专利名称：一种河流水环境物理模型测量装置及方法
技术领域：
本发明属于河流水环境模拟试验领域，具体涉及一种河流水环境物理模型测量装置及方法。
背景技术：
研发具有自动化、智能化的河流水环境模型试验装置及相应技术方案，对河流水环境保护，尤其是在排污规划、治理、决策等方面具有十分重要的价值。一般地，河流水环境物理模型试验是将实际河流地形转换为缩小的室内河道物理模型，再模拟污染物在天然河道中的迁移和扩散状况，为河流水环境治理提供最直观的依据。室内河流物理模型测量技术的发展方向是无接触式多点测量，能满足该要求的技术有数字近景测量技术和三维激光扫描技术。数字近景测量方法通过在室内物理模型周围布置若干特征点，采用极线约束等立体匹配方法实现特征点的配对，再利用基于视觉原理进行三维重建，实现多点地形同时测量，该技术实现了多点非接触测量，测量效率较高，但是测量操作复杂，制约因素较多，特别是三维坐标需要通过计算得到，准确性难以保证；三维激光扫描是基于三角测量原理进行的，优点是可实现大范围的三维地形测量，测量精度和效率都较高，但仪器昂贵且需对大量数据点云进行地形剖面生成和套绘后处理，后处理操作十分复杂。总体而言，现有技术往往造成所建物理模型出现较大的地形误差，不但会降低模型的相似性，也会对水环境室内试验结果(如污染带模拟)产生较大干扰，需要开发出新型试验装置及方法，确保所建物理模型制作和水环境指标测量的精度。近年来被用于体验式互动的体感外设Kinect光编码模式，有别于传统感应技术，用结构光对空间进行标记，通过检测物体上的结构光信息，实现目标空间坐标定位。该技术可扩展性强，设备终端可以高度集成 微型化，更重要的是操作简易，成本低廉。
发明内容
发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种操作简单、地形误差小且测量精确的河流水环境物理模型测量装置及方法。技术方案:本发明提供了一种河流水环境物理模型测量装置，包括悬挂式轨道、移动平台、行走支撑、水平滑轮、伸缩杆、球形轴承、Kinect设备和控制与通讯设备，在室内河流物理模型上方1.0 1.2m处平行布置两个所述悬挂式轨道，所述移动平台的两端分别架设在两个所述悬挂式轨道上并通过所述行走支撑实现水平移动，所述水平滑轮在所述移动平台中滚动，所述伸缩杆从所述水平滑轮的中心向下延伸并在竖直方向上伸缩，所述Kinect设备通过所述球形轴承连接在所述伸缩杆的底部，所述控制与通讯设备安装上所述移动平台上。进一步，所述悬挂式轨道的长度不小于室内河流物理模型的纵向长度，所述移动平台的长度为室内河流物理模型的横向宽度，保证对室内河流物理模型的全景扫描，扫描数据完整，提高试验结果准确性。
为了提高测量精度，采用分区测量和分区误差校核的方法，所述悬挂式轨道在其长度方向上划分出至少5个分区，每个所述分区分别设置一组配套的移动平台、水平滑轮、伸缩杆、球形轴承和Kinect设备，对每一区的精确扫描可提高模型的相似度，从而确保试验测量值的有效性，提高测量数值对河流水环境污染控制的指导意义。使用上述的河流水环境物理模型测量装置的河流水环境物理模型测量方法，包括如下步骤:(I)数据准备:将实际河道地形的数据集转换为与其相似的一种室内河道标准物理模型的数据集，以模型一角为原点建立模型地形坐标系，将平面坐标系划分为尺寸为IOmmX