一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置，包括：水流经过的坡面，所述坡面上架设具有自动记录时间的高清数字取像器，所述高清数字取像器的拍摄视野范围内的坡面上设有定位标志，所述的高清数字取像器依次与滚波识别器、图像校准器、滚波参数计算控制器连接，所述的滚波参数计算控制器与高清数字取像器连接。本实用新型采用高清晰度的数字取像器，连续捕捉高速运动的滚波照片，应用数字图像分析技术对照片中的滚波进行分析，获取滚波的各个特征参数。由于获取标定计算等一系列工作均由计算机控制完成，与传统的本实用新型能够在观测区域能设置多点同时试验和观测，视场宽阔可以很好的解决较大区域的薄层水流流速观测。
【专利说明】
一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置，是一种实验装置，是一种用于水力学测量的装置，是一种用于室内外薄层液流过程中滚波特征参数的水工测量实验装置。
【背景技术】
[0002]坡面水流，恒定、均匀的明渠水流等在一定临界条件下，其表面常常会失稳而发育一系列的波动过程。这些波动可能是周期性的，波速和波形都保持不变，并且波速始终大于水流质点的运动速度;另一方面，波动也可能是非周期性的，波形和波速在传播的过程中不断发生演化，最终发生破碎。这些现象统称为滚波。滚波常见于自然坡面、城市路面、水电站的泄水陡槽和大坝的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滚波的出现会带来一系列不利的后果，例如水流从恒定流变为非恒定流;增强水流对坡面土壤的侵蚀能力使土壤颗粒发生剥离及输移泥沙的能力;波峰处的水深超过河(渠)道的设计水深，造成溢流;强烈的水流掺气作用，造成雾化现象；同时对河(渠)道上的水工建筑物造成超负荷的压力或者应力等等。因此，研究滚波形成的临界条件及其演化规律，对于土壤侵蚀过程及水土保持措施配置，以及工程实践中如何消除滚波以及相关学科的理论研究，例如动床阻力和水流输沙等都有着重要意义。特别是下垫面较为复杂或糙率较大的条件下，如自然侵蚀的黄土坡面、覆有枯枝落叶层的林地地面、草地等，滚波的发生和发展对坡面水流的侵蚀、搬运过程，以及污染物扩散过程具有重要影响。获得不同条件下的滚波特征是开展薄层水流水动力学研究的基础和前提。现有的观测则是利用水文测针直接观测，该方法主要由人工确定测针与滚波的相对位置，由于是人工目视测量，而滚波的变化极快，人眼目测往往不能达到应有的效果，测量难以保证精度，由于人为的测量，其稳定性较差，每次的测量结果均不相同，只能增加测量次数，使用统计的方法近似的获得测量。这种方式使滚波测量变成了一种需要重复多次的繁复体力劳动，随着人的体力下降，其精度也变得越来越差。因此，需要一种精确的系统代替这种繁重的体力测量。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的问题，本实用新型提出了一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置，所述的装置基于高清晰度的摄影，实现复杂下垫面条件下薄层水流的滚波特征参数及其变化过程，获取研究滚波所必要的各种特征参数，以便对滚波进行深入的研究。
[0004]本实用新型的目的是这样实现的:一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置，包括:水流经过的坡面，所述坡面上架设具有自动记录时间的高清数字取像器，所述高清数字取像器的拍摄视野范围内的坡面上设有定位标志，所述的高清数字取像器依次与滚波识别器、图像校准器、滚波参数计算控制器连接，所述的滚波参数计算控制器与高清数字取像器连接。
[0005]进一步的，所述的坡面上方设有辅助光源。
[0006]进一步的，所述的辅助光源包括多个点光源与漫反射板。
[0007]进一步的，所述的坡面是实验水槽的底面，所述的实验水槽上设有坡面水流水源；所述的实验水槽包括:安装固定架的两侧槽帮和与所述的槽帮连接的槽底，所述的槽帮和槽底设置在钢结构架上，所述的钢结构架一端设置铰链，另一端设置升降机构，所述的实验水槽在铰链一端设置出水口，所述的出水口与循环水池管道连接;所述的高清数字取像器，安装在一条可以使高清数字取像器沿水流方向前后移动的导轨上。
[0008]进一步的，所述的槽底是玻璃、塑料、金属板或夯实并板结的平整泥土面中的一种。
[0009]进一步的，所述的滚波发生器包括:安装在坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，所述的喷水口阵列通过流量控制阀和水栗与循环水池管路连接。
