一种河道植被群尾流区长度的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种河道植被群尾流区长度测量方法，利用荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，采集植被群尾流区漩涡的运动过程视频；运用Matlab程序和视频处理代码将荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差趋势线；根据标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置；垂向漩涡产生的尾流区长度L

Method for measuring tail area length of river vegetation group

The invention discloses a river vegetation group wake region length measurement method, the trajectory of the fluorescent tracer tracer vegetation wake vortex motion, during the process of collecting vegetation in wake vortex; using the Matlab program and the video processing code will be converted into the corresponding color fluorescent tracer numerical calculation, the standard color fluorescent tracer the flow direction difference and standard deviation trend line; according to the standard deviation of the trend line to determine the vegetation and river end marker difference distribution position on the standard length of wake region; L vertical vortexes

【技术实现步骤摘要】
一种河道植被群尾流区长度的测量方法
本专利技术属于水力学及河流动力学领域，具体涉及一种河道植被群尾流区长度的测量方法。
技术介绍
在自然界中，植被群通常是指树木群、灌木群和野草群的初始生长形态。植被群通常生长在河道的过流区域，会长期影响其周围区域的水流特性和河床形态。植被群在自然环境下通过改变水流特性促进局部区域泥沙沉积，改变河床演变规律。研究植被群会对探讨其所在区域的水流结构、阻力特性和河床演变规律具有重要意义。其中，植被群的尾流区长度，即植被群尾端到至其后侧流速最小值出现位置之间的距离。对于非淹没植被群，该距离为植被群尾端到最靠近植被群出现的水平向漩涡(卡门涡街，二维横向漩涡)之间的距离Lkv；对于淹没植被群，由于其尾流区漩涡异常复杂，是典型的三维漩涡结构(同时包含水平方向和垂向)，该距离可能为植被群尾端到最靠近植被群出现的水平向漩涡(卡门涡街，二维横向漩涡)之间的距离Lkv，也可能为植被群尾端到最靠近植被群出现的垂向漩涡之间的距离Lvv。由于植被群的阻水作用，植被群尾流区内水流流速及紊动强度均大幅度减小，水流中挟带的悬浮泥沙通常会淤积在尾流区中，而这些沉积泥沙吸附氮磷等有机物又能够促进植被的扩张和生长。因此研究植被群尾流区长度就能获得植被群尾端悬浮泥沙的淤积长度及植被可能的扩张范围，从而用于建设河道生态防洪，实施生物防冲护岸，整治冲淤河道及改进都市水力学景观等领域。现有研究和测量植被群的尾流区长度的方法是通过测量植被群后侧的流速分布来判定，该方法虽能较准确的给出植被群尾流区的长度，但需要花费大量的时间和人力来完成测量，效率低。例如，对于非淹没植被群，其后侧出现二维水平方向漩涡，完成植被群直径D＝10cm后侧的流速测量需要花费近2.5小时。如果对象为淹没植被群则测量花费的时间更多，这是由于淹没植被群尾部会形成复杂的三维漩涡，漩涡同时发生在水平方向和垂向上，所以需要测量更多的流速点来确定植被尾流区长度。目前，国内外没有提出高效、快速且简单的植被尾流区确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全新的河道植被群尾流区长度的测量方法，以实现简单、快速、准确的测量淹没或非淹没植被群的尾流区长度。针对本专利技术的上述专利技术目的，本专利技术提供的河道植被群尾流区长度的测量方法，方案构成包括：(1)视频采集：在河道植被群上方和两侧水体注入荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，对于非淹没植被群，俯视采集植被群尾部水平向漩涡的运动过程视频，对于淹没植被群，俯视采集植被群水平向漩涡的运动过程视频视屏和侧视采集垂向漩涡的运动过程视频，视频采集时间不少于30秒，完整记录至少两个漩涡运动周期；(2)视频数值转化：将步骤(1)采集到的视频按照至少每秒一张的频率截取至少30张的高清图片，在顺水流方向指定视频数值转化断面，运用Matlab程序和视频处理代码将每张视频图片指定断面水流方向上每一点的荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算给出水流方向每一点荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差分布图；(3)计算尾流区长度的位置确定：将步骤(2)运用Matlab程序和视频处理代码处理后得到的荧光示踪剂色度标准差分布与任一时刻导出的视频图片契合，根据水流方向标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置，且以植被群尾端位置作为尾流区长度计量坐标原点；(4)尾流区长度计算：以无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，从侧视视频处理结果中先找出植被群后方垂向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L1，再找出植被群后方垂向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L2，从俯视视频处理结果中先找出植被群后方水平向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L3，再找出植被群后方水平向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L4；垂向漩涡产生的尾流区长度Lvv按下述公式计算：Lvv＝(L1+L2)/2±(L2–L1)/2(1)水平向漩涡产生的尾流区长度Lkv按下述公式计算：Lkv＝(L3+L4)/2±(L4–L3)/2(2)对于淹没植被群，植被群的尾流区长度Lw为：Lw＝min(Lvv,Lkv)(3)对于非淹没群，植被群的尾流区长度Lw为Lw＝Lkv(4)在视频的采集过程中，利用荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，荧光示踪剂通常是于植被群影响水流最大断面处注入水流；对于非淹没植被群，荧光示踪剂于植被群影响水流最大断面处植被群两侧注入水流；对于淹没植被群，荧光示踪剂分别于植被群影响水流最大断面处植被群顶端中心和两侧注入水流。视频的录制采集，对于非淹没植被群，采集尾部水平向漩涡(横向漩涡)的运动过程视频；对于淹没植被群，既要采集水平向漩涡，也要采集垂向漩涡的运动过程视频。水平向漩涡的运动是从水流上方俯视采集视频，垂向漩涡的运动是从水流侧面侧视采集视频。在运用Matlab程序和视频处理代码对视频进行处理的过程中，将每一张漩涡的视频图片的荧光示踪剂颜色转化为数值，视频图片中某个点的颜色浓度高低可以用数值0到255来表示，0表示没有荧光示踪剂颜色，255表示只有荧光示踪剂颜色。图片上出现的荧光示踪剂都有相对应的数值，数值越大表示该处出现的荧光示踪剂量越多，荧光强度越大，荧光强度最大处对应水流速度最小处，从而得到在确定时间内截取的每张视频图片中相同位置处的荧光强度值。在得到指定断面各个位置的荧光强度值后，计算视频图片上指定断面各个位置的荧光强度标准差，分别绘制水平向漩涡和垂向漩涡荧光强度在指定断面上的水流方向标准差分布图。计算尾流区长度的位置确定，对于垂向漩涡，确定过程如下：步骤1：将垂向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻垂向漩涡视频图片对照，选取视频图片中水槽纵向中心垂面为计算断面，确定水槽纵向中线上植被群尾端和水槽标记点在荧光强度标准差分布图上的对应位置，以植被群尾端为坐标原点，水流方向为x轴方向；步骤2：选取植被群顶端以上无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，在垂向漩涡的荧光强度标准差分布图上找出植被群后侧标准差首次大于基本误差值的位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L1，再找出标准差最大值的出现位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L2。对于水平向漩涡，确定过程如下：步骤1：将水平向漩涡的荧光强度标准差分布图与任一时刻水平向漩涡视频图片对照，选取视频图片中水槽纵向中心垂面为计算断面，确定水槽纵向中线上植被群尾端和水槽标记点在荧光强度标准差分布图上的对应位置，以植被群尾端为坐标原点，水流方向为x轴方向；步骤2：选取植被群两侧无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，在水平向漩涡的荧光强度标准差分布图上找出植被群后侧标准差首次大于基本误差值的位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L3，再找出标准差最大值的出现位置，将该点与坐标原点之间的水平距离定为L4。垂向漩涡尾流区长度的计算，在0<x<L1的区域，荧光强度等于参考点的荧光强度，说明垂向漩涡不进入该区域；在x＝L2的位置，荧光强度达到最大值，说明漩涡挟带荧光剂总是出现在该位置，而后由于水流扩散造成在x>L2的区域内荧光强度逐渐降低。由于漩涡总是不稳定的，会在水流方向来回摆动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于包括：(1)视频采集：在河道植被群上方和两侧水体注入荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，对于非淹没植被群，俯视采集植被群尾部水平向漩涡的运动过程视频，对于淹没植被群，俯视采集植被群水平向漩涡的运动过程视频视屏和侧视采集垂向漩涡的运动过程视频，视频采集时间不少于30秒，完整记录至少两个漩涡运动周期；(2)视频数值转化：将步骤(1)采集到的视频按照至少每秒一张的频率截取至少30张的高清图片，在顺水流方向指定视频数值转化断面，运用Matlab程序和视频处理代码将每张视频图片指定断面水流方向上每一点的荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算给出水流方向每一点荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差分布图；(3)计算尾流区长度的位置确定：将步骤(2)运用Matlab程序和视频处理代码处理后得到的荧光示踪剂色度标准差分布图与任一时刻导出的视频图片契合，根据水流方向标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置，且以植被群尾端位置作为尾流区长度计量坐标原点；(4)尾流区长度计算：以无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，从侧视视频处理结果中先找出植被群后方垂向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L...

