手稿提出了一种用于进行床载沉积物输送实验的方案,其中移动颗粒通过图像分析进行跟踪。实验设施,运行实现和数据处理程序,以及最终的一些概念验证结果。
图像分析越来越多地用于测量河流,因为其能够以相对较低的成本提供详细的定量描述。该手稿描述了一种使用粒子跟踪测速(PTV)对轻载沉积物进行床载实验的应用。研究的沉积物运输条件的关键特征是存在覆盖流动和固定粗糙床,其上在水槽入口处有限数量地释放颗粒。在施加的流动条件下,单独的床载颗粒的运动是间歇性的,具有交替的运动和静止项。流动模式通过流动速度的垂直分布的声学测量来初步表征。在过程可视化期间,使用放置在水槽不同位置的两个动作摄像机获得了大视场。实验方案用chan来描述nel校准,实验实现,图像预处理,自动粒子跟踪和后处理两个相机的粒子轨迹数据。提出的概念验证结果包括粒子跳长度和持续时间的概率分布。将这项工作的成果与现有文献进行了比较,以证明该方案的有效性。
由于开创性工作出现了一些几十年前1,2,河流输沙的研究中利用图像分析一直不断增加。这种技术确实证明了它的能力的物理现象3,4,5详细的分析,以比较提供高分辨率和低成本的数据。随着时间的推移,硬件和软件工具都获得了显着的改进。
沉积物运输的测量可以使用欧洲方法进行,其目标是测量泥沙流量,或拉格朗日方法,用于测量各个颗粒移动时的轨迹。图像处理提供了相比于其它方法欧拉6,7粒子跟踪独特的可能性。但是,在这些潜力的背景下,图像分析对床载沉积物运输的应用在数据样本的测量和尺寸的空间/时间支持尺度方面受到一些关键的实验限制。例如,它是难以同时实现大的空间区域,一个实验的持续时间长,且高测量频率3,4,8的适当组合,而不会影响数据的质量和数量。另外,粒子跟踪可手动进行2,4,这需要很大的人的努力,或自动3,8,与由用于分析的软件由跟踪错误的可能性。
本文提出了一种用于床载沉积物tr的实验调查方案ansport通过所使用的相机类型实现了长时间的持续时间,通过在不同位置同时使用两个摄像机来确保大视场,并且通过特殊的实验条件可靠的自动处理成为可能。实验操作的设计和加工工具是基于作者在多个研究获得的经验入选作品处理的图像的方法3,9,10,11,12,13,14,15,16输沙的详细调查,17,18。
描述了沉积物运输实验,即进行释放特性在一个固定的粗糙的床上。颗粒进料远小于保持低浓度移动颗粒的流动的输送能力,从而避免了要追踪的颗粒的拥挤。此外,输送的颗粒不是连续移动,而是观察到间歇运动。使用固定床而不是可移动的床代表与自然条件相似的损失。但是,固定床在沉积物转运实验19,20,21的假设的结果是比那些从复杂的情况与各种作用过程的更简单和说明性的下频繁使用。使用固定床显然可以防止沉积物埋藏和再现的过程。另一方面,在弱床负载的情况下,沉积物的输送发生在松散床的表层中,在这种情况下,使用固定床可能是足够的。事实上,在实验与两个条件下运行颗粒运动的特性之间的特定的比较没有提出任何显著差异3,14。最后,这里提出的实验是用加压流进行的,以确保通过透明盖子进行颗粒可视化的最佳条件。用加压流沉积物运输已经实验研究在研究原型冰覆盖的河流,显示出近床边界层和沉积物之间的相互作用是类似于开放通道流22,23的。在以下各节中,概述了所有方法,并提供了一些代表性的结果。
用粒子可视化设计床载运输实验包括几个步骤,包括实验配置和硬件工具的选择,流量测量,粒子播种和可视化以及图像分析。每一步的变化都有优缺点。本手稿中提出的方案的主要特点是:(i)使用加压流和固定粗糙床,(ii)将少量具有对比色的床载粒子播种到固定床颜色,(iii)使用自然光,并且(iv)使用多个摄像机来获得彼此连接的独立轨道组。
