本發(fā)明涉及水利工程實驗技術(shù)領域，具體是一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測分析方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，學術(shù)界對于均勻沙的研究已較為成熟，而非均勻沙由于其自身的復雜性，不僅要求建立起水力條件與泥沙運動的關系，還要考慮不同粗細沙粒間的相互影響，而這種影響又是很難用數(shù)學關系加以精確、定量地描述出來，乃至對于非均勻沙的研究至今仍存在許多不確定因素。選取沙樣進行級配分析是定量描述非均勻河床組成分布的重要方法。這需要對泥沙樣本進行取樣篩分，而在篩分過程中，涉及到一系列的主觀上的影響因素：如選取沙樣的具體位置，選取沙樣的時機以及選用的測量方法等。不同的研究者對于同一河段可能由于研究方法的不同而得到完全不同的結(jié)果。同樣，在非均勻沙運動的實驗研究中，泥沙的級配分析是實驗研究的重要組成部分，級配分析結(jié)果的準確性直接影響整個非均勻沙實驗的結(jié)果。因此，對級配分析方法的研究具有重大的科學意義。

當前，對非均勻床沙級配的確定方法大致有以下幾種：

體積稱重法，即收集一定體積的沙樣進行篩分研究。這是一種較為普遍的做法，也是進行篩分研究的第一步。選用這種沙樣選取方法需要注意：在收集的沙樣中，必須包含表層以及表層以下的泥沙。而對于粗化或是細化過的河床，將同時包含未知比例的表層粗化或是細化過的床沙以及表層以下未受影響的床沙。通過將表層泥沙移走，可以對表層以下泥沙進行單獨的篩分，包括研究粒徑的垂向分布，傳統(tǒng)的體積稱重法雖然可靠，但是只能在試驗之前和之后進行取樣、烘干再篩分，從而得到結(jié)果。

面積法，即選定的一定面積的河床表層沙樣作為選取沙樣?？梢酝ㄟ^照片的形式采集到電腦中，通過對不同粒徑泥沙所占據(jù)的面積的統(tǒng)計，進行級配分析。或是通過熔蠟法進行收集，這種用熔石蠟的方法測床面沙樣級配，優(yōu)點是能夠很好的捕捉到河床表面的級配特征，但缺點是操作起來較為復雜。

節(jié)點計數(shù)法，即在沙樣表面布置一個網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點下的泥沙定為選取沙樣。比較常用的做法是在沙樣上鋪設網(wǎng)格，再通過照片或是影像的形式采集到電腦中進行分析；或者是選進行照相或是攝影的采集，再在電腦中對多媒體材料布置網(wǎng)格進行分析。這種方法需要注意的是最好是能保證兩個不同的網(wǎng)格結(jié)點落在兩個不同的沙樣上面，如果不同的網(wǎng)格結(jié)點落在了同一個沙樣上面，那么這個沙樣則要計數(shù)兩次。因此，根據(jù)照片的像素和尺寸，合理分配計數(shù)網(wǎng)格大小非常重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利的目的是為了提供一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測與分析的方法和系統(tǒng)，它可以在水沙試驗過程中不對試驗過程產(chǎn)生擾動的條件下，實現(xiàn)表層床沙級配的實時觀測與分析。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測分析方法，其特征在于：包括以下步驟，

S1.攝像設備的設置，攝像設備由可行走的支架固定于試驗水槽上方，垂直于河床表面，攝像設備旁邊配備LED光源；

S2.參考以下公式調(diào)節(jié)攝像設備采集的床沙區(qū)域面積，

$A={\left(\frac{g\sqrt{P}}{23,000}\right)}^2---\left(1\right)$

公式(1)中，A為采集的床沙區(qū)域面積，g是河床床沙的最小粒徑，P是攝像設備采集圖像的像素；

S3.數(shù)字圖像的采集，LED光源照射河床表面，攝像設備對河床進行拍攝采集數(shù)字圖像，攝像設備與圖像分析系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接，實時向圖像分析系統(tǒng)傳送獲取的數(shù)字圖像；