【技术特征摘要】
1.一种河道植被群尾流区长度测量方法，其特征在于包括：(1)视频采集：在河道植被群上方和两侧水体注入荧光示踪剂示踪植被群尾流漩涡的运动轨迹，对于非淹没植被群，俯视采集植被群尾部水平向漩涡的运动过程视频，对于淹没植被群，俯视采集植被群水平向漩涡的运动过程视频视屏和侧视采集垂向漩涡的运动过程视频，视频采集时间不少于30秒，完整记录至少两个漩涡运动周期；(2)视频数值转化：将步骤(1)采集到的视频按照至少每秒一张的频率截取至少30张的高清图片，在顺水流方向指定视频数值转化断面，运用Matlab程序和视频处理代码将每张视频图片指定断面水流方向上每一点的荧光示踪剂色度转化为对应数值，计算给出水流方向每一点荧光示踪剂色度的标准差及水流方向标准差分布图；(3)计算尾流区长度的位置确定：将步骤(2)运用Matlab程序和视频处理代码处理后得到的荧光示踪剂色度标准差分布图与任一时刻导出的视频图片契合，根据水流方向标准差趋势线确定植被群尾端和河床标记点在标准差分布上的位置，且以植被群尾端位置作为尾流区长度计量坐标原点；(4)尾流区长度计算：以无荧光示踪剂区域的一点为参考点，以该点的标准差为基准误差值，从侧视视频处理结果中先找出植被群后方垂向漩涡标准差开始增大的位置及相对于坐标原点的距离L1，再找出植被群后方垂向漩涡标准差最大的位置及相对于坐标原点的距离L2，从俯视视频处理结果中先找出植被群后方水平向漩涡标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，单钰淇，刘兴年，杨克君，王协康，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51