河岸側(cè)蝕崩塌速率的試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)及其量測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程河流動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)試驗(yàn)研究中的一種河岸側(cè)蝕崩塌速率 的試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)及其量測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 河岸側(cè)蝕崩塌現(xiàn)象廣泛分布于世界各大江河之中，我國的長江、黃河等河流也經(jīng) 常會(huì)發(fā)生河岸側(cè)蝕崩塌現(xiàn)象，尤其是在汛期和汛后表現(xiàn)最為突出，是一種危害很大的自然 災(zāi)害。河岸側(cè)蝕崩塌往往釀成重大險(xiǎn)情，嚴(yán)重威脅著兩岸人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。此外，河 岸側(cè)蝕崩塌往往還會(huì)引起河道產(chǎn)生橫向變形，導(dǎo)致河勢(shì)劇烈變化，給防洪、航道、港口等方 面均造成重大不利影響，也給河道治理工程帶來許多困難，這方面的實(shí)例舉不勝數(shù)。由此可 見，河岸側(cè)蝕崩塌問題是防洪搶險(xiǎn)和河道治理中最嚴(yán)重的問題之一，而通過試驗(yàn)研究河岸 側(cè)蝕崩塌的過程及其力學(xué)機(jī)制是一個(gè)重要而緊迫的問題，可為河岸側(cè)蝕崩塌的預(yù)測(cè)提供技 術(shù)支撐。
[0003] 大江大河的河床變形包括垂向沖淤以及由河岸側(cè)蝕崩塌引發(fā)的橫向變形兩方面。 目前，關(guān)于垂向河床沖淤變形的研究成果較多也較成熟，而關(guān)于河岸側(cè)蝕崩塌引起的河床 橫向變形的研究則相對(duì)較少，包括河岸側(cè)蝕崩塌變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)、數(shù)學(xué)描述方式以及模擬 試驗(yàn)研究均滯后于垂向河床沖淤變化。從現(xiàn)階段情況看，河岸側(cè)蝕崩塌雖屬治河工程領(lǐng)域 中倍受關(guān)注的問題，但試驗(yàn)研究手段和量測(cè)方法均不夠，以往河床沖淤變化試驗(yàn)研究所采 用的測(cè)量儀器多針對(duì)水下河床地形的垂向沖淤變化，而對(duì)于河岸側(cè)蝕崩塌的方便有效測(cè)量 儀器及其量測(cè)方法則非常欠缺，這已逐漸成為研究河岸側(cè)蝕崩塌力學(xué)機(jī)制的一大技術(shù)瓶 頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)這一問題，本發(fā)明將提出一種能夠方便有效測(cè)量河岸側(cè)蝕崩塌速率的試驗(yàn)測(cè) 量系統(tǒng)及其量測(cè)方法，從而為河岸側(cè)蝕崩塌力學(xué)機(jī)理及其預(yù)報(bào)方法的深入研究提供技術(shù)支 撐。
[0005] 本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：
[0006] -種河岸側(cè)蝕崩塌速率的試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，包括：河岸模型上的示蹤網(wǎng)格、拍攝裝置 和圖像處理系統(tǒng)；所述拍攝裝置的拍攝范圍覆蓋所述河岸模型上的示蹤網(wǎng)格，所述拍攝裝 置與所述圖像處理系統(tǒng)相連接。
[0007] 進(jìn)一步的，所述河岸_旲型上的不蹤網(wǎng)格上涂有白色不蹤劑。
[0008] 進(jìn)一步的，圖像處理系統(tǒng)包括：圖像采樣模塊、圖像分割模塊、崩岸點(diǎn)識(shí)別模塊、坐 標(biāo)提取模塊和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊；