[0010]进一步的，所述的坡面水流水源包括:设置在所述的水槽与出水口相对的另一端的至少一个进水口，所述的进水口通过流量控制阀和水栗与循环水池管道连接。
[0011]本实用新型产生的有益效果是:本实用新型采用高清晰度的数字取像器，连续捕捉高速运动的滚波照片，应用数字图像分析技术对照片中的滚波进行分析，获取滚波的各个特征参数。由于获取标定计算等一系列工作均由计算机控制完成，与传统的本实用新型能够在观测区域能设置多点同时试验和观测，视场宽阔可以很好的解决较大区域的薄层水流流速观测。因为主要是数字图像处理，既适应室内工作也适应野外工作。由于现场工作量较小，特别适用在野外恶劣情况下工作。由于观测过程只需较少记录，使观测记录过程更加客观，人为影响和主观误差较小。能够实现水流示踪段的过程观测记录，实现滚波波速、频率等多个特征值的直接观测和计算，使薄层水流过程的观测和计算更加科学和准确。本实用新型所述装置充分利用现成技术成熟的一些硬件、软件，将其进行组合，实验成本很低，经济性好，精度却可以到达相当高的程度。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0013]图1是本实用新型的实施例一、二所述装置的结构示意图；
[0014]图2是本实用新型的实施例四、六所述装置的结构示意图；
[0015]图3是本实用新型的实施例七所述装置的结构示意图；
[0016]图4是本实用新型实施例十所述滚波识别示意图。
【具体实施方式】
[0017]实施例一:
[0018]本实施例是一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置，如图1所示。本实施例包括:水流经过的坡面I，所述坡面上架设具有自动记录时间的高清数字取像器2，所述高清数字取像器的拍摄视野范围内的坡面上设有定位标志3，所述的高清数字取像器依次与滚波识别器4、图像校准器5、滚波参数计算控制器6连接，所述的滚波参数计算控制器与高清数字取像器连接。
[0019]本实施例通过高清数字取像器在被产生滚波的坡面正上方摄取水面滚波信息的照片，利用数据处理系统进行照片的正射纠正，利用数据处理系统对正射纠正后的照片进行滚波纹理提取或者直接人工判读，获得滚波的弧度、长度、破碎状况等，利用多张处理后的照片提取滚波的波速、频率等参数。本实施例通过高清数字取像器和数据处理系统形成科学高效的滚波水流特征快速测定系统，可以有效避免滚波运动过程中的合并现象等对观测造成的影响，使薄层水流特征参数测定更加精确和高效，操作更加方便，试验的过程更加易于控制。
[0020]为使摄影使滚波的波峰更加明显，可以在滚波产生的坡面上方设置辅助光源。辅助光源可以射灯或带有漫反射光板的点光源，点光源可以是白炽灯或LED灯。
[0021]所述的坡面可以是专门用来实验的水槽，也可以是符合实验条件的野外自然坡面。其条件是具有一定坡度的平坦坡面，坡面的下垫面可以是平坦的泥土办结面，在下雨或有水源的情况下能够产生薄层水流，并在薄层水流中生成滚波，同时还要满足便于架设高清数字取像器(照相机)。
[0022]专门为实验设计的水槽所形成的坡面可以是玻璃、塑料或金属板材形成的地面，或者槽底用泥土夯实，形成板结的泥土下垫面。
[0023]水槽要有改变坡度的能力。水槽设有坡面水流水源，使水槽中不断的产生水流以及水流中的滚波。薄层水流的来源有两种，一种是人工降雨装置模拟降雨形成的水流。一种是将水流引至水槽坡面的坡顶部，使水流在水槽中由顶部向下自由溢流，在水槽中产生薄层水流和滚波。
[0024]定位标志可以是钉在野外坡面上的橛子，在涂上颜色鲜艳的油漆。在实验室的水槽上可以直接用颜色鲜艳的油漆标志。
[0025]所述的高清数字取像器可以是高清晰的照相机，或者是高清晰的摄像头。这里所谓的高清晰是指全画幅(32毫米)的图像传感器的像素要求应当在千万级别。照相机一般都具有记录时间的功能，而摄像头则需要与相关的电脑连接，并有相应的软件配合，取得数字图像和图像的获取时间。
[0026]本实施例所述的滚波识别器、图像校准器、滚波参数计算控制器是设置在电脑中装置，通过这些装置可以对照片的拍摄过程进行控制，并对照片进行分析，获得滚波的特征参数。
[0027]滚波识别器的作用是将照片的中滚波波峰线识别出来。由于滚波在明亮光线的照耀下，呈现明亮的光带，在照片上可以通过比较像素的亮度而获取滚波波峰的线条。
[0028]图像校准器的作用是将摄影所造成的图形误差进行校准，使滚波在照片中的畸变位置精确的回到应当的位置上。
