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一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置，屬于環(huán)境原位監(jiān)測【技術領域】，該裝置包括入水殼體、編碼器和計算機；入水殼體為封閉的水下測量設備，編碼器和計算機設置在被測水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設置一透明的平面觀測窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機組成的測量設備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機上，工業(yè)相機和環(huán)形LED光源均對準觀測窗；入水殼體頂端通過纜繩與編碼器連接；入水殼體中的測量設備通過數(shù)據(jù)線與計算機連接。該方法包括對測量裝置的標定和對天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量兩部分；本發(fā)明具有精度較高、使用方便、成本較低的優(yōu)點。
【專利說明】一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境原位監(jiān)測【技術領域】，特別涉及一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置。
【背景技術】
[0002]天然河流中的懸浮于水中的泥沙濃度與級配是河流的重要水文與環(huán)境參數(shù)。天然河流中懸浮泥沙顆粒的粒徑大多在0.2mm以下，目前已有采樣分析法、光學檢測法、聲學檢測法和圖像類方法等多種方法獲得泥沙濃度或者泥沙級配。
[0003]采樣分析法是一種傳統(tǒng)方法，利用采樣器直接從河流中采集水樣，在分析室中進行濃度和級配的分析。該方法測量精度高，但需要專門的設備，測量效率受人力物力的制約，無法實現(xiàn)實時原位測量，不易掌握泥沙輸移的時空變化規(guī)律。
[0004]光學檢測方法采用光學手段測量天然河流水流中的含沙濃度與級配，大致可分為透射法、池度法、光學反向散射法(optical backscatter, 0BS)和激光衍射法(Laserdiffraction)。
[0005]透射法、濁度法和光學反向散射法的原理基本相同，只是傳感器的安裝位置有所差異。這三種方法的主要原理是利用水中顆粒物對光的散射作用獲知顆粒物的數(shù)量信息。這三種方法的儀器自帶光源和散射傳感器，光源多使用紅外光，提供穩(wěn)定光束穿過待測水體。散射傳感器固定在與光束傳播方向成一大角度的位置上(140° -165° )時,稱為OBS ；安裝在與光束垂直的位置時，稱為濁度計；當散射傳感器正對光束時，稱為透射計。光束遇見顆粒物時會產(chǎn)生散射，部分光束的傳播方向會改變并進入散射傳感器。確定散射光強度與泥沙濃度的關系后，即可根據(jù)傳感器所得數(shù)據(jù)實時測量河流水體中的泥沙濃度。透射法、濁度法、光學反向散射法僅能得到泥沙濃度，不能得到泥沙級配。同時，由于不同基質(zhì)、粒徑和顏色的泥沙顆粒對光的散射性能存在很大差異，所以在相同泥沙濃度的情況下，散射傳感器接受到的光強會差異很大，透射法、濁度法、光學反向散射法的準確性較低。
[0006]激光衍射法的基本原理是利用光經(jīng)過固體顆粒邊緣時發(fā)生衍射來測量泥沙顆粒的大小。光經(jīng)過固體顆粒邊緣時，有一部分光會繞過固體顆粒并偏離原方向繼續(xù)傳播，顆粒越小，偏離角度越大。在光的波長與顆粒直徑相比很小時，光在圓形邊緣的衍射可用Fraunhoff理論描述。因此只需測量光經(jīng)過顆粒后的偏離角度，就能通過理論算出與顆粒等效的圓球直徑。激光衍射法的設備基本布置方式是使用單色激光作為光源，穿透數(shù)毫米到數(shù)厘米的待測水體，在測量水體后布置傅里葉透鏡，并在透鏡的后焦面設置光電探測器。光電探測器由多級不同直徑的同心圓環(huán)組成，每級圓環(huán)接受不同偏離角度的光線，可反算出泥沙級配。同時，提前進行率定后，根據(jù)各級光電探測器得到的信號強度，可以使用經(jīng)驗關系得到相應粒徑的濃度，因此激光衍射法能同時測量泥沙濃度與級配。目前全世界僅有Sequoia Scientific公司提供能用于野外實測的儀器，稱為激光原位散射透射測量儀(laser in situ scattering and transmissometry,LISST)。實驗室和野外測試表明，LISST的泥沙級配測量誤差較大，在20%?40%左右。在泥沙濃度測量方面，由于光電探測器必須接收到足夠的光才能得到可靠信號，因此LISST僅適用于0.1?10kg/m3的低濃度情況。同時，由于LISST的濃度測量依賴于經(jīng)驗關系，導致測量精度并不高。
