一种泥沙颗粒暴露度的测量方法与流程

本发明涉及水利量测技术领域，具体是一种泥沙颗粒暴露度的测量方法。

背景技术：

床面上泥沙颗粒的排列具有较强的随机性，泥沙颗粒暴露度的测量对完善泥沙运动基本理论体系具有重要意义。

泥沙颗粒暴露度经过近50多年的探索，其理论分析及应用已得到了较大程度的发展。如韩其为等(1965)提出泥沙颗粒暴露度的物理概念，并假设其符合均匀分布，Cheng(2003)通过试验测量了床面上相邻泥沙颗粒圆心之间的水平长度，即颗粒间步长，杨奉广等(2009)通过建立泥沙颗粒暴露度与颗粒间步长之间的函数关系，根据颗粒间步长的概率密度分布函数推求了泥沙颗粒暴露度的分布规律；邢茹等(2015)首次通过实验手段测量了泥沙颗粒暴露度，并给出了泥沙暴露度服从正偏态分布。上述研究仅仅把泥沙颗粒概化为二维圆饼状，由于现实的泥沙颗粒具有三维性，孟震等(2011)提出三维泥沙颗粒暴露度的物理概念，但这也仅仅局限在理论分析层面上。受泥沙颗粒形状的不规则性，床沙级配的多样性，颗粒之间相互排列的不确定性，以及床沙内部结构的无法透视等诸多因素影响，三维泥沙颗粒暴露度的实测资料还是空白，至今仍无人能够揭示泥沙颗暴露度的分布规律。

本发明人在实现本发明的过程中发现：计算机断层扫描(CT)技术能够全息扫描床面泥沙颗粒的三维立体影像，通过对三维图像的旋转、切割、暴露，可以显示表层泥沙颗粒之间的位置关系，通过图像处理可以高精度提取算研究泥沙颗粒的暴露高度，进而可以计算出泥沙颗粒暴露度数值，这为进一步分析泥沙颗粒暴露度的分布规律研究奠定了基础。

技术实现要素：

本发明提出了一种泥沙颗粒暴露度的测量方法，用以统计分析泥沙颗粒暴露度的分布规律，本方法利用医用CT全息扫描技术重构出床面泥沙的三维立体影像、通过图像处理技术，提取出所研究泥沙颗粒的暴露高度，进而计算出所研究泥沙颗粒的暴露度，具有不破坏床面，数据提取精度高的优点。

一种泥沙颗粒暴露度的测量方法，其采用槽道、试验水槽、医用CT机、以及计算机，试验水槽上设有水槽水泵，所述槽道为与试验水槽等宽且两端开口的槽道；

所述测量方法包括以下步骤：

步骤一、将槽道放置在试验水槽中，将所研究的泥沙颗粒均匀铺设在试验水槽中，铺沙厚度与槽道高度相等，且试验水槽内的铺沙长度要远大于槽道的长度；

步骤二、开启水槽水泵，利用恒定均匀水流冲刷试验水槽床面，逐渐增大流量，当床面上泥沙颗粒基本全部动时，停止水流，此时床面上的泥沙颗粒之间为自然排列，铺沙时的人为因素消失；

步骤三、待水流缓慢放空后，将槽道连同槽道内的泥沙颗粒从试验水槽中取出，放置在医用CT机上进行全息扫描，CT机对槽道中的泥沙颗粒进行全息扫描后将扫描所得横断面图像数据传送给计算机；

步骤四、计算机根据CT机传送的一系列的横断面图像数据，利用三维容积重建算法插值重构槽道内泥沙颗粒的三维空间结构，选取床面上一颗泥沙，选取最优的方位对泥沙颗粒的三维空间影像进行旋转切割，生成二维图像，利用图像处理的方法提取所研究泥沙颗粒相对于其下游颗粒的暴露高度H，将所提取的暴露高度H除以其粒径D即可得到该泥沙颗粒的暴露度，选取其余泥沙颗粒进行相同步骤的操作；

步骤五、将计算得到的泥沙颗粒暴露度数据进行直方图统计分析，求解泥沙颗粒暴露度期望和方差，并进行泥沙颗粒暴露度概率密度分析。

进一步的，所铺设泥沙为粒径5mm的玻璃球，铺设长度为3.5米，铺设厚度为50mm。

进一步的，试验水槽为可调坡的有机玻璃水槽，槽身长度5.26m、宽度25cm、高度20cm，调坡范围0-2％。

进一步的，槽道由有机玻璃制成，长60cm、宽度25cm、高度5cm。

本发明的技术特点及有益效果：

1、利用恒定均匀水流冲刷床面，逐渐增大流量，当床面上泥沙颗粒基本全部动时，停止水流，此时床面上的泥沙颗粒之间为自然排列，该操作避免了铺沙时的人为因素；

2、将取出的槽道放置在医用CT机上进行全息扫描，选取某一泥沙颗粒，选取最优的方位对床面三维立体影像进行旋转切割，生成二维图像，利用图像处理技术可提取所研究泥沙颗粒相对于其下游颗粒的暴露高度，该操作方法避免了破坏床面；

