transport mode in the acoustic signal of a geophone. J Hydraul Res. 52 (2), 185-204 (2014).
- Mendes, L., Antico, F., Sanches, P., Alegria, F., Aleixo, R., Ferreira, R. M. L. A particle counting system for calculation of bedload fluxes. Meas Sci Technol. 27 (12), 125305 (2016).
- Heays, K. G., Friedrich, H., Melville, B. W., Nokes, R. Quantifying the dynamic evolution of graded gravel beds using Particle Tracking Velocimetry. J Hydraul Eng. 140 (7), 04014027 (2014).
- Radice, A., Malavasi, S., Ballio, F. Solid transport measurements through image processing. Exp Fluids. 41 (5), 721-734 (2006).
- Radice, A., Ballio, F. Double-average characteristics of sediment motion in one-dimensional bed load. Acta Geophys. 56 (3), 654-668 (2008).
- Radice, A. Use of the Lorenz curve to quantify statistical nonuniformity of sediment transport rate. J Hydraul Eng. 135 (4), 320-326 (2009).
- Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. On statistical properties of bed load sediment concentration. Water Resou. Res. 45 (6), W06501 (2009).
- Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. Statistics and characteristic scales for bed load in a channel flow with sidewall effects. Acta Geophys. 58 (6), 1072-1093 (2010).
- Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F. Scale-based statistical analysis of sediment fluxes. Acta Geophys. 60 (6), 1744-1777 (2012).
- Radice, A., Nikora, V., Campagnol, J., Ballio, F. Active interactions between turbulence and bed load: Conceptual picture and experimental evidence. Water Resour Res. 49 (1), 90-99 (2013).
- Campagnol, J., Radice, A., Nokes, R., Bulankina, V., Lescova, A., Ballio, F. Lagrangian analysis of bed-load sediment motion: database contribution. J Hydraul Res. 51 (5), 589-596 (2013).
- Ballio, F., Radice, A. Fluctuations and time scales for bed-load sediment motion over a smooth bed. Int J Sediment Res. 30 (4), 321-327 (2015).
- Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F., Rowiński, P. M., Marion, A. An analysis of entrainment and deposition rate fluctuations in weak bed load transport. Hydrodynamic and mass transport at freshwater aquatic interfaces. , 333-342 (2016).
- Papanicolaou, A. N., Diplas, P., Balakrishnan, M., Dancey, C. L. Computer vision technique for tracking bed load movement. J Comput Civil Eng. 13 (2), 71-79 (1999).
- Ramesh, B., Kothyari, U. C., Murugesan, K. Near-bed particle motion over transitionally-rough bed. J Hydraul Res. 49 (6), 757-765 (2011).
- Amir, M., Nikora, V., Witz, M. A novel experimental technique and its application to study the effects of particle density and flow submergence on bed particle saltation. J Hydraul Res. 55 (1), 101-113 (2017).
- Ettema, R., Garcìa, M. H. Ice effects on sediment transport in rivers. Sedimentation Engineering. , 613-648 (2008).
- Knack, I., Shen, H. Sediment transport in ice-covered channels. Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).
- Goring, D. G., Nikora, V. I. Despiking acoustic Doppler velocimeter data. J Hydraul Eng. 128 (1), 117-126 (2002).
- Nowak, M. Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultrasound Doppler velocimetry. Exp Fluids. 33 (2), 249-255 (2002).
- McCuen, R. H. . Microcomputer applications in statistical hydrology. , (1993).
- Lloyd, P. M., Ball, D. J., Stansby, P. K. Unsteady surface-velocity field measurement using particle tracking velocimetry. J. Hydraul. Res. 33 (4), 519-534 (1995).
- Radice, A., Aleixo, R., Hosseini-Sadabadi, S. A., Sarkar, S. On image grabbing and processing for measurement of geophysical flows. Proc. HydroSenSoft 2017, International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software. , (2017).
- Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport. Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , 780-786 (2016).