S4.圖像分析系統(tǒng)對數(shù)字圖像進行分析，輸出床沙表面級配分布數(shù)據(jù)。

所述步驟S4具體分析過程如下，

S10.確定各顏色RGB值區(qū)間對應的泥沙粒徑；

S11.圖像裁剪，去掉挨近水槽邊壁的部分圖像；

S12.圖像扭曲修正；

S13.圖像像素基本信息讀取；

S14.根據(jù)像素在圖像上布設網(wǎng)格；

S15.統(tǒng)計網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)；

S16.對圖像上每一個網(wǎng)格結(jié)點統(tǒng)計顏色RGB值；

S17.得出各顏色即各粒徑所占采樣區(qū)域的比例；

S18.輸出床沙表面級配分布數(shù)據(jù)。

所述步驟S11中使用Photoshop進行圖像裁剪，裁剪出3000*3000像素的BMP格式的圖片。

所述步驟S13將步驟S12進行扭曲修正的圖像讀入到Matlab軟件中，步驟S14利用Matlab軟件將圖像劃分成1000*1000的網(wǎng)格。

一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測分析系統(tǒng)，其特征在于：包括試驗水槽，試驗水槽內(nèi)設置床沙，試驗水槽上方通過支架固定有攝像設備，攝像設備垂直于河床表面用于采集床沙數(shù)字圖像，攝像設備旁邊設置LED光源，攝像設備通過數(shù)據(jù)線連接圖像分析系統(tǒng)并將床沙數(shù)字圖像傳送到圖像分析系統(tǒng)內(nèi)進行分析。

本發(fā)明的技術(shù)效果：將基于顏色識別的節(jié)點計數(shù)法應用于試驗過程中，研究監(jiān)測區(qū)間的床沙級配隨試驗過程變化，可以避免傳統(tǒng)方法必須取樣的劣勢，可以在照片中分析結(jié)果，對于試驗過程中的床沙級配監(jiān)測有幫助，實現(xiàn)表層床沙級配的實時觀測與分析。

附圖說明

圖1是本發(fā)明觀測分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明發(fā)觀測分析流程圖；

圖3是本發(fā)明數(shù)字圖像分析流程圖；

圖4a—圖4d是本發(fā)明實施例圖像分析示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明：

如圖2所示，一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測分析方法，包括以下步驟，

S1.攝像設備的設置，攝像設備由可行走的支架固定于試驗水槽上方，垂直于河床表面，攝像設備旁邊配備LED光源；

S2.參考以下公式調(diào)節(jié)攝像設備采集的床沙區(qū)域面積，

$A={\left(\frac{g\sqrt{P}}{23,000}\right)}^2---\left(1\right)$

公式(1)中，A為采集的床沙區(qū)域面積，g是河床床沙的最小粒徑，P是攝像設備采集圖像的像素；

S3.數(shù)字圖像的采集，LED光源照射河床表面，攝像設備對河床進行拍攝采集數(shù)字圖像，攝像設備與圖像分析系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接，實時向圖像分析系統(tǒng)傳送獲取的數(shù)字圖像；

S4.圖像分析系統(tǒng)對數(shù)字圖像進行分析，輸出床沙表面級配分布數(shù)據(jù)。

如圖3所示，步驟S4具體分析過程如下，

S10.確定各顏色RGB值區(qū)間對應的泥沙粒徑；

S11.圖像裁剪，去掉挨近水槽邊壁的部分圖像；

S12.圖像扭曲修正；

S13.圖像像素基本信息讀??；

S14.根據(jù)像素在圖像上布設網(wǎng)格；

S15.統(tǒng)計網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)；

S16.對圖像上每一個網(wǎng)格結(jié)點統(tǒng)計顏色RGB值；

S17.得出各顏色即各粒徑所占采樣區(qū)域的比例；

S18.輸出床沙表面級配分布數(shù)據(jù)。

步驟S11中使用Photoshop進行圖像裁剪，裁剪出3000*3000像素的BMP格式的圖片。

步驟S13將步驟S12進行扭曲修正的圖像讀入到Matlab軟件中，步驟S14利用Matlab軟件將圖像劃分成1000*1000的網(wǎng)格。

步驟S11和步驟S13中截取圖像像素和劃分網(wǎng)格可以根據(jù)實際泥沙粒徑的采集的床沙面積來定。

如圖1所示，一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測分析系統(tǒng)，包括試驗水槽1，試驗水槽1內(nèi)設置床沙5，試驗水槽1上方通過支架固定有攝像設備2，攝像設備2垂直于河床表面用于采集床沙數(shù)字圖像，攝像設備2旁邊設置LED光源3，攝像設備2通過數(shù)據(jù)線連接圖像分析系統(tǒng)4并將床沙數(shù)字圖像傳送到圖像分析系統(tǒng)4內(nèi)進行分析。

