本發(fā)明涉及水利量測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種泥沙顆粒暴露度的測量方法。

背景技術(shù)：

床面上泥沙顆粒的排列具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，泥沙顆粒暴露度的測量對(duì)完善泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論體系具有重要意義。

泥沙顆粒暴露度經(jīng)過近50多年的探索，其理論分析及應(yīng)用已得到了較大程度的發(fā)展。如韓其為等(1965)提出泥沙顆粒暴露度的物理概念，并假設(shè)其符合均勻分布，Cheng(2003)通過試驗(yàn)測量了床面上相鄰泥沙顆粒圓心之間的水平長度，即顆粒間步長，楊奉廣等(2009)通過建立泥沙顆粒暴露度與顆粒間步長之間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)顆粒間步長的概率密度分布函數(shù)推求了泥沙顆粒暴露度的分布規(guī)律；邢茹等(2015)首次通過實(shí)驗(yàn)手段測量了泥沙顆粒暴露度，并給出了泥沙暴露度服從正偏態(tài)分布。上述研究僅僅把泥沙顆粒概化為二維圓餅狀，由于現(xiàn)實(shí)的泥沙顆粒具有三維性，孟震等(2011)提出三維泥沙顆粒暴露度的物理概念，但這也僅僅局限在理論分析層面上。受泥沙顆粒形狀的不規(guī)則性，床沙級(jí)配的多樣性，顆粒之間相互排列的不確定性，以及床沙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無法透視等諸多因素影響，三維泥沙顆粒暴露度的實(shí)測資料還是空白，至今仍無人能夠揭示泥沙顆暴露度的分布規(guī)律。

本發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)能夠全息掃描床面泥沙顆粒的三維立體影像，通過對(duì)三維圖像的旋轉(zhuǎn)、切割、暴露，可以顯示表層泥沙顆粒之間的位置關(guān)系，通過圖像處理可以高精度提取算研究泥沙顆粒的暴露高度，進(jìn)而可以計(jì)算出泥沙顆粒暴露度數(shù)值，這為進(jìn)一步分析泥沙顆粒暴露度的分布規(guī)律研究奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種泥沙顆粒暴露度的測量方法，用以統(tǒng)計(jì)分析泥沙顆粒暴露度的分布規(guī)律，本方法利用醫(yī)用CT全息掃描技術(shù)重構(gòu)出床面泥沙的三維立體影像、通過圖像處理技術(shù)，提取出所研究泥沙顆粒的暴露高度，進(jìn)而計(jì)算出所研究泥沙顆粒的暴露度，具有不破壞床面，數(shù)據(jù)提取精度高的優(yōu)點(diǎn)。

一種泥沙顆粒暴露度的測量方法，其采用槽道、試驗(yàn)水槽、醫(yī)用CT機(jī)、以及計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)水槽上設(shè)有水槽水泵，所述槽道為與試驗(yàn)水槽等寬且兩端開口的槽道；

所述測量方法包括以下步驟：

步驟一、將槽道放置在試驗(yàn)水槽中，將所研究的泥沙顆粒均勻鋪設(shè)在試驗(yàn)水槽中，鋪沙厚度與槽道高度相等，且試驗(yàn)水槽內(nèi)的鋪沙長度要遠(yuǎn)大于槽道的長度；

步驟二、開啟水槽水泵，利用恒定均勻水流沖刷試驗(yàn)水槽床面，逐漸增大流量，當(dāng)床面上泥沙顆粒基本全部動(dòng)時(shí)，停止水流，此時(shí)床面上的泥沙顆粒之間為自然排列，鋪沙時(shí)的人為因素消失；

步驟三、待水流緩慢放空后，將槽道連同槽道內(nèi)的泥沙顆粒從試驗(yàn)水槽中取出，放置在醫(yī)用CT機(jī)上進(jìn)行全息掃描，CT機(jī)對(duì)槽道中的泥沙顆粒進(jìn)行全息掃描后將掃描所得橫斷面圖像數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)；

步驟四、計(jì)算機(jī)根據(jù)CT機(jī)傳送的一系列的橫斷面圖像數(shù)據(jù)，利用三維容積重建算法插值重構(gòu)槽道內(nèi)泥沙顆粒的三維空間結(jié)構(gòu)，選取床面上一顆泥沙，選取最優(yōu)的方位對(duì)泥沙顆粒的三維空間影像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，生成二維圖像，利用圖像處理的方法提取所研究泥沙顆粒相對(duì)于其下游顆粒的暴露高度H，將所提取的暴露高度H除以其粒徑D即可得到該泥沙顆粒的暴露度，選取其余泥沙顆粒進(jìn)行相同步驟的操作；

步驟五、將計(jì)算得到的泥沙顆粒暴露度數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，求解泥沙顆粒暴露度期望和方差，并進(jìn)行泥沙顆粒暴露度概率密度分析。

進(jìn)一步的，所鋪設(shè)泥沙為粒徑5mm的玻璃球，鋪設(shè)長度為3.5米，鋪設(shè)厚度為50mm。

進(jìn)一步的，試驗(yàn)水槽為可調(diào)坡的有機(jī)玻璃水槽，槽身長度5.26m、寬度25cm、高度20cm，調(diào)坡范圍0-2％。

進(jìn)一步的，槽道由有機(jī)玻璃制成，長60cm、寬度25cm、高度5cm。

本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及有益效果：

1、利用恒定均勻水流沖刷床面，逐漸增大流量，當(dāng)床面上泥沙顆粒基本全部動(dòng)時(shí)，停止水流，此時(shí)床面上的泥沙顆粒之間為自然排列，該操作避免了鋪沙時(shí)的人為因素；

