利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法技术

本发明专利技术公开了一种利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，解决了现有技术中缺乏有效测量山区陡坡卵砾石河道平均流速方法的技术问题。该方法包括如下步骤：选择代表河段作为测量河段并安装录像设备；采集染色剂录像；录像预处理；图片中染色剂边界的确定以及二值化；利用不同颜色空间求得相应的每个时刻Euclidean距离值变化；统计每个断面相应颜色空间的Euclidean距离值到达每个断面前沿的时间、最大值到达断面的时间以及计算出染色剂云团质心到达断面的时间；计算测量河段的三种特征流速；计算陡坡卵砾石河床的代表平均流速。该方法通过利用染色剂的三种特征速度来测量陡坡卵砾石河床的平均流速的方法具有简单有效、成本低廉的优势。成本低廉的优势。成本低廉的优势。

【技术实现步骤摘要】
利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法


[0001]本专利技术涉及河道流速测量
，尤其涉及利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法。

技术介绍

[0002]山区陡坡河流的河床一般都由宽级配卵砾石颗粒组成，其床面结构形态较为稳定，卵砾石河床在自然界中广泛存在中国西南山区中，主要集中在云贵川三省。河床表面通常存在一些由滑坡、泥石流、山洪携带的卵石、砾石及漂石等较大尺度的颗粒，在枯水期流量较小时，常常形成浅水流动，即床面卵砾石颗粒与河道平均水深同一个量级，相较于深水情况显著突出了卵砾石床面的粗糙特性，由此直接影响水流流动、床面阻力以及上游河床推移质起动输移的改变。与冲积河流相比，山区浅水卵砾石这种类型的河道尚未得到相应的关注。除此之外，更重要的是在浅水时候的卵砾石河道，其水生生物在(底栖动物、植物、微生物)受水流特性影响下演化壮大。当每一次洪水后，由一些卵砾石和河床结构组成的水生生物栖息地在遭到破坏后又继续生长繁衍，所以浅水时期卵砾石河道的生物多样性是与山区流域整体的发展有着密切联系的。
[0003]山区河流具有多种微地貌，通常发育形成阶梯深潭、肋状、簇状等结构。河道平均流速是反映这些微地貌水流运动特性的一个基本水力要素，对山洪演进、灾害防治、水生态修复等起着至关重要的作用。而山区河流复杂的河床结构和形态，导致河道平均流速具有多种复杂形成机制和难以理论量化的特点，进而影响山区河道平均流速测量的手段。
[0004]长期以来，陡坡卵砾石河床流速的测量，无论是在野外还是在实验室都面临着挑战，因此，大量研究人员通过推导出的经验水流阻力关系来预测平均流速。目前，山区河道平均流速的测量主要面临以下几个测量难题：(1)卵砾石河道浅水的特点突出，水流深度与泥沙粒径大小相同；(2)同一河段各形态单元的水深在空间和时间上存在高度各向异性；(3)由于卵砾石床的移动和快速变化，导致了强烈的推移质输运波动；(4)在急流附近进行测量十分危险。
[0005]现有浅水测量技术主要集中于坡面流测量，一般采用示踪物质来测量，示踪物质如各种颜色的染料、盐和漂浮物。然而，申请人发现，采用示踪物质来测量陡坡卵砾石河床流速至少还存在如下困难：相较于坡面流动，陡坡卵砾石河床流动存在较多的未淹没颗粒以及复杂的沉积物，影响背景颜色识别。由于图像分割是图像分析和边界检测的第一步，是图像处理中最困难的任务之一，它决定了最终分析结果的准确性。而在水槽流速测量时，自然光很容易在水面产生阴影、透明、高亮、反光等严重影响染色剂扩散边界确认的现象。因此，基于原始图像或增强图像的染色剂边界不易由传统的图像分割算法分离，如Roberts、Sobel和Prewitt算子，进而在一定程度上阻碍了染色剂测流速从人工识别到计算机自动识别的进程，故有必要重新选择有效的图像参数进行边界识别。因此，开发适合于山区陡坡卵砾石河道平均流速测量技术是很有必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提出一种利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，解决了现有技术中缺乏有效测量山区陡坡卵砾石河道平均流速方法的技术问题。本专利技术优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0008]本专利技术利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，包括如下步骤：
[0009]S1：选择代表河段作为测量河段，测量所述测量河段的距离为L，将录像设备垂直安装于所述测量河段上方并使所述测量河段水流流动整体被录像；
[0010]S2：所述录像设备安装完成后开始录像，在所述测量河段上游将染色剂倒入河道中心，待在所述测量河段未发现染色剂时停止录像；
[0011]S3：裁剪出所述染色剂在所述测量河段的录像，根据帧数提取所述录像中所述染色剂的每一帧图片；
[0012]S4：所述图片中染色剂边界的确定以及二值化；
[0013]S5：根据不同颜色空间将所述图片分离成不同组分，在所有时刻的图片中，统计每个断面有染色剂区域的像素点的组分数值并求得断面平均组分值，在每个断面处，利用不同颜色空间求得相应的每个时刻Euclidean距离值变化；
[0014]S6：统计每个断面相应颜色空间的Euclidean距离值到达每个断面前沿的时间、最大值到达断面的时间以及计算出染色剂云团质心到达断面的时间；