[0007]聲學檢測法的原理與透射法、濁度法、光學反向散射法類似，只不過此時的信號源由光變?yōu)槁暡?，所以聲學檢測法也只能得到泥沙濃度而不能得到泥沙級配。同時，雖然聲波的反射強度隨泥沙濃度而增加，但在其傳播過程中則隨濃度加大而衰減，因此，這類方法只能測量0.6?3.0kg/m3的濃度范圍，使用范圍非常有限。
[0008]隨著微距攝影技術和數(shù)字圖像技術的發(fā)展，目前已經(jīng)有比較好的微距攝像鏡頭拍攝放大率較高的圖像，清晰反映天然河流中粒徑較小的泥沙顆粒，同時從圖像中提取顆粒物并計算光斑大小的顆粒圖像識別算法也已比較成熟，也有拉普拉斯算子等方法計算對焦指數(shù)，判斷圖像中捕捉到的泥沙顆粒是否位于景深區(qū)域內(nèi)。基于這些方法，使得采用圖像類方法測量泥沙濃度和級配成為可能。于連生等人的實用新型專利“現(xiàn)場懸浮沙粒徑譜測量儀”(ZL01271006.7)提出一種能獲得反映海水懸浮沙顆粒大小和分布的懸浮沙粒徑譜的裝置，使被測水體從進水口進入測量盒中，用激光片光源從下部照亮被測水體，旁側(cè)照相機拍攝圖像，分析后得出結果。但由于儀器結構的限制，入水后測量盒內(nèi)就灌滿了水體，與需要測量位置(如不同深度)的水體沒有置換，且測量盒內(nèi)的泥沙會沉淀，使用該儀器難以實現(xiàn)原位實時測量。于連生等人的發(fā)明專利“水中懸沙圖像儀”(ZL200510013103.2)提出一種能完成水中懸沙顆粒粒徑分布和懸沙濃度的現(xiàn)場測量的裝置。裝置通過拍攝兩片玻璃之間的薄層水體中的粒子圖像計算泥沙濃度和級配，上下兩玻璃片通過來回錯動更換測量水體，但是玻璃片錯動時會影響周圍流動，較粗的泥沙顆粒難以進入到玻璃片之間，并且由于水體粘滯力的作用，在不動的玻璃片上會粘附細顆粒泥沙，使進入玻璃片之間的水體與原位水體存在差別，故這種方法測得的數(shù)據(jù)難以反映真實的情況。
[0009]另外還有一些應用很少的方法如B超成像測量低含沙量的泥沙濃度、遙感影像解譯分析泥沙濃度等，均只能測量泥沙濃度而不能同時測量泥沙級配，不再做詳細介紹。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是為克服已有野外環(huán)境下泥沙濃度級配原位實時測量方法的不足，提供一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置及其方法。本發(fā)明具有精度較高、使用方便、成本較低的優(yōu)點。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置，其特征在于:該裝置包括入水殼體、編碼器和計算機；入水殼體為封閉的水下測量設備，編碼器和計算機設置在被測水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設置一透明的平面觀測窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機組成的測量設備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機上，工業(yè)相機和環(huán)形LED光源均對準觀測窗，環(huán)形LED光源透過觀測窗照亮的入水殼體之外的水體，使工業(yè)相機能夠拍攝到被環(huán)形LED光源照亮的入水殼體外的水體；入水殼體頂端通過纜繩與編碼器連接；入水殼體中的測量設備通過數(shù)據(jù)線與計算機連接。
[0012]本發(fā)明提出一種基于上述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置的測量方法，其特征在于，該方法包括對測量裝置的標定和對天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量兩部分；[0013]所述對測量裝置的標定具體包括:
[0014]I)對景深區(qū)域的體積進行標定:制作標定桶，轉(zhuǎn)動編碼器將入水殼體放入標定桶中，向標定桶中充入清水直至淹沒入水殼體觀測窗；
[0015]2)將一鋼板尺固定在有刻度讀數(shù)的光具座上，將光具座放入標定桶內(nèi)，并放置在觀測窗前，調(diào)整鋼板尺，并記錄鋼板尺面與觀測窗外壁距離；
[0016]3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭的對焦環(huán)使得工業(yè)相機拍攝的圖像在鋼板尺的尺面對焦，記錄工業(yè)相機所拍攝圖像所覆蓋的實際面積；
[0017]4)再將鋼板尺以設定的步長向觀測窗靠近，每靠近一次工業(yè)相機拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計算圖像中心的對焦指數(shù)，直到對焦指數(shù)小于設定值時，停止移動鋼板尺，并記錄鋼板尺位置在光具座上的讀數(shù)；
[0018]5)再將鋼板尺22以步驟4)的一倍步長遠離觀測窗，每遠離一次工業(yè)相機均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計算圖像中心的對焦指數(shù)，直到對焦指數(shù)小于設定值時，停止移動鋼板尺，并記錄鋼板尺位置在光具座上的讀數(shù)；