實施例：

(1)試驗中床沙采用不同顏色的沙樣組成，以兩種顏色的床沙為例，如圖4a所示(白色和黃色)；

(2)采用可以在水槽軌道上移動的高清攝像系統(tǒng),系統(tǒng)配備LED光源(避免光線陰影對沙樣顏色的影響)，實時采集床沙表面的數(shù)字圖像，如圖4a所示；

(3)圖像實時同步傳輸至圖像分析系統(tǒng)對圖像進行處理分析：圖像裁剪－>扭曲修正－>圖像像素大小等基本信息讀取(圖4b中所示)－>確定不同顏色沙樣的RGB閥值(圖4c中所示)－>根據(jù)沙樣本身粒徑和圖像像素大小在圖像上布設網(wǎng)格(圖4d中所示)－>讀取每個網(wǎng)格結(jié)點上的RGB顏色信息－>統(tǒng)計各顏色即各粒徑沙樣所占采樣區(qū)域的比例－>輸出圖像采集時刻所采集范圍的床沙表面級配分布數(shù)據(jù)；

(4)通過不同時刻高清攝像系統(tǒng)的沿水槽軌道移動和實時圖像采集，可以即時得到整個水槽床沙表面的級配分布及實時變化數(shù)據(jù)。

針對一張圖片，如何通過取色化驗定取3基色的閾值是關鍵。從圖4c可以看出，一個單體瓷球在取色器中可以被拆解成很多色點，把它們分成2個區(qū)：核心區(qū)和邊緣區(qū)。其中核心區(qū)為白色最強區(qū)域，單體顆粒大概有4個色點，連體的顆粒難以界定；邊緣區(qū)為白色較弱區(qū)域，單體顆粒大概有12個色點，即包裹著核心4個色點的周圍色點。選取3基色閾值主要選擇單體瓷球顆粒的邊緣區(qū)的色點。

如圖4c中，在Photoshop軟件中，通過程序進行取色化驗，如圖3所示，可以通過將圖片的細節(jié)拆分成若干色點，選取的色點是圖中2個紅色點和2個藍色點之間的點。由于所有顏色都可以由3基色來調(diào)配而出，因此可以判斷出某一色點的3基色值，即取色器中右下方的R、G和B的值。

如圖4d，通過程序?qū)MP格式圖片讀入Matlab軟件中，將圖片劃分成1000*1000的網(wǎng)格(截取圖像像素和劃分網(wǎng)格可以根據(jù)實際泥沙粒徑的采集的床沙面積來定)，然后利用3基色來判斷落在網(wǎng)格節(jié)點上的顏色，比如，如果此點的3基色(紅、綠、藍)的值都大于設定的3個對應的閾值，則判定此點為白色，即判定為瓷球，如果某一個或者幾個基色的值小于這一閾值，則判定為黃色，即判定為黃沙。

實施例是一種概率統(tǒng)計的方法，而非通過圖像確定泥沙的粒徑，從而分析出沙粒所占面積的方法。利用瓷球和黃沙天然的顏色差異，來界定所分析圖片的顏色占據(jù)計數(shù)比例，從而用統(tǒng)計的思路去剖析級配組成。

本發(fā)明的一種基于數(shù)字圖像的床沙表層級配觀測分析方法及系統(tǒng)，將基于顏色識別的節(jié)點計數(shù)法應用于試驗過程中，研究監(jiān)測區(qū)間的床沙級配隨試驗過程變化，可以避免傳統(tǒng)方法必須取樣的劣勢，可以在照片中分析結(jié)果，對于試驗過程中的床沙級配監(jiān)測有幫助，實現(xiàn)表層床沙級配的實時觀測與分析。