专利名称：一种基于图像灰度的细沙沉速检测方法
技术领域：
本发明涉及一种泥沙沉速测量领域，尤其是一种基于图像灰度的细沙沉速检测方法。
背景技术：
研究河沙沉速，进而掌握河沙沉降规律，对于河道以及水库疏理有着重要意义。传统的河沙沉速研究，一般均是针对颗粒较大，沉速基本为均匀下沉的河沙，比如CN101852813A曾公开的一种泥沙沉速的测量装置及其测量方法，CN101813601A曾公开的一种具有自动测量功能的泥沙沉速测量装置及其方法，均属于此类。对于在水中常常处于悬浮状的冲泻质类别的泥沙，由于会随着水流一起悬移运动而很难发生沉降，故较少被研究。现代研究发现，在一些较大的水库及其上游河段中，其淤泥很大部分为这种冲泻 质的粉砂，故开发针对这种冲泻质的粉砂的沉速的研究，对于这些水库及其上游河段的疏理有着重要意义。例如我国的三峡水库。三峡工程自修建运行以来产生了巨大的防洪、发电以及航运效益，但随着坝前水位的抬高，库区航道的淤积问题也越发严重。以常年回水区(大坝至长寿)为例，按175m方案蓄水时全部属于深水I级航道，但根据库区原型观测分析(杨胜发，2011)，常年回水区内忠县黄华城河段2003 2010年局部最大淤积厚度达47m，年平均淤积厚度近7m，已经迫使航道易槽。整个库区的泥沙淤积也不是传统的连续带状三角洲淤积，而是超过99%的泥沙以“点”淤积为主的方式淤积在常年回水区内，重点淤积区主要是宽谷河段和弯道河段，各河段的淤积物中值粒径为，大坝-云阳D50=0. 004-0. 006 mm，云阳-万州D50=0. 008-0. 01mm，万州 _ 忠县D50=0. 008-0. 012mm，忠县-长寿D50=0. 01-0. 02mm，根据国际制土壤质地分类(王兴奎等，2002)，三峡库区的淤积物属于粉砂。传统的研究中把此类粉砂视为冲泻质，而库区实测的大量粉砂淤积说明粉砂的群体沉降特性与传统泥沙有较大不同，对非均匀粉砂沉降特性的研究很有必要也很迫切。泥沙颗粒沉速的理论研究中，对较为粗大的单颗粒的沉降特性已基本明确，粗颗粒的沉降主要受惯性控制，绕流阻力系数为常数，雷诺数较高(Re>103)，而细颗粒的沉降则主要受粘性控制，一般采用适用于低雷诺数(Re〈=0. 4)的Stokes公式(王兴奎等，2002)。最近对单颗粒沉速的研究多侧重于过渡区的表达(Cheng, 2009 ；Gabitto, 2008 ；Camenen,2007 ；Ferguson,2004 ;等)。群体沉降与单颗粒沉降有较大不同，需额外考虑颗粒间的相互作用以及颗粒浓度对水流特性的影响，故研究成果较少，对其规律的认识还有待进一步提高，尤其非均匀粉砂在沉降过程中受布朗运动、差速沉降及水流紊动的影响可能发生絮凝，使其沉降特性发生较大变化，很难基于理论分析直接求解其沉速，Stokes公式也不再适用。在试验研究中，对较细的粉砂也多采用塑料沙或者煤粉等，与粉砂的真实特性不符。综上所述，怎样研发一种针对细颗粒冲泻质类别的群体沉降的粉砂的沉速试验方法，成为本领域有待解决的问题。

发明内容
针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是怎样提供一种基于图像灰度的细沙沉速检测方法，使本方法专门适用于细颗粒冲泻质类别的群体沉降的粉砂的沉速检测，能够对这种砂型河道的河水泥沙沉速进行检测，同时使其具备操作简单，测试精度可靠的特点。为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案。一种基于图像灰度的细沙沉速检测方法，其特征在于，包括以下步骤 a、获取如下结构的检测装置，所述检测装置包括沉降容器、光源、摄像机和计算机，所述沉降容器为透明材料制得且横向截面为矩形，所述光源位于沉降容器一侧且高度和沉降容器一致，所述摄像机位于沉降容器另一侧并用于采集沉降容器图像，所述计算机与摄像机相连；
b、进行灰度-浓度标定，标定时，采用上述检测装置，分别配置不同浓度的泥沙溶液置于沉降容器内，将其搅拌均匀后开启光源和摄像机采集图像，利用电脑处理图像得到与溶液含沙浓度对应的平均灰度值；其中，配置泥沙溶液时采用蒸馏水作为溶剂，采用待测试河道获取的原型粉砂晒干后作为溶质；采集图像从蒸馏水开始并作为浓度为O kg/m3的泥沙溶液，然后依次往溶液加入溶质每次增加浓度O. I kg/m3后采集一次沉降容器的图像并靠计算机获取图像灰度，直到浓度为2. Okg/m3后停止；得到一系列不同含沙浓度对应的图像灰度；在计算机中采用曲线拟合的方式得到含沙浓度一灰度值的关系式，作为灰度向浓度转化的参考标准；
