一种河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法技术

本发明专利技术公开了一种河道泡漩结构识别方法，包括以下步骤：1)通过相机采集获取河道水面的图像数据，进行预处理并计算水面的单帧脉动速度场；2)通过单帧脉动速度场的散度特征确定当前泡漩中心位置；3)采用标准化泡漩速度场模板对泡漩区域散度场进行滤波，并选取合适阈值提取泡漩区域，得到当前泡漩边缘范围。本发明专利技术还公开了一种基于上述识别方法的河道泡漩结构识别跟踪方法，以及一种河道通航预警方法。本发明专利技术能够很好的应用于大尺度的天然河流泡漩结构识别与跟踪计算，提高了泡漩结构测量分析的过程便捷性和高效性，有助于快速获取河道内的碍航泡漩流态的运动及分布，为船舶航线规划和安全通航提供有力支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法
本专利技术涉及航运交通
，具体涉及一种河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法。
技术介绍
河道泡漩指在河道中，特殊条件下形成的强烈的圆柱状上涌水流和漏斗状竖轴环流。在天然河流的河谷地带和急滩下深槽部位往往因河床地形剧烈变化或纵向比降过大而产生泡漩结构，且在汛期陡涨水期间更甚。这种因水流紊动引起的复杂流态结构具有时间尺度上的瞬时性和空间尺度上的不确定性等特点，难以对其进行监测，且会对船舶航行带来安全隐患，严重时易导致船舶的倾轧撞击及沉没。船舶航行中遇此流态极难操作，驾驶员需要特别注意安全。目前关于泡漩结构的研究成果主要集中在室内物理模型以及数学模型试验，对野外原型测量与研究还缺乏深入认识，离真正实现天然河流的实时观测仍有一定差距。例如CN201210192207.4曾公开的一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法，该专利技术将电子测量技术与摄影技术以及计算机技术有机结合，提供了一种水力学物理模型试验研究测量水流泡漩与漩涡流的方式。但实际测量时，需要依靠泡漩水传感器，以及撒落示踪粒子或碎纸片进入流体拍摄跟踪。故只能适用于实验室研究应用。目前，常用于天然河道原型观测的声学多普勒流速仪、光学雷达等设备因其采用逐点或逐线扫描的方式对目标区域进行测量，难以直接测量大尺度河流中泡漩结构的瞬态运动，无法为碍航流态预警提供数据支撑。因此，如何更好地实现对航道内碍航的泡漩流态监测识别及运动追踪，快速获取河道内的碍航泡漩流态的运动及分布，并更好地实现对过往船舶的预警，报账通航安全。这项工作对于船舶航线规划和行驶安全具有重要意义。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种能够实现对河道泡漩的结构识别与运动追踪，使其能够为河流水情预测及预警提供数据支撑，并能够对过往船舶进行通航预警的河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法，使其有利于船舶航线规划和安全通航。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种河道泡漩结构识别方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过相机采集获取河道水面的图像数据，对获取的河流表面流态图像进行预处理，并计算水面的单帧脉动速度场；2)通过单帧脉动速度场的散度特征确定当前泡漩中心位置；3)以步骤1)步骤2)为前提条件，完成当前泡漩中心位置定位之后，采用标准化泡漩速度场模板对泡漩区域散度场进行滤波，并选取合适阈值提取泡漩区域，得到当前泡漩边缘范围。这样，采用本方法能够快速高效地完成对河道泡漩结构的识别，确认其中心位置和边缘范围。能够对天然河流表面图像进行处理，能够较为准确高效地完成泡漩的捕捉和范围提取，对大尺度的天然河流复杂流态测量与分析具有一定的参考价值，为船舶航线规划和安全通航提供支撑。