河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统及其量测方法

摘要

本发明提供一种河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统包括：河岸模型上的示踪网格、拍摄装置和图像处理系统；所述拍摄装置的拍摄范围覆盖所述河岸模型上的示踪网格，所述拍摄装置与所述图像处理系统相连接。在河岸侧蚀坍塌模型迎水面岸坡上进行均匀网格标记，形成等间距示踪网格；试验过程中，通过高精摄像头进行图像采集，并通过二值化图像分割以及数字图像处理，提取出河岸侧蚀崩塌后的最新岸线网格节点位置坐标，经过坐标转换后并与初始岸线位置坐标对比，计算出河岸侧蚀崩退距离；然后用河岸侧蚀崩退距离除以时间间隔，便可获得河岸侧蚀崩塌速率。本发明量测数据准确，能够有效的为河岸侧蚀崩塌力学机理及其预报方法的深入研究提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程河流动力学领域基础试验研究中的一种河岸侧蚀崩 塌速率的试验测量系统及其量测方法。

背景技术

河岸侧蚀崩塌现象广泛分布于世界各大江河之中，我国的长江、黄河等河 流也经常会发生河岸侧蚀崩塌现象，尤其是在汛期和汛后表现最为突出，是一 种危害很大的自然灾害。河岸侧蚀崩塌往往酿成重大险情，严重威胁着两岸人 民的生命和财产安全。此外，河岸侧蚀崩塌往往还会引起河道产生横向变形， 导致河势剧烈变化，给防洪、航道、港口等方面均造成重大不利影响，也给河 道治理工程带来许多困难，这方面的实例举不胜数。由此可见，河岸侧蚀崩塌 问题是防洪抢险和河道治理中最严重的问题之一，而通过试验研究河岸侧蚀崩 塌的过程及其力学机制是一个重要而紧迫的问题，可为河岸侧蚀崩塌的预测提 供技术支撑。

大江大河的河床变形包括垂向冲淤以及由河岸侧蚀崩塌引发的横向变形两 方面。目前，关于垂向河床冲淤变形的研究成果较多也较成熟，而关于河岸侧 蚀崩塌引起的河床横向变形的研究则相对较少，包括河岸侧蚀崩塌变化规律的 认识、数学描述方式以及模拟试验研究均滞后于垂向河床冲淤变化。从现阶段 情况看，河岸侧蚀崩塌虽属治河工程领域中倍受关注的问题，但试验研究手段 和量测方法均不够，以往河床冲淤变化试验研究所采用的测量仪器多针对水下 河床地形的垂向冲淤变化，而对于河岸侧蚀崩塌的方便有效测量仪器及其量测 方法则非常欠缺，这已逐渐成为研究河岸侧蚀崩塌力学机制的一大技术瓶颈。

发明内容

针对这一问题，本发明将提出一种能够方便有效测量河岸侧蚀崩塌速率的 试验测量系统及其量测方法，从而为河岸侧蚀崩塌力学机理及其预报方法的深 入研究提供技术支撑。

本发明提供了如下的技术方案：

一种河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统，包括：河岸模型上的示踪网格、 拍摄装置和图像处理系统；所述拍摄装置的拍摄范围覆盖所述河岸模型上的示 踪网格，所述拍摄装置与所述图像处理系统相连接。

进一步的，所述河岸模型上的示踪网格上涂有白色示踪剂。

进一步的，图像处理系统包括：图像采样模块、图像分割模块、崩岸点识 别模块、坐标提取模块和坐标转换模块；

所述图像采样模块采集所述拍摄装置拍摄的图像信息；

所述图像分割模块通过对图像进行分割处理，形成二值化图像；

所述崩岸点识别模块对分割后的图像进行崩岸点识别；

所述坐标提取模块提取出河岸侧蚀崩塌后的最新岸线网格节点位置坐标；

所述坐标转换模块将提取到的最新岸线网格节点位置坐标与初始岸线位 置坐标对比，计算出河岸侧蚀崩退距离；然后用河岸侧蚀崩退距离除以时间间 隔，便可获得河岸侧蚀崩塌速率。