[0009] 所述圖像采樣模塊采集所述拍攝裝置拍攝的圖像信息；
[0010] 所述圖像分割模塊通過對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，形成二值化圖像；
[0011] 所述崩岸點(diǎn)識(shí)別模塊對(duì)分割后的圖像進(jìn)行崩岸點(diǎn)識(shí)別；
[0012] 所述坐標(biāo)提取模塊提取出河岸側(cè)蝕崩塌后的最新岸線網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)；
[0013] 所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊將提取到的最新岸線網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)與初始岸線位置坐標(biāo) 對(duì)比，計(jì)算出河岸側(cè)蝕崩退距離；然后用河岸側(cè)蝕崩退距離除以時(shí)間間隔，便可獲得河岸側(cè) 蝕崩塌速率。
[0014] 一種河岸側(cè)蝕崩塌速率的試驗(yàn)量測(cè)方法，包括如下步驟：
[0015] S1、試驗(yàn)準(zhǔn)備，用顏色較深的模型沙精確制作出河岸側(cè)蝕崩塌模型，所述河岸側(cè)蝕 崩塌模型側(cè)面為具有傾角的梯型；然后在迎水面岸坡上用白色示蹤劑進(jìn)行均勻網(wǎng)格標(biāo)記， 形成等間距示蹤網(wǎng)格，白色示蹤劑由滑石粉摻兌20~40%左右的水?dāng)嚢瓒?，然后將白?示蹤劑裝入塑料瓶內(nèi)，并在瓶蓋上用針尖開一小孔，使得白色示蹤劑可以擠射出為準(zhǔn)，均勻 網(wǎng)格事先通過尺子在岸坡上用細(xì)線標(biāo)出，然后再用白色示蹤劑進(jìn)行逐一標(biāo)示，從而形成等 間距的白色示蹤網(wǎng)格，其中縱向網(wǎng)格線盡量設(shè)置為垂直水流流向，亦即平行于河岸側(cè)蝕崩 退方向；最后，將拍攝裝置布置于水面上方，并與斜坡垂直，并采用較長焦距鏡頭以保證網(wǎng) 格圖像變形較小，并通過傳輸線將高清攝像頭與計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)相連；
[0016] S2、進(jìn)行側(cè)蝕崩塌試驗(yàn)，采集模型網(wǎng)格灰度圖像進(jìn)行二值化處理；在河岸側(cè)蝕崩塌 試驗(yàn)過程中，受水流沖刷作用，迎水面岸坡不斷崩退，包含白色示蹤網(wǎng)格的土體不斷坍塌入 水中并被帶走，通過計(jì)算機(jī)控制攝像頭連續(xù)采集模型網(wǎng)格灰度圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行畸變校 正；為了提取網(wǎng)格圖像，首先需要通過下式進(jìn)行二值化圖像分割：
[0017] G(i, j) ^ T(i, j),G(i, j) = 255
[0018] G(i, j) < T(i, j),G(i, j) = 0 _9] 上式中，G(i, j)為圖像中像素坐標(biāo)為（i, j)處的灰度值，灰度值范圍為（0-255)， 0為黑色，255為白色；T(i，j)為進(jìn)行二值化分割的閾值；設(shè)置該閾值時(shí)，要保證網(wǎng)格的連續(xù) 性，同時(shí)也要盡量去除圖像噪聲；
[0020] S3、逐一搜尋各縱向網(wǎng)格線崩岸點(diǎn)位置；通過事先對(duì)圖像標(biāo)定，確定出每條網(wǎng)格線 的圖像橫縱坐標(biāo)變化范圍；假設(shè)第k條縱向網(wǎng)格線的橫坐標(biāo)變化范圍為（Mi< Ik<M2)，縱 坐標(biāo)變化范圍為汎< J k< N2);先從汎~N2)行進(jìn)行縱向搜索，即從過水一側(cè)逐漸向內(nèi) 側(cè)岸坡方向搜索，對(duì)第j行（&< j<N2)的像素，對(duì)在（Mi<i<M2)范圍內(nèi)的像素進(jìn)行逐 個(gè)搜索，如果滿足如下條件：
[0021] G(i, j) = 255, (M^ i < M2, j < N 2)