[0015]S7：根据每个断面的相应颜色空间的Euclidean距离值到达每个断面前沿的时间、最大值到达断面的时间以及计算出的染色剂云团质心到达断面的时间，通过Euclidean距离值与上述时间的斜率便得到测量河段的三种特征流速；
[0016]S8：将利用所述染色剂得到的三种特征流速乘以相关校正系数得到陡坡卵砾石河床的代表平均流速。
[0017]根据一个优选实施方式，步骤S1中，所述测量河段的距离L为1～3m；所述录像设备为相机或摄影机，并且录像的帧数至少为25帧/s。
[0018]根据一个优选实施方式，步骤S2中，所述染色剂为饱和高锰酸钾溶液。
[0019]根据一个优选实施方式，步骤S4中，采用HSV颜色空间的H和S分量对染色剂区域进行划分，其中，H＞150和S＞26的区域确定为所述染色剂存在的区域；再利用双边滤波器进行保边去噪后进行二值化操作。
[0020]根据一个优选实施方式，步骤S5中，根据GL、RGB和HSV颜色空间将所述图片分离成不同组分。
[0021]根据一个优选实施方式，GL颜色空间的Euclidean距离值计算公式为：
[0022]ED
GL
(t)＝GL(t)
‑
GL
b
[0023]式中，ED
GL
(t)为GL颜色空间的Euclidean距离值，GL(t)为t时刻每个断面有染色剂区域的像素点的灰度平均值，t为时间，GL
b
为未出现染色剂时测量河段河道照片的GL值；
[0024]HSV颜色空间的Euclidean距离值计算公式为：
[0025][0026]式中，ED
HSV
(t)为HSV颜色空间的Euclidean距离值，H(t)，S(t)，V(t)分别为t时刻
每个断面有染色剂区域的像素点的H，S，V平均值，t为时间，H
b
，S
b
，V
b
分别为未出现染色剂时测量河段河道照片的H，S，V；
[0027]RGB颜色空间的Euclidean距离值计算公式为：
[0028][0029]式中，ED
RGB
(t)为RGB颜色空间的Euclidean距离值，R(t)，G(t)，B(t)分别为t时刻每个断面有染色剂区域的像素点的R，G，B平均值，t为时间，R
b
，G
b
，B
b
分别为未出现染色剂时测量河段河道照片的R，G，B。
[0030]根据一个优选实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：选择代表河段作为测量河段，测量所述测量河段的距离为L，将录像设备垂直安装于所述测量河段上方并使所述测量河段水流流动整体被录像；S2：所述录像设备安装完成后开始录像，在所述测量河段上游将染色剂倒入河道中心，待在所述测量河段未发现染色剂时停止录像；S3：裁剪出所述染色剂在所述测量河段的录像，根据帧数提取所述录像中所述染色剂的每一帧图片；S4：所述图片中染色剂边界的确定以及二值化；S5：根据不同颜色空间将所述图片分离成不同组分，在所有时刻的图片中，统计每个断面有染色剂区域的像素点的组分数值并求得断面平均组分值，在每个断面处，利用不同颜色空间求得相应的每个时刻Euclidean距离值变化；S6：统计每个断面相应颜色空间的Euclidean距离值到达每个断面前沿的时间、最大值到达断面的时间以及计算出染色剂云团质心到达断面的时间；S7：根据每个断面的相应颜色空间的Euclidean距离值到达每个断面前沿的时间、最大值到达断面的时间以及计算出的染色剂云团质心到达断面的时间，通过Euclidean距离值与上述时间的斜率便得到测量河段的三种特征流速；S8：将利用所述染色剂得到的三种特征流速乘以相关校正系数得到陡坡卵砾石河床的代表平均流速。2.根据权利要求1所述的利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，其特征在于，步骤S1中，所述测量河段的距离L为1～3m；所述录像设备为相机或摄影机，并且录像的帧数至少为25帧/s。3.根据权利要求1所述的利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述染色剂为饱和高锰酸钾溶液。4.根据权利要求1所述的利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，其特征在于，步骤S4中，采用HSV颜色空间的H和S分量对染色剂区域进行划分，其中，H＞150和S＞26的区域确定为所述染色剂存在的区域；再利用双边滤波器进行保边去噪后进行二值化操作。5.根据权利要求1所述的利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，其特征在于，步骤S5中，根据GL、RGB和HSV颜色空间将所述图片分离成不同组分。6.根据权利要求5所述的利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法，其特征在于，GL颜色空间的Euclidean距离值计算公式为：ED
GL
(t)＝GL(t)
‑
GL
b
式中，ED
GL
(t)为GL颜色空间的Euclidean距离值，GL(t)为t时刻每个断面有染色剂区域的像素点的灰度平均值，t为时间，GL
b
为未出现染色剂时测量河段河道照片的GL值；HSV颜色空间的Euclidean距离值计算公式为：式中，ED
HSV
(t)为HSV颜色空间的Euclidean距离值，H(...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫旭峰，罗铭，王协康，黄尔，李文奇，王森，丁锐，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：