[0019]6)根據(jù)步驟4)、5)記錄的鋼板尺位置，即標定出景深區(qū)域的體積；固定微距鏡頭的對焦環(huán)，取出入水殼體，將標定筒水倒出；
[0020]7)配制已知泥沙濃度、泥沙粒徑的渾水，攪拌均勻后注入標定桶中，再將入水殼體放入標定桶中，直至淹沒觀測窗；
[0021]8)使用計算機打開環(huán)形LED光源，并控制工業(yè)相機拍攝多張圖像，保存在計算機中；在計算機中利用顆粒圖像識別算法提取圖像中的泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，將對焦指數(shù)大于設定值的泥沙顆粒光斑識別出并計算其以圖像像素為單位的直徑，記錄所有張圖像中的對焦指數(shù)大于設定值的所有泥沙顆粒光斑直徑的平均值；
[0022]9)放空標定桶中的渾水，洗凈標定桶；配制不同泥沙濃度、不同泥沙粒徑的渾水進行標定，記錄圖像中相應的泥沙光斑直徑的平均值，標定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式；將標定好的關系式存儲在計算機中；
[0023]所述將標定好的天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置用于實際測量，具體包括以下步驟:
[0024]10)將所述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置架設在待測天然河流上的載體中，轉(zhuǎn)動編碼器，放下入水殼體，使觀測窗剛好與水面齊平，記錄編碼器讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動編碼器，放下入水殼體，到達待測位置，記錄編碼器讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測量位置到水面的垂直距離；
[0025]11)使用計算機發(fā)出指令打開工業(yè)相機和環(huán)形LED光源，工業(yè)相機開始拍攝圖像；拍攝設定的張數(shù)后停止，計算機發(fā)出指令關閉工業(yè)相機和環(huán)形LED光源；
[0026]12)使用計算機處理所拍攝的圖像；對每張圖像，首先使用顆粒圖像識別算法識別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，對焦指數(shù)大于設定值的泥沙顆粒光斑即位于景深區(qū)域內(nèi)，計算景深區(qū)域內(nèi)每個泥沙顆粒光斑的直徑，按照泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式得到景深區(qū)域內(nèi)每個泥沙光斑對應泥沙顆粒的粒徑，統(tǒng)計所有張圖像中景深區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒的粒徑分布即得到測量位置處河流中泥沙級配，按照球體計算所有張圖像中景深區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒的總體積，除以圖像張數(shù)倍景深區(qū)域的體積V即得測量位置處河流中泥沙濃度。
[0027]本發(fā)明的特點及有益效果:本發(fā)明利用環(huán)形LED光源照亮天然河流中的水體，使用微距攝像技術拍攝天然河流中懸浮泥沙顆粒的數(shù)字圖像，再根據(jù)數(shù)字圖像方法得到泥沙濃度級配，具有精度較高、使用方便、成本較低的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明裝置布置圖；
[0029]圖2為本發(fā)明中的裝置標定圖；
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖及實施例詳細說明本發(fā)明技術方案中所涉及的各個細節(jié)問題。需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0031]本發(fā)明的一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置實施例，如圖1所示，該裝置包括入水殼體11、編碼器113和計算機114。編碼器113和計算機114放置在被測水體上方的載體(例如船)上；入水殼體11為水下測量設備，上部為正方體，下部為四棱椎體。在正方體一面的邊壁上開設觀測窗12，通過觀測窗12能夠觀察入水殼體11外部的情況。正方體內(nèi)部安裝固定工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15，微距鏡頭14安裝在工業(yè)相機13上，工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15均對準觀測窗12，并保證工業(yè)相機13能夠拍攝到環(huán)形LED光源15發(fā)出的光柱17透過觀測窗12照亮的入水殼體11之外的水體。入水殼體11頂端焊接吊裝環(huán)110，吊裝環(huán)110上安裝鋼纜112，鋼纜112的另一端伸出水面111，并與編碼器113連接；入水殼體11中的設備通過數(shù)據(jù)線16與計算機114連接。