一种河岸侧蚀崩塌速率的试验量测方法，包括如下步骤：

S1、试验准备，用颜色较深的模型沙精确制作出河岸侧蚀崩塌模型，所述 河岸侧蚀崩塌模型侧面为具有倾角的梯型；然后在迎水面岸坡上用白色示踪剂 进行均匀网格标记，形成等间距示踪网格，白色示踪剂由滑石粉掺兑20～40％ 左右的水搅拌而成，然后将白色示踪剂装入塑料瓶内，并在瓶盖上用针尖开一 小孔，使得白色示踪剂可以挤射出为准，均匀网格事先通过尺子在岸坡上用细 线标出，然后再用白色示踪剂进行逐一标示，从而形成等间距的白色示踪网格， 其中纵向网格线尽量设置为垂直水流流向，亦即平行于河岸侧蚀崩退方向；最 后，将拍摄装置布置于水面上方，并与斜坡垂直，并采用较长焦距镜头以保证 网格图像变形较小，并通过传输线将高清摄像头与计算机测量系统相连；

S2、进行侧蚀崩塌试验，采集模型网格灰度图像进行二值化处理；在河岸 侧蚀崩塌试验过程中，受水流冲刷作用，迎水面岸坡不断崩退，包含白色示踪 网格的土体不断坍塌入水中并被带走，通过计算机控制摄像头连续采集模型网 格灰度图像，并对图像进行畸变校正；为了提取网格图像，首先需要通过下式 进行二值化图像分割：

G(i,j)≥T(i,j)，G(i,j)＝255

G(i,j)＜T(i,j)，G(i,j)＝0

上式中，G(i,j)为图像中像素坐标为(i,j)处的灰度值，灰度值范围为 (0-255)，0为黑色，255为白色；T(i,j)为进行二值化分割的阈值；设置该阈 值时，要保证网格的连续性，同时也要尽量去除图像噪声；

S3、逐一搜寻各纵向网格线崩岸点位置；通过事先对图像标定，确定出每 条网格线的图像横纵坐标变化范围；假设第k条纵向网格线的横坐标变化范围 为(M₁＜I_k＜M₂)，纵坐标变化范围为(N₁＜J_k＜N₂)；先从(N₁～N₂)行进行纵 向搜索，即从过水一侧逐渐向内侧岸坡方向搜索，对第j行(N₁＜j＜N₂)的像素， 对在(M₁＜i＜M₂)范围内的像素进行逐个搜索，如果满足如下条件：

G(i,j)＝255，(M₁＜i＜M₂,N₁＜j＜N₂)

则第k条纵向网格线的崩塌点坐标X_k＝i，Y_k＝j；

图像坐标与模型坐标比例S可事先测定，识别出崩塌点并提取出该点坐标 (X_k，Y_k)后，与图像与模型原点坐标(X₀，Y₀)相比，便可通过下式换算到 模型崩岸点坐标：

x_k＝(X_k-X_o)×S

y_k＝(Y_k-Y_o)×S；

S4、计算河岸侧蚀崩退速率,依次对模型中的每条纵向网格线进行图像处 理，提取出崩岸后网格节点坐标，并与对应纵向网格线初始岸线位置(x₀，y₀) 对比，计算出每条纵向网格线的河岸侧蚀崩塌位移L，然后除以时间间隔Δt， 便可获得河岸侧蚀崩塌速率v，即：

$L=\sqrt{{(x_k-x_o)}^2+{(y_k-y_o)}^2}$

v＝L/Δt。

本发明的有益效果是：本发明测量数据准确、有效，能够为河岸侧蚀崩塌 力学机理及其预报方法的深入研究提供技术支撑。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发 明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明系统一个较佳实施例模型侧视图；

图2是图1的俯视图；

图3是河岸侧蚀崩塌试验过程中典型的网格二值图像。

具体实施方式

本实施例中，试验测量系统组成如图1、图2所示，主要包括：河岸模型 上的示踪网格、高清摄像头、图像处理系统。

测量原理：采用与深色模型沙颜色对比鲜明的白色示踪剂，在河岸侧蚀坍 塌模型迎水面岸坡上进行均匀网格标记，形成等间距示踪网格；通过高精摄像 头进行图像采集，并通过二值化图像分割以及数字图像处理，提取出河岸侧蚀 崩塌后的最新岸线网格节点位置坐标，并与初始(或任意上一时刻)岸线位置 坐标对比，计算出河岸侧蚀崩退距离；然后用河岸侧蚀崩退距离除以时间间隔， 便可获得河岸侧蚀崩塌速率。