作为优化，本方法1)步骤中，运用粒子图像测速方法，采用单帧速度场去掉平均流动特征得到能够反映泡漩内部向外扩张的单帧脉动速度场；具体的计算过程为：先对t0时刻的瞬时流场流速计算结果u、v分别进行均值滤波，得到该时刻的滤波速度场U、V：式中：u(i，j)：(i，j)点沿流向的瞬时速度(流向速度)(m/s)；v(i，j)：(i，j)点沿河宽方向的瞬时速度(横向速度)(m/s)；U(i，j)：(i，j)点均值滤波流向速度(m/s)；V(i，j)：(i，j)点均值滤波横向速度(m/s)。这样，采用上述方法对河流表面速度场进行预处理，得到能够反映泡漩内部向外扩张的单帧脉动速度场，有利于泡漩结构的识别与提取。进一步地，2)步骤中，引入二维散度作为指标量，根据下述公式(1)，对当前泡漩中心进行定位：式中：为水面(x，y)处的散度值；Fx为点(x，y)沿x方向的速度分量；Fy为点(x，y)沿y方向的速度分量；当表示该点有散发通量的正源，即当前泡漩中心位置。这样，能够快速、精确地完成对当前泡漩中心的定位，作为后续确认当前泡漩范围的基点，利于提高泡漩范围确认的精度。作为优化，本方法2)步骤中，在瞬态流场的基础上，计算各点(i，j)的散度div(i，j)；并按照以下方式判定，当div(i，j)＞0时表示该点有散发通量的正源，即发散源，则说明该区域具有向外扩张的泡漩结构；当表示该点有吸收通量的负源，即吸收源；当表示该点无源；剔除范围。作为优化，本方法2)步骤中在剔除范围之后，引入区域流态模式判别方法；构建以点(i，j)为坐标原点O的直角坐标系XOY，将该点(i，j)相邻的8个速度矢量均分解到各自所在象限坐标轴上，得到沿坐标轴的4个方向的速度矢量，构成特征组成的泡漩中心点矢量判别模式：式中：U+为各点的流向正方向的合速度(m/s)；U为各点的流向负方向的合速度(m/s)；V+为各点的横向正方向的合速度(m/s)；V为各点的横向负方向的合速度(m/s)。运用该判别条件遍历全部可疑点，剔除div(i，j)＞0，确定出泡漩中心区域。这样，是因为2)步骤中在剔除范围之后，在的区域中仍然存在一定的单点噪声。故为了提高泡漩中心点的识别精度，引入区域流态模式判别方法，进一步遍历全部可疑点，剔除div(i，j)＞0，但未呈现平面发散状特征的错误区域，仅保留泡漩中心区域，可以提高泡漩中心区域判别的准确性。作为优化，本方法3)步骤中，具体包括以下分步骤：①定义泡漩中心点(i，j)为坐标原点，且为强度为2q的点源，则该点源流动的势函数为：式中：x，y为以中心点(i，j)为原点的质点坐标，用于描述点源周围点距离点源的距离。则其流动速度分布为：则单位强度点源周围的流动速度分布ωM为：式中：u(x，y)为点(x，y)处的流向速度(m/s)；v(x，y)为点(x，y)处的横向速度(m/s)；ωM(u，v)为利用单位强度点源势函数计算得到的标准化泡漩速度场算子；②运用标准化速度场卷积算子ωM(u，v)对泡漩区域合速度场(u，v)进行滤波：式中：ωD：实际速度场；ωM：标准化速度场卷积算子；ωconv(k，l)：在ωD(k，l)处所计算出的新散度值；m：ωM的行数；n：ωM的列数；k：ωD的行数；1：ωD的列数；其中，点(k，l)周围模板范围内空值用0填充；③选取合适阈值确定泡漩范围及边界：将所有可疑区域的滤波结果分别进行归一化处理和均值滤波，选取统一阈值ε，保留结果中ωconv(k，l)≥ε部分；对于存在两个峰值的区域，仅保留范围较大的结果，获得各泡漩较为平滑的轮廓，最终完成泡漩范围提取。故3)步骤中采用上述方式，通过标准化的泡漩速度场特征卷积算子对定位到的当前泡漩中心位置及其周围区域进行归一化互相关计算，得到当前泡漩结构的范围及边界。具有范围边界清晰明确，可靠性好的优点。本专利技术还公开了一种河道泡漩结构识别跟踪方法，其特征在于，采用了上述方法实现对当前河道泡漩结构的识别，还包括下述步骤：4)对泡漩结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河道泡漩结构识别方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)通过相机采集获取河道水面的图像数据，对获取的河流表面流态图像进行预处理，并计算水面的单帧脉动速度场；/n2)通过单帧脉动速度场的散度特征确定当前泡漩中心位置；/n3)以步骤1)步骤2)为前提条件，完成当前泡漩中心位置定位之后，采用标准化泡漩速度场模板对泡漩区域散度场进行滤波，并选取合适阈值提取泡漩区域，得到当前泡漩边缘范围。/n