3、对床面上表层泥沙颗粒暴露度数据进行统计分析，获得泥沙颗粒暴露度的期望、方差，及概率密度分布函数。

4、本方法具有不破坏床面，数据提取精度高的优点。

附图说明

图1本发明泥沙颗粒暴露度的测量方法中试验水槽及槽道布置示意图；

图2本发明泥沙颗粒暴露度的测量方法中泥沙颗粒全息扫描示意图；

图3本发明泥沙颗粒暴露度的测量方法中泥沙颗粒暴露度提取示意图。

图中：1—槽道，2—试验水槽，3—医用CT机，4—计算机，3-1—操作主机，3-2—可滑动平台3-2。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1-3，本发明提出了一种泥沙颗粒暴露度的测量方法，其采用一具槽道1、一部试验水槽2、一台医用CT机3、以及一台计算机4，试验水槽2上设有水槽水泵，所述试验水槽2为变坡循环水槽，所述槽道1为与试验水槽2等宽且两端开口的槽道；

所述测量方法包括以下步骤：

1)将槽道1放置在试验水槽2中，将所研究的泥沙颗粒均匀铺设在试验水槽2中，铺沙厚度与槽道1高度相等，且试验水槽2内的铺沙长度要远大于槽道1的长度；其中，所铺设泥沙为粒径5mm的玻璃球，铺设长度为3.5米，铺设厚度为50mm。

试验水槽2的基本参数为：

试验水槽2为可调坡的有机玻璃水槽，槽身长度5.26m、宽度25cm、高度20cm，调坡范围0-2％。

槽道1的基本参数为：

槽道1由有机玻璃制成，长60cm、宽度25cm、高度5cm。

2)开启水槽水泵，利用恒定均匀水流冲刷试验水槽2床面，逐渐增大流量，当床面上泥沙颗粒基本全部动时，停止水流，此时床面上的泥沙颗粒之间为自然排列，铺沙时的人为因素消失；

3)待水流缓慢放空后，将槽道1连同槽道1内的泥沙颗粒从试验水槽2中取出，放置在医用CT机3上进行全息扫描；

如图3所示，所述医用CT机3为医用螺旋CT仪器，由操作主机3-1和可滑动平台3-2组成，槽道1置于可滑动平台3-2上，操作主机3-1对槽道1中的泥沙颗粒进行全息扫描后将扫描所得横断面图像数据传送给计算机4。

所述医用CT机3的基本参数为：

所述医用CT机3为西门子公司Somatom Sensation 40CT仪器，孔径：70cm，倾斜角：±30度，机架旋转速度：0.37秒，探测器：40排稀土陶瓷(UFC)可变阵列探测器(AAD)采集系统，球管：电子束控Straton球管，阳极的散热率：5MHU/min，高压发生器：70kW，电压范围：80、100,120、140KV，管电流：28－580mA。

4)计算机4根据CT机3传送的一系列的横断面图像数据，利用三维容积重建(VRT)算法插值重构槽道1内泥沙颗粒的三维空间结构，选取床面上一颗泥沙，选取最优的方位对泥沙颗粒的三维空间影像进行旋转切割，生成二维图像，如图3所示，利用图像处理的方法提取所研究泥沙颗粒相对于其下游颗粒的暴露高度H，将所提取的暴露高度H除以其粒径D即可得到该泥沙颗粒的暴露度，选取其余泥沙颗粒进行相同步骤的操作；其中，暴露高度H及泥沙颗粒粒径D的数值用图像像素数进行度量，泥沙颗粒暴露度为二者像素数的比值。

5)将计算得到的泥沙颗粒暴露度数据进行直方图统计分析，求解泥沙颗粒暴露度期望和方差，并进行泥沙颗粒暴露度概率密度分析。

所述计算机4为处理泥沙床面三维空间影像以及对泥沙颗粒暴露度进行统计分析的平台。计算机4配置参数如下：

CPU性能不低于Intel奔腾4处理器、内存不低于512M、主板配备标准串口卡、操作系统版本不低于Windows XP。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。