具体测量过程如下：

(1)河岸侧蚀崩塌模型及测量系统安装准备。第一步，首先用颜色较深 的模型沙精确制作出河岸侧蚀崩塌模型，如图1所示，该模型侧面为具有一定 倾角的梯型；第二步，然后在迎水面岸坡上用白色示踪剂进行均匀网格标记， 形成等间距示踪网格，如图2所示，其中白色示踪剂由滑石粉掺兑20～40％左右 的水搅拌而成，使其具有一定的粘稠性为准，然后将其装入塑料瓶内(矿泉水 瓶)，并在瓶盖上用针尖开一小孔，使得白色示踪剂可以挤射出为准，均匀网 格事先通过尺子在岸坡上用细线标出，然后再用白色示踪剂进行逐一标示，从 而形成等间距的白色示踪网格，其中纵向网格线尽量设置为垂直水流流向，亦 即平行于河岸侧蚀崩退方向；最后，将高清摄像头布置于水面上方，并与斜坡 垂直，并采用较长焦距镜头以保证网格图像变形较小，并通过传输线将高清摄 像头与计算机测量系统相连。

(2)进行侧蚀崩塌试验，采集模型网格灰度图像进行二值化处理。在河 岸侧蚀崩塌试验过程中，受水流冲刷作用，迎水面岸坡不断崩退，包含白色示 踪网格的土体不断坍塌入水中并被带走，通过计算机控制摄像头连续采集模型 网格灰度图像，并对图像进行畸变校正。为了提取网格图像，首先需要通过下 式进行二值化图像分割：

G(i,j)≥T(i,j)，G(i,j)＝255

G(i,j)＜T(i,j)，G(i,j)＝0

上式中，G(i,j)为图像中像素坐标为(i,j)处的灰度值，灰度值范围为 (0-255)，0为黑色，255为白色。T(i,j)为进行二值化分割的阈值。设置该阈 值时，要保证网格的连续性，同时也要尽量去除图像噪声。河岸侧蚀崩塌试验 过程中典型的二值化网格图像如图3所示，仅由白色网格线和黑色背景组成 (注：文本显示需要，图3中为黑色网格线和白色背景)。

(3)逐一搜寻各纵向网格线崩岸点位置。河岸侧蚀崩塌试验过程中典型 的二值化网格图像如图3所示，仅由白色网格线和黑色背景组成(注：文本显 示需要，图3中为黑色网格线和白色背景)。通过事先对图像标定，确定出每 条网格线的图像横纵坐标变化范围。假设第k条纵向网格线的横坐标变化范围 为(M₁＜I_k＜M₂)，纵坐标变化范围为(N₁＜J_k＜N₂)，如图3所示。先从(N₁～N₂) 行进行纵向搜索，即从过水一侧逐渐向内侧岸坡方向搜索，对第j行 (N₁＜j＜N₂)的像素，对在(M₁＜i＜M₂)范围内的像素进行逐个搜索，如果满足 如下条件：

G(i,j)＝255，(M₁＜i＜M₂,N₁＜j＜N₂)

则第k条纵向网格线的崩塌点坐标X_k＝i，Y_k＝j。

图像坐标与模型坐标比例S可事先测定，识别出崩塌点并提取出该点坐标 (X_k，Y_k)后，与图像与模型原点坐标(X₀，Y₀)相比，便可通过下式换算到 模型崩岸点坐标：

x_k＝(X_k-X_o)×S

y_k＝(Y_k-Y_o)×S

(4)计算河岸侧蚀崩退速率。依次对模型中的每条纵向网格线进行上述 图像处理，提取出崩岸后网格节点坐标，并与对应纵向网格线初始(或任意上 一时刻)岸线位置(x₀，y₀)对比，计算出每条纵向网格线的河岸侧蚀崩塌位 移L，然后除以时间间隔Δt，便可获得河岸侧蚀崩塌速率v，即：

$L=\sqrt{{(x_k-x_o)}^2+{(y_k-y_o)}^2}$

v＝L/Δt

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照 前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进 行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改 进等，均应包含在本发明的保护范围之内。