2、將取出的槽道放置在醫(yī)用CT機(jī)上進(jìn)行全息掃描，選取某一泥沙顆粒，選取最優(yōu)的方位對(duì)床面三維立體影像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，生成二維圖像，利用圖像處理技術(shù)可提取所研究泥沙顆粒相對(duì)于其下游顆粒的暴露高度，該操作方法避免了破壞床面；

3、對(duì)床面上表層泥沙顆粒暴露度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得泥沙顆粒暴露度的期望、方差，及概率密度分布函數(shù)。

4、本方法具有不破壞床面，數(shù)據(jù)提取精度高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1本發(fā)明泥沙顆粒暴露度的測量方法中試驗(yàn)水槽及槽道布置示意圖；

圖2本發(fā)明泥沙顆粒暴露度的測量方法中泥沙顆粒全息掃描示意圖；

圖3本發(fā)明泥沙顆粒暴露度的測量方法中泥沙顆粒暴露度提取示意圖。

圖中：1—槽道，2—試驗(yàn)水槽，3—醫(yī)用CT機(jī)，4—計(jì)算機(jī)，3-1—操作主機(jī)，3-2—可滑動(dòng)平臺(tái)3-2。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

請(qǐng)參考圖1-3，本發(fā)明提出了一種泥沙顆粒暴露度的測量方法，其采用一具槽道1、一部試驗(yàn)水槽2、一臺(tái)醫(yī)用CT機(jī)3、以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)4，試驗(yàn)水槽2上設(shè)有水槽水泵，所述試驗(yàn)水槽2為變坡循環(huán)水槽，所述槽道1為與試驗(yàn)水槽2等寬且兩端開口的槽道；

所述測量方法包括以下步驟：

1)將槽道1放置在試驗(yàn)水槽2中，將所研究的泥沙顆粒均勻鋪設(shè)在試驗(yàn)水槽2中，鋪沙厚度與槽道1高度相等，且試驗(yàn)水槽2內(nèi)的鋪沙長度要遠(yuǎn)大于槽道1的長度；其中，所鋪設(shè)泥沙為粒徑5mm的玻璃球，鋪設(shè)長度為3.5米，鋪設(shè)厚度為50mm。

試驗(yàn)水槽2的基本參數(shù)為：

試驗(yàn)水槽2為可調(diào)坡的有機(jī)玻璃水槽，槽身長度5.26m、寬度25cm、高度20cm，調(diào)坡范圍0-2％。

槽道1的基本參數(shù)為：

槽道1由有機(jī)玻璃制成，長60cm、寬度25cm、高度5cm。

2)開啟水槽水泵，利用恒定均勻水流沖刷試驗(yàn)水槽2床面，逐漸增大流量，當(dāng)床面上泥沙顆?；救縿?dòng)時(shí)，停止水流，此時(shí)床面上的泥沙顆粒之間為自然排列，鋪沙時(shí)的人為因素消失；

3)待水流緩慢放空后，將槽道1連同槽道1內(nèi)的泥沙顆粒從試驗(yàn)水槽2中取出，放置在醫(yī)用CT機(jī)3上進(jìn)行全息掃描；

如圖3所示，所述醫(yī)用CT機(jī)3為醫(yī)用螺旋CT儀器，由操作主機(jī)3-1和可滑動(dòng)平臺(tái)3-2組成，槽道1置于可滑動(dòng)平臺(tái)3-2上，操作主機(jī)3-1對(duì)槽道1中的泥沙顆粒進(jìn)行全息掃描后將掃描所得橫斷面圖像數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)4。

所述醫(yī)用CT機(jī)3的基本參數(shù)為：

所述醫(yī)用CT機(jī)3為西門子公司Somatom Sensation 40CT儀器，孔徑：70cm，傾斜角：±30度，機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度：0.37秒，探測器：40排稀土陶瓷(UFC)可變陣列探測器(AAD)采集系統(tǒng)，球管：電子束控Straton球管，陽極的散熱率：5MHU/min，高壓發(fā)生器：70kW，電壓范圍：80、100,120、140KV，管電流：28－580mA。

4)計(jì)算機(jī)4根據(jù)CT機(jī)3傳送的一系列的橫斷面圖像數(shù)據(jù)，利用三維容積重建(VRT)算法插值重構(gòu)槽道1內(nèi)泥沙顆粒的三維空間結(jié)構(gòu)，選取床面上一顆泥沙，選取最優(yōu)的方位對(duì)泥沙顆粒的三維空間影像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，生成二維圖像，如圖3所示，利用圖像處理的方法提取所研究泥沙顆粒相對(duì)于其下游顆粒的暴露高度H，將所提取的暴露高度H除以其粒徑D即可得到該泥沙顆粒的暴露度，選取其余泥沙顆粒進(jìn)行相同步驟的操作；其中，暴露高度H及泥沙顆粒粒徑D的數(shù)值用圖像像素?cái)?shù)進(jìn)行度量，泥沙顆粒暴露度為二者像素?cái)?shù)的比值。

5)將計(jì)算得到的泥沙顆粒暴露度數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，求解泥沙顆粒暴露度期望和方差，并進(jìn)行泥沙顆粒暴露度概率密度分析。

所述計(jì)算機(jī)4為處理泥沙床面三維空間影像以及對(duì)泥沙顆粒暴露度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的平臺(tái)。計(jì)算機(jī)4配置參數(shù)如下：

CPU性能不低于Intel奔騰4處理器、內(nèi)存不低于512M、主板配備標(biāo)準(zhǔn)串口卡、操作系統(tǒng)版本不低于Windows XP。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。