实验方法和数据处理使得能够可靠地跟踪床载颗粒进行最终测量。覆盖的流动保证移动颗粒的最佳视觉。然而,固定床防止观察某些过程( 例如 ,与vertica相关的过程) l沉积物颗粒在活动床载荷层内的位移),从而限制了该技术对弱载荷的适用性。
仅使用100s电影获得的数据样本的大小相对较小。然而,通过延长图像获取和处理的实验持续时间,可以容易地增加样本大小。喂食有限数量的颗粒需要更长的实验时间,而不是以相当高的速率喂食;但是由于运动中颗粒的浓度较小以及使用不同的颜色,因此粒径跟踪相对简单,这两者都降低了跟踪错误的可能性,这是非常值得的。在实验中使用自然光避免了照明设备的需要;然而,缺点是良好的照明取决于天气条件。
粒子跳长度和持续时间的差价合约克“>图4示出了最低值作为最常见的。跳跃长度和持续时间的最大测定值分别600毫米和7秒,都围绕,这是相比于由文献4,16,30类似的值显著较大,因为测量较长的轨迹会导致长的粒子跳跃的风险,使用两个摄像机的好处是明显的,因为单个摄像机的焦点区域长度大约为850毫米,这不会大于要测量的跳跃长度值。使用两个摄像机的测量方案,确保了工艺长度尺度与测量场的长度尺度之间的令人满意的分离,从而降低了由于实验限制而偏压现象结果的风险,同时,可以将焦点区域另外延长增加沿着水槽放置的摄像机的数量。
与本文描述的协议相比,替代过程是在粒子识别和跟踪之前创建重叠的图像。我们的协议(执行跟踪两次并链接粒子轨迹)是首选的,因为图像合并方法将使数据文件的大小翻倍,需要不可负担的内存消耗。
利用这里描述的处理算法,丢弃了比重叠区域的长度短的多个粒子轨迹,因为它们阻止了沉积轨道的完全重建。然而,120mm的阈值长度比可以获得的轨迹长度短一个数量级,因此这些数据的损失是可以接受的。此外,在图1的低8个情况下看到的轨道连接将不能使获得的轨道长度显着增加。另一方面,这些情况可能会有所帮助在检索长轨道,例如图5中可能由于轨道中断造成的情况。在类似的情况下,可以通过迭代连接操作重建长轨道。然而,重要的是要记住, 如图5所示的轨道中断与跟踪过程明显相关,而不是加入过程。
这份手稿为单一实验提供了概念验证结果,以证明所采用协议的功能。在未来的实验中,该方案将应用于一系列不同的水动力条件,以便对载重泥沙输送过程进行详细分析。
图5:中断连线情况。 </strong>这里描述的协议不可能将这些轨道加入到单个轨道中。 如图1的标题和本协议的步骤8.4所述,排除比重叠区域的长度短的轨迹。这消除了短的红色和绿色轨迹;因此,剩下的很长的一个没有共同点。 请点击此处查看此图的较大版本。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了研究执行机构的支持,通过欧盟第七个框架计划,支持研究人员的培训和职业发展(Marie Curie-FP7-PEOPLE-2012-ITN),资助了初步培训网络(ITN) HYTECH“生态关键异质接口中的流体动力学运输”(编号316546)。它还得到了米兰政治学院的Polo Territoriale di Lecco的支持。实验是在SS访问米兰政治学院期间进行的,作为访问科学家。作者感谢Tarcisio Fazzini,Stefania Gherbi,Francesco Mottini(米兰政治学院的学生)和Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi(HYTECH项目的研究员和Milano Politecnico di博士生),以支持实验活动和数据分析。作者非常感谢Roger Nokes教授(新西兰基督城坎特伯雷大学)提供Streams软件和不断的建议。最后,作者感谢JoVE的总编辑和三位匿名评论家的发言人的意见和建议,感谢手稿可以大大改进。
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 |