C、进行图像采集，将待检测河道获取的含有泥沙的河水搅拌均匀后置于沉降容器内，开启光源和摄像机采集图像，每间隔一定时间采集一次图像，直到河水中泥沙沉淀完毕；得到一系列带有灰度值的图片，采用计算机对图像进行读取，读取时，在单张图片中以每个像素层或相邻数个像素层为一个横断面，将图片在纵向上分为若干横断面，获得每个横断面的平均灰度值；将所有图片的每个横断面的灰度值组合形成灰度矩阵；
d、进行浓度转换，根据b步骤中获得的灰度向浓度转化的参考标准，将c步骤中获得的灰度矩阵转化为浓度矩阵，即可得到每个摄像的时间点上泥沙的浓度垂向分布；
e、沉速计算，以浓度矩阵和图像采集间隔的时间为参数，根据流体质量守恒-连续性方程，即可以在计算机中计算得到被检测河水中泥沙的瞬时沉速或平均沉速。上述方案中，所述流体质量守恒-连续性方程为流体力学领域现有的计算模型，根据该方程和获得的浓度矩阵和图像采集间隔时间即可计算得到河水中泥沙的瞬时沉速和平均沉速。其具体计算方法如下。
(I)瞬时沉速计算方法
根据不同时刻泥沙浓度的垂线分布求解瞬时沉速，先推导质量守恒方程。取厚度为ZlA底面积为^的微元体。假定微元体初始浓度为G则其中所含泥沙的质量为C1 A则在时间/I 内微元体中泥沙的质量变化为
权利要求
1.一种基于图像灰度的细沙沉速检测方法，其特征在于，包括以下步骤 a、获取如下结构的检测装置，所述检测装置包括沉降容器、光源、摄像机和计算机，所述沉降 容器为透明材料制得且横向截面为矩形，所述光源位于沉降容器一侧且高度和沉降容器一致，所述摄像机位于沉降容器另一侧并用于采集沉降容器图像，所述计算机与摄像机相连； b、进行灰度-浓度标定，标定时，采用上述检测装置，分别配置不同浓度的泥沙溶液置于沉降容器内，将其搅拌均匀后开启光源和摄像机采集图像，利用电脑处理图像得到与溶液含沙浓度对应的平均灰度值；其中，配置泥沙溶液时采用蒸馏水作为溶剂，采用待测试河道获取的原型粉砂晒干后作为溶质；采集图像从蒸馏水开始并作为浓度为O kg/m3的泥沙溶液，然后依次往溶液加入溶质每次增加浓度O. I kg/m3后采集一次沉降容器的图像并靠计算机获取图像灰度，直到浓度为2. Okg/m3后停止；得到一系列不同含沙浓度对应的图像灰度；在计算机中采用曲线拟合的方式得到含沙浓度一灰度值的关系式，作为灰度向浓度转化的参考标准； C、进行图像采集，将待检测河道获取的含有泥沙的河水搅拌均匀后置于沉降容器内，开启光源和摄像机采集图像，每间隔一定时间采集一次图像，直到河水中泥沙沉淀完毕；得到一系列带有灰度值的图片，采用计算机对图像进行读取，读取时，在单张图片中以每个像素层或相邻数个像素层为一个横断面，将图片在纵向上分为若干横断面，获得每个横断面的平均灰度值；将所有图片的每个横断面的灰度值组合形成灰度矩阵； d、进行浓度转换，根据b步骤中获得的灰度向浓度转化的参考标准，将c步骤中获得的灰度矩阵转化为浓度矩阵，即可得到每个摄像的时间点上泥沙的浓度垂向分布； e、沉速计算，以浓度矩阵和图像采集间隔的时间为参数，根据流体质量守恒-连续性方程，即可以在计算机中计算得到被检测河水中泥沙的瞬时沉速或平均沉速。
全文摘要
本发明公开了一种基于图像灰度的细沙沉速检测方法，其包括a、获取由沉降容器、光源、摄像机和计算机组成的检测装置；b、进行灰度-浓度标定；c、进行图像采集；d、进行浓度转换；e、沉速计算等步骤。本方法专门适用于细颗粒冲泻质类别的群体沉降的粉砂的沉速检测，能够对这种砂型河道的泥沙的瞬时沉速和平均沉速进行检测，同时具备操作简单，测试精度可靠的优点。
文档编号G01N15/04GK102854100SQ201210381669
公开日2013年1月2日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者李文杰, 胡江, 付旭辉, 杨胜发, 陈阳, 张帅帅 申请人:重庆交通大学