【技术特征摘要】
1.一种河道泡漩结构识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过相机采集获取河道水面的图像数据，对获取的河流表面流态图像进行预处理，并计算水面的单帧脉动速度场；
2)通过单帧脉动速度场的散度特征确定当前泡漩中心位置；
3)以步骤1)步骤2)为前提条件，完成当前泡漩中心位置定位之后，采用标准化泡漩速度场模板对泡漩区域散度场进行滤波，并选取合适阈值提取泡漩区域，得到当前泡漩边缘范围。


2.如权利要求1所述的河道泡漩结构识别方法，其特征在于，本方法1)步骤中，运用粒子图像测速方法，采用单帧速度场去掉平均流动特征得到能够反映泡漩内部向外扩张的单帧脉动速度场；
具体的计算过程为：先对t0时刻的瞬时流场流速计算结果u、v分别进行均值滤波，得到该时刻的滤波速度场U、V：



式中：u(i，j)：(i，j)点沿流向的瞬时速度(流向速度)(m/s)；v(i，j)：(i，j)点沿河宽方向的瞬时速度(横向速度)(m/s)；U(i，j)：(i，j)点均值滤波流向速度(m/s)；V(i，j)：(i，j)点均值滤波横向速度(m/s)。


3.如权利要求2所述的河道泡漩结构识别方法，其特征在于，2)步骤中，引入二维散度作为指标量，根据下述公式(1)，对当前泡漩中心进行定位：



式中：为水面(x,y)处的散度值；Fx为点(x,y)沿x方向的速度分量；Fy为点(x,y)沿y方向的速度分量；当表示该点有散发通量的正源，即当前泡漩中心位置。


4.如权利要求2所述的河道泡漩结构识别方法，其特征在于，本方法2)步骤中，在瞬态流场的基础上，计算各点(i，j)的散度div(i，j)；并按照以下方式判定，当div(i，j)＞0时表示该点有散发通量的正源，即发散源，则说明该区域具有向外扩张的泡漩结构；当表示该点有吸收通量的负源，即吸收源；当表示该点无源；剔除范围。


5.如权利要求4所述的河道泡漩结构识别方法，其特征在于，本方法2)步骤中在剔除范围之后，引入区域流态模式判别方法；构建以点(i，j)为坐标原点O的直角坐标系XOY，将该点(i，j)相邻的8个速度矢量均分解到各自所在象限坐标轴上，得到沿坐标轴的4个方向的速度矢量，构成特征组成的泡漩中心点矢量判别模式：



式中：U+为各点的流向正方向的合速度(m/s)；U-为各点的流向负方向的合速度(m/s)；V+为各点的横向正方向的合速度(m/s)；V-为各点的横向负方向的合速度(m/s)。
运用该判别条件遍历全部可疑点，剔除div(i，j)＞0，确定出泡漩中心区域。


6.如权利要求2所述的河道泡漩结构识别方法，其特征在于，本方法3)步骤中，具体包括以下分步骤：
①定义泡漩中心点(i，j)为坐标原点，且为强度为2q的点源，则该点源流动的势函数为:



式中：x,y为以中心点(i，j)为原点的质点坐标，用于描述点源周围点距离点源的距离。
则其流动速度分布为：



则单位强度点源周围的流动速度分布ωM为：



式中：u(x，y)为点(x，y)处的流向速度(m/s)；v(x，y)为点(x，y)处的横向速度(m/s)；ωM(u，v)为利用单位强度点源势函数计算得到的标准化泡漩速度场算子；
②运用标准化速度场卷积算子ωM(u，v)对泡漩区域合速度场(u，v)进行滤波：



...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胜发，金健灵，张鹏，胡江，李文杰，肖毅，杨威，王丽，刘旭晖，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50