[0022] 則第k條縱向網(wǎng)格線的崩塌點(diǎn)坐標(biāo)Xk= i，Y k= j ;
[0023] 圖像坐標(biāo)與模型坐標(biāo)比例S可事先測(cè)定，識(shí)別出崩塌點(diǎn)并提取出該點(diǎn)坐標(biāo)（Xk，Y k) 后，與圖像與模型原點(diǎn)坐標(biāo)（?,?相比，便可通過下式換算到模型崩岸點(diǎn)坐標(biāo)：
[0024] Xk=(Xk-X0)XS
[0025] yk =(Yk-Y0) XS;
[0026] S4、計(jì)算河岸側(cè)蝕崩退速率，依次對(duì)模型中的每條縱向網(wǎng)格線進(jìn)行圖像處理，提 取出崩岸后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并與對(duì)應(yīng)縱向網(wǎng)格線初始岸線位置U：，對(duì)比，計(jì)算出每條縱 向網(wǎng)格線的河岸側(cè)蝕崩塌位移L，然后除以時(shí)間間隔At，便可獲得河岸側(cè)蝕崩塌速率V， 即：
[0028] v = L/ Δ t〇
[0029] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效，能夠?yàn)楹影秱?cè)蝕崩塌力學(xué)機(jī)理 及其預(yù)報(bào)方法的深入研究提供技術(shù)支撐。
【附圖說明】
[0030] 附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí) 施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0031] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)一個(gè)較佳實(shí)施例模型側(cè)視圖；
[0032] 圖2是圖1的俯視圖；
[0033] 圖3是河岸側(cè)蝕崩塌試驗(yàn)過程中典型的網(wǎng)格二值圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本實(shí)施例中，試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1、圖2所示，主要包括：河岸模型上的示蹤網(wǎng) 格、高清攝像頭、圖像處理系統(tǒng)。
[0035] 測(cè)量原理：采用與深色模型沙顏色對(duì)比鮮明的白色示蹤劑，在河岸側(cè)蝕坍塌模型 迎水面岸坡上進(jìn)行均勻網(wǎng)格標(biāo)記，形成等間距示蹤網(wǎng)格；通過高精攝像頭進(jìn)行圖像采集，并 通過二值化圖像分割以及數(shù)字圖像處理，提取出河岸側(cè)蝕崩塌后的最新岸線網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置 坐標(biāo)，并與初始（或任意上一時(shí)刻）岸線位置坐標(biāo)對(duì)比，計(jì)算出河岸側(cè)蝕崩退距離；然后用 河岸側(cè)蝕崩退距離除以時(shí)間間隔，便可獲得河岸側(cè)蝕崩塌速率。
[0036] 具體測(cè)量過程如下：
[0037] (1)河岸側(cè)蝕崩塌模型及測(cè)量系統(tǒng)安裝準(zhǔn)備。第一步，首先用顏色較深的模型沙精 確制作出河岸側(cè)蝕崩塌模型，如圖1所示，該模型側(cè)面為具有一定傾角的梯型；第二步，然 后在迎水面岸坡上用白色示蹤劑進(jìn)行均勻網(wǎng)格標(biāo)記，形成等間距示蹤網(wǎng)格，如圖2所示，其 中白色不蹤劑由滑石粉慘兌20~40%左右的水?dāng)埶ざ?，使其具有一定的粘桐性為?zhǔn)，然 后將其裝入塑料瓶內(nèi)（礦泉水瓶），并在瓶蓋上用針尖開一小孔，使得白色示蹤劑可以擠射 出為準(zhǔn)，均勻網(wǎng)格事先通過尺子在岸坡上用細(xì)線標(biāo)出，然后再用白色示蹤劑進(jìn)行逐一標(biāo)示， 從而形成等間距的白色示蹤網(wǎng)格，其中縱向網(wǎng)格線盡量設(shè)置為垂直水流流向，亦即平行于 河岸側(cè)蝕崩退方向；最后，將高清攝像頭布置于水面上方，并與斜坡垂直，并采用較長焦距 鏡頭以保證網(wǎng)格