[0029]滚波参数计算控制器的作用是控制照片的拍摄，按照一定的时间间隔，几秒钟的间隔，进行拍摄，并记录拍摄的时间，如果高清数字取像器是照相机，则由照相机记录拍摄时间。
[0030]滚波参数计算控制器还要对拍摄的照片进行分析，计算出滚波的各个特征参数，如滚波的波速，各个滚波之间的距离，滚波的频率等参数。
[0031]实施例二:
[0032]本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于坡面的细化。本实施例所述的坡面上方设有辅助光源7，见图1。
[0033]辅助光源可以是射灯，或者是点光源配合的漫反射反光板，使光照均匀适合提取滚波图像。
[0034]实施例三:
[0035]本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于辅助光源的细化。本实施例所述的辅助光源包括多个点光源与漫反射板。
[0036]点光源的确定容易在滚波中形成不均匀的亮点，当使用漫反射反光板时则可以克服这个缺点。
[0037]实施例四:
[0038]本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于坡面的细化。本实施例所述的坡面是实验水槽的底面，所述的实验水槽上设有坡面水流水源;所述的试验水槽包括:安装所述固定架的两侧槽帮和与所述的槽帮连接的槽底101，所述的槽帮和槽底设置在钢结构架102上，所述的钢结构架一端设置铰链103，另一端设置升降机构104，所述的实验水槽在铰链一端设置出水口 105，所述的出水口与循环水池106管道连接;所述的高清数字取像器，安装在一条可以使高清数字取像器沿水流方向前后移动的导轨上108，如图2所示。
[0039]本实施例是在实验室中进行滚波测试的试验装置，使用钢结构架作为骨架，在骨架上使用玻璃、塑料等板材搭建水槽。钢结构架的一端设置铰链，使水槽可以绕铰链转动，在水槽的另一端设置提升机构，利用提升机构和铰链的配合，改变水槽底部与水平面的角度，形成不同倾斜度的坡面。在水槽较低的一端设置出水口，是水槽中流动的水流及时排除水槽。
[0040]所述的坡面水流水源实际是一套在水槽中形成稳定均匀的自由溢流水循环系统。坡面水流水源在水槽中形成水流有两种方式，一种是能够精确控制降雨量和降雨强度的人工降雨装置，包括:安装在水流坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，喷水口阵列，喷口阵列通过供水栗和蓄水池供水。另一种是将流引导水槽较高的一端，使水流顺槽而下，在槽底面生成薄层水流以及滚波。
[0041]高清数字取像器安装在云台上，该云台在可绕水流方向垂直的水平轴转动，云台可以沿一条与水流方向一致的水平导轨上由步进电机的驱动下延水平导轨运动，云台的运动位置和角度变换均通过电缆连接到控制器上。这样通过控制云台可以使高清数字取像器始终处于被摄区域的正上方，同时通过调整角度可以使高清数字取像器始终正对拍摄区域。
[0042]实施例五:
[0043]本实施例是上述实施例改进，是上述实施例关于水槽的细化。本实施例所述的槽底是玻璃、塑料、金属板或夯实并板结的平整泥土面中的一种。
[0044]水槽可以使用玻璃板、金属板或塑料构建，其底面可以是裸露的玻璃、塑料和金属板，也可以使用泥土夯实形成模拟自然的板结土坡面，以模拟自然环境中的下垫面。
[0045]实施例六:
[0046]本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于坡面水流水源的细化。本实施例所述的坡面水流水源包括:安装在坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列109，所述的喷水口阵列通过流量控制阀和水栗110与循环水池管路连接，见图2。
[0047]本实施例所述的坡面水流水源是模拟自然环境中降雨的人工降雨装置，模拟的是在降雨过程中发生滚波的情况，在这种情况下水流在流动中不断的得到补充，更接近于在雨中产生滚波的情况。
[0048]实施例七:
[0049]本实施例上述实施例的改进，是上述实施例关于坡面水流水源的细化。本实施例所述的坡面水流水源包括:设置在所述的水槽与出水口相对的另一端的至少一个进水口111，所述的进水口通过流量控制阀和水栗与循环水池管道连接，如图3所示。
[0050]为精确的控制流量，可以在流量控制阀和水槽之间设置电磁流量计。通过流量控制阀和电磁流量计产生精确的薄层水流。