IOmm的网格，将模型地形坐标及模型糙率范围赋值到对应坐标的网格中，根据试验要求确定比尺、加糙方式及其糙率，据此进行物理建模和人工加糙完成原始的室内河流物理模型；(2)扫描测量:由控制与通讯设备控制移动平台在悬挂式轨道上纵向前后移动，水平滑轮带动Kinect设备在移动平台上横向左右逐行扫描，对于逐行扫描无法识别的局部复杂地形，控制与通讯设备通过控制伸缩杆的上下伸缩和球形轴承的转动，实现Kinect设备对局部复杂地形的三维扫描，Kinect设备获得所述原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据；(3)误差修正:将步骤(2)获得的原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据与室内河道标准物理模型的数据集进行顺序对比，设定误差范围，人工调整超过误差范围的室内河流物理模型区域的地形尺寸和加糙程度，最终得到修正的室内河流物理模型；(4)扩散观测: 在修正的室内河流物理模型上游放入清水，污染排口放入示踪剂进行染色模拟污染物的迁移扩散，重复步骤(2)由控制与通讯设备控制移动平台、水平滑轮和伸缩杆实现Kinect设备的三维移动进行扫描，观测得到示踪剂的扩散图像，对获得的图像数据逐帧处理，研究污染物对于流域的影响状况。优选地，步骤(I)所述人工加糙时对人工加糙体进行染色处理，步骤(2)所述人工加糙体数据为Kinect设备用获得的RGB图像识别人工加糙体，由深度图像获取人工加糙体尺寸，利用RGB图像和深度图像结合的方式，可获得准确的人工加糙体参数，有助于提高修正后的室内河流物理模型的标准性。优选地，步骤(2)中所述Kinect设备逐行扫描采用错距法扫描方式=Kinect设备在室内河流物理模型的宽度方向上进行逐行扫描，扫描完一行后，行走支撑前进半行的距离进行第二行扫描，行与行之间产生半行大小的重叠区域，相邻两行之间的重叠区域被扫描两次，扫描面积重复率为50%，每行扫描结束，计算重叠区域坐标扫描误差系数:
权利要求
1.一种河流水环境物理模型测量装置，包括悬挂式轨道(5)、移动平台(I)、行走支撑(4)、水平滑轮(2)、伸缩杆(3)、球形轴承(6)、Kinect设备(7)和控制与通讯设备(8)，其特征在于:在室内河流物理模型上方1.0 1.2m处平行布置两个所述悬挂式轨道(5)，所述移动平台(I)的两端分别架设在两个所述悬挂式轨道(5)上并通过所述行走支撑(4)实现水平移动，所述水平滑轮(2)在所述移动平台(I)中滚动，所述伸缩杆(3)从所述水平滑轮(2)的中心向下延伸并在竖直方向上伸缩，所述Kinect设备(7)通过所述球形轴承(6)连接在所述伸缩杆(3 )的底部，所述控制与通讯设备(8 )安装上所述移动平台(I)上。
2.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型测量装置，其特征在于:所述悬挂式轨道(5)的长度不小于室内河流物理模型的纵向长度，所述移动平台(I)的长度为室内河流物理模型的横向宽度。
3.根据权利要求1或2所述的河流水环境物理模型测量装置，其特征在于:所述悬挂式轨道(5)在其长度方向上划分出至少5个分区，每个所述分区分别设置一组配套的移动平台(I)、水平滑轮(2)、伸缩杆(3)、球形轴承(6)和Kinect设备(7)。
4.一种使用如权利要求1所述的河流水环境物理模型测量装置的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于:包括如下步骤: (I)数据准备:将实际河道地形的数据集转换为与其相似的一种室内河道标准物理模型的数据集，以模型一角为原点建立模型地形坐标系，将平面坐标系划分为尺寸为IOmmXlOmm的网格，将模 型地形坐标及模型糙率范围赋值到对应坐标的网格中，根据试验要求确定比尺、加糙方式及其糙率，据此进行物理建模和人工加糙完成原始的室内河流物理模型； (2 )扫描测量:由控制与通讯设备(8 )控制移动平台(I)在悬挂式轨道(5 )上纵向前后移动，水平滑轮(2)带动Kinect设备(7)在移动平台(I)上横向左右逐行扫描，对于逐行扫描无法识别的局部复杂地形，控制与通讯设备(8)通过控制伸缩杆(3)的上下伸缩和球形轴承(6)的转动，实现Kinect设备(7)对局部复杂地形的三维扫描，Kinect设备(7)获得所述原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据； (3)误差修正:将步骤(2)获得的原始的室内河流物理模型的三维地形数据和人工加糙体数据与室内河道标准物理模型的数据集进行顺序对比，设定误差范围，人工调整超过误差范围的室内河流物理模型区域的地形尺寸和加糙程度，最终得到修正的室内河流物理模型； (4)扩散观测:在修正的室内河流物理模型上游放入清水，污染排口放入示踪剂进行染色模拟污染物的迁移扩散，重复步骤(2)由控制与通讯设备(8)控制移动平台(I)、水平滑轮(2)和伸缩杆(3)实现Kinect设备(7)的三维移动进行扫描，观测得到示踪剂的扩散图像，对获得的图像数据逐帧处理，研究污染物对于流域的影响状况。
5.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于:步骤(I)所述人工加糙时对人工加糙体进行染色处理，步骤(2)所述人工加糙体数据通过Kinect设备(7)获得RGB图像用以识别人工加糙体，由深度图像获取人工加糙体尺寸得到人工加槽体糙率。
6.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于:步骤(2)中所述Kinect设备(7)逐行扫描采用错距法扫描方式=Kinect设备(7)在室内河流物理模型的宽度方向上进行逐行扫描，扫描完一行后，行走支撑(4)前进半行的距离进行第二行扫描，行与行之间产生半行大小的重叠区域，相邻两行之间的重叠区域被扫描两次，扫描面积重复率为50%,每行扫描结束,计算重叠区域坐标扫描误差系数:
7.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于:步骤(3)误差修正包括以下步骤: a、将原始的室内河流物理模型划分成ImXIm的区域； b、将原始的室内河流物理模型每个区域平面坐标(Xmk，Yfflk)对应的垂向坐标测量值Zmk与与室内河道标准物理模型对应位置(Xm，Yffl)的垂向坐标标准值Zm分别进行对比，得到对应位置的垂向坐标相对误差Ze:
8.根据权利要求4所述的河流水环境物理模型测量方法，其特征在于:步骤(4)所述对获得的图像数据逐帧处理的步骤包括: 对于每帧图像，根据RGB颜色数据通过混合高斯模型进行聚类，得到该帧图像上的示踪剂区域范围，并根据示踪剂颜色深度与污染物浓度的对应关系，将污染区域的颜色数据转化为浓度数据；将得到的边缘区域位置1、中心位置C、浓度信息P进行处理，建立污染物扩散运动方程F(l，c，p)，得到污染物扩散信息、污染物浓度分布、污染物消散时间和观测点浓度变化。
全文摘要
本发明公开了一种河流水环境物理模型测量装置，在室内河流物理模型上方1.0～1.2m处平行布置两个悬挂式轨道，移动平台的两端分别架设在两个悬挂式轨道上并通过行走支撑实现水平移动，水平滑轮在移动平台中滚动，伸缩杆从水平滑轮的中心向下延伸并在竖直方向上伸缩，Kinect设备通过球形轴承连接在伸缩杆的底部，控制与通讯设备安装上移动平台上；本发明分段分区对物理模型进行扫描测量和误差核算，提高三维地形尺寸和人工加糙体参数的准确率，采用错距法逐行扫描物理模型获得三维地形尺寸，把物理模型的地形坐标误差控制在最小范围内，Kinect设备通过RGB图像和深度图像结合的方式识别并获得人工加糙体的参数，操作简单且准确率高。
文档编号G01N13/00GK103234870SQ20131012083
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者毛劲乔, 戴会超, 龚轶青, 钱景晔, 张培培 申请人:河海大学, 南京河海科技有限公司