[0032]上述裝置的工作原理為:將所述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置架設在天然河流上，轉(zhuǎn)動編碼器113，放下入水殼體11，待觀測窗12下緣與水面111基本平齊時，記錄編碼器113讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動編碼器113，使入水殼體11進入水中，到達預定測量位置時停止轉(zhuǎn)動編碼器113，記錄編碼器113讀數(shù)，將兩次讀數(shù)相減即為測量位置距水面的垂向距離；計算機114發(fā)出指令，通過數(shù)據(jù)線16打開環(huán)形LED光源15和工業(yè)相機13，環(huán)形LED光源15發(fā)出光柱17透過觀測窗12照亮河流中的水體，工業(yè)相機13對準光柱17照亮的區(qū)域，拍攝泥沙顆粒18的圖像，工業(yè)相機13拍攝時，位于景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒18能夠清晰成像，在景深區(qū)域19外的泥沙顆粒18成像虛化；工業(yè)相機13拍攝所得圖像通過數(shù)據(jù)線16傳輸回計算機114進行記錄；對工業(yè)相機13拍攝所得圖像，首先使用顆粒圖像識別算法識別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，識別出位于景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒光斑并計算其直徑，按照事先標定好的泥沙光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式得到泥沙光斑對應的泥沙顆粒18的粒徑，統(tǒng)計景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒18的粒徑分布即得到測量位置處河流中泥沙級配，按照球體計算景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒的總體積，除以事先標定好的景深區(qū)域19的體積即得測量位置處河流中的泥沙濃度。
[0033]本實施例各部件的具體實現(xiàn)方式分別說明如下:
[0034]如圖1所示,本實施例中入水殼體11使用不銹鋼板焊接而成，上部為邊長300mm正方體，下部為四棱椎體，棱錐底面為邊長300mm的正方形,棱錐高IOOmm ;在正方體一側(cè)面的不銹鋼邊壁上預留邊長為80mm的正方形孔，使用邊長為80mm的鋼化玻璃填在孔內(nèi)，形成觀測窗12，四邊采用銅片固定，玻璃膠止水；入水殼體11內(nèi)部安裝工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15，工業(yè)相機13采用AVT GE4900型相機，環(huán)形LED光源15的型號為LDR2-120SW2 ;微距鏡頭14為CanonMP-E65/2.8Macro鏡頭，安裝在工業(yè)相機13上，工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15均對準觀測窗12，并保證工業(yè)相機13能夠拍攝到環(huán)形LED光源15發(fā)出的光柱17透過觀測窗12照亮的入水殼體11之外的水體；入水殼體11頂端焊接吊裝環(huán)110，吊裝環(huán)110上安裝鋼纜112，鋼纜112的另一端伸出水面111，并與編碼器113連接，編碼器113型號為多摩川OIHlOO ;入水殼體11中的工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15以及編碼器113通過數(shù)據(jù)線16與計算機114連接,計算機114為聯(lián)想Erazer T430型分體臺式計算機,其中安裝AVT GE4900相機、多摩川0IH100編碼器的控制程序和LDR2-120SW2型環(huán)形LED光源的開關程序。
[0035]本發(fā)明提出基于上述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置的測量方法實施例，包括對測量裝置的標定和天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量兩部分；
[0036]對測量裝置的標定具體包括:
[0037]I)對景深區(qū)域19的體積進行標定:制作標定桶23，如圖2所示，標定筒23為鋼制圓桶，直徑600mm、高1000mm，轉(zhuǎn)動編碼器113將入水殼體11放入標定桶23中，向標定桶23中充水直至淹沒觀測窗12 