[0051 ]为确保水槽中水流的稳定，减少对滚波产生的干扰，可以在设置多个进水口，在水槽顶部一字型排开(一字型与水流方向垂直)，使水流可以均匀的水槽中形成薄层水流。
[0052]在多数情况下，水栗输出的水流带有一定的脉动，如果将水栗出口(水槽的进水口)直接设置在水槽顶部，所形成的水流会受到脉动干扰，使得水流过程不均匀，干扰薄层水流中滚波的形成，达不到实验的效果。因此可以在水槽的顶部水槽进水口处设置水流整流装置，稳定水流。
[0053]水流整流装置实际是一套消除供水水流不稳定性的系统，可以保证出水水流过程的稳定性和均匀性，从而消除供水对滚波产生和发展过程的影响。
[0054]水流整流装置可以是水箱，即在水槽坡面的顶部设置一个水箱，存储一定的水量，水箱的出水口(流向水槽的水出口)为溢流堰，利用水箱中水量的体积吸收水栗供水产生的冲击，利用溢流产生稳定的薄层水流。
[0055]水箱溢流供水也存在不稳定、水箱震动等问题，引起的水箱溢流过程的不稳定性。因此，还可以进一步将溢流堰改为多层整流孔板或整流管板，利用孔板或管板更进一步稳定输出的水流。整流孔板就是厚度约2mm的不锈钢板上细密的打上了直径约Imm的过水孔，通过多层叠加，放置水槽的进水口和溢流边之间，以此消除水箱供水管出流过程引起的水流波动。整流孔管是为了消除水箱溢流过程形成的不均匀涡流，放置在溢流之后水槽的上部整流管板由直径I cm，长2?3cm的PVC管紧密排列而成。
[0056]实施例八:
[0057]本实施例是一种使用上述实施例所述装置的基于高清摄影的薄层水流滚波测量方法。本实施例的基本原理为:
[0058]首先在野外找到相对平坦有能产生滚波的坡面，或在实验室中使用水槽，调成水槽的角度并架设和调整高清数字取像器(可以是照相机或高清摄像头)。在滚波水流旁设置标志点，用于后期照片的正射纠正，并赋予照片上的纹理真实尺寸。在水流斜上方设置辅助光源，照射水面，用于加强滚波的纹理特性，方便后期计算机自动提取滚波特征轮廓。利用高清数字取像器在水流正上方拍摄水流过程照片。利用共线方程，对照片进行正射纠正-计算机自动识别滚波轮廓线。
[0059]对连续照片进行比对，提取滚波演化特征:滚波运动距离/照片时间差=滚波波速；特定断面单位时间通过滚波的数量(滚波频率)；
[0060]地面高精度三维扫描地形数据-匹配滚波特征-匹配薄层水流水位;解算复杂下垫面条件下薄层水流水动力过程。
[0061 ]本实施例所述方法的具体步骤如下:
[0062]设置的步骤:用于记录或设定水流坡面的坡度，设定高清数字取像器，使高清数字取像器镜头正对滚波可能出现的坡面，并保证被测区域和定位标志均在取景框内，且被测区域在取景框中的面积尽可能得大，记录各个定位标志之间的距离和位置坐标，设定辅助光源。本实施例的实施主要有两种情况，一种是在野外进行观测，另一种是在实验室中进行观测。在实验室观测时要调整水槽的倾斜角度，同时要调整高清数字取像器的拍摄角度，是高清数字取像器的镜头正对水槽，即使高清数字取像器的镜头的拍摄射线与水槽底面垂直，如图1所示。必要时可以设置辅助光源，使滚波特征线更加清晰。
[0063]形成薄层水流的步骤:用于等待坡面形成薄层水流，或设定流量并开启坡面水流水源，在水流坡面上形成滚波水流。如果在野外观测，则水流的形成需要在雨中进行，或将自然水流引至进行观测的坡面上。如果是在实验室的水槽中，即可以打开水栗的开关，通过电磁流量计设定工作流量，使水流逐渐充满上游供水水箱，水箱里的水经过水流整流装置消除溢流出流过程的波动，形成平稳的出水水流。
[0064]拍摄的步骤:用于开启高清数字取像器对测试区域的滚波水流进行拍摄，以数秒的间隔拍摄两张以上的照片，拍摄的同时记录拍摄的时间和拍摄的画面像素质量。拍摄的过程反复多次，通常要拍摄数以千计的照片进行比对，如果用人工进行处理，将是一份十分巨大的任务。
[0065]提取滚波特征线的步骤:用于对拍摄的照片的亮度进行分析，得到滚波特征线。对滚波的特征线自动识别有两种方法:(I)线检测法:选定沿水流方向的中线和1/3宽度处，进行像素亮度值对比，连续3个像素亮度值大于平均值位置即代表滚波位置;(2)面检测法:利用高通滤波算法对照片进行检测，则亮度较高的波峰就会被检测出来;然后根据波峰的位置和形态计算滚波的间距、弧度等特征值。
[0066]图像处理的步骤:用于将拍摄的各个测试图像进行正射校正，根据所拍摄照片的画面像素质量、定位标志的坐标以及拍摄点位置的坐标建立测量坐标系，准确的找出滚波特征线的准确坐标。由于照片拍摄的限制，照片与实际情况总是并一定的差别，特别是两道滚波特征线之间的距离，拍摄得到距离与实际有些许的差异，需要进行纠正消除差别，得到精密的距离。
[0067]计算滚波波速的步骤:用于提取照片生成时间，利用不同照片所拍摄的时间间隔信息和和滚波特征线的坐标位置信息计算滚波特征线的位移速度。利用拍摄照片的时间和确定的滚波特征线的作用，比较几张按照时间顺序拍摄的照片就可以得到滚波的速度等特征参数。对滚波特征线的像素点进行统计，提取统计信息，包括滚波特征线上特征点的位置及坐标。对前后两张连续照片上滚波特征线上的同名点计算其相对距离，利用距离/时间计算滚波波速。
[0068]计算滚波频率的步骤:利用多张连续照片，检测通过指定断面的滚波个数，利用个数和时间计算指定断面的滚波通过频率。
[0069]实施例九:
[0070]本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于提取滚波特征线的步骤的细化。本实施例所述的提取滚波特征线的步骤中对滚波特征线的识别利用高通滤波算法对整张照片进行检测，将亮度高滚波特征线检测出来。
[0071]这是一种对整张照片进行识别的方式。这种方式识别的可靠性高，但需要有较多的硬件资源和运算时间。其识别的过程可以采用图形边缘增强技术和图形分割边界技术。
[0072]实施例十:
[0073]本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于提取滚波特征线的步骤的细化。本实施例所述的提取滚波特征线的步骤包括如下子步骤:
[0074]照片中沿水流方向的中线宽，进行像素亮度值对比，连续3个像素亮度值大于平均值的位置即为滚波特征线的中间位置；
[0075]从滚波特征线的中间位置向周围搜索找到滚波特征线在照片中的其他位置。
[0076]本实施例所述方式是一种便捷快速的识别方式，利用了滚波特征线是线状图形的特点，并假设滚波特征线8在照片中是大致左右对称(照片上下是水流方向，如图4所示)，在照片的中间位置(图4中的点划线)，沿水流方向(图4中箭头方向)扫描，像素亮度值对比一定可以找到滚波的特征线上的一个点。然后在通过这个点，向这个点的四周搜索，通过像素亮度比较，可以找到整条滚波特征线。
[0077]最后应说明的是，以上仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案(比如高清数字取像器和坡面的设置方式、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种基于高清摄影的薄层水流滚波测量装置，包括:水流经过的坡面，所述坡面上架设具有自动记录时间的高清数字取像器，所述高清数字取像器的拍摄视野范围内的坡面上设有定位标志，其特征在于，所述的高清数字取像器依次与滚波识别器、图像校准器、滚波参数计算控制器连接，所述的滚波参数计算控制器与高清数字取像器连接。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的坡面上方设有辅助光源。3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述的辅助光源包括多个点光源与漫反射板。4.根据权利要求1-3之一所述的测量装置，其特征在于，所述的坡面是实验水槽的底面，所述的实验水槽上设有坡面水流水源;所述的实验水槽包括:安装固定架的两侧槽帮和与所述的槽帮连接的槽底，所述的槽帮和槽底设置在钢结构架上，所述的钢结构架一端设置铰链，另一端设置升降机构，所述的实验水槽在铰链一端设置出水口，所述的出水口与循环水池管道连接;所述的高清数字取像器，安装在一条可以使高清数字取像器沿水流方向前后移动的导轨上。5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述的槽底是玻璃、塑料、金属板或夯实并板结的平整泥土面中的一种。6.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述的坡面水流水源包括:安装在坡面上方的、纵横排列的喷水口阵列，所述的喷水口阵列通过流量控制阀和水栗与循环水池管路连接。7.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述的坡面水流水源包括:设置在所述的水槽与出水口相对的另一端的至少一个进水口，所述的进水口通过流量控制阀和水栗与循环水池管道连接。
【文档编号】G01M10/00GK205506347SQ201521128156
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】王建华, 赵勇, 范典, 刘扬, 龚家国, 陈根发, 刘佳嘉
【申请人】中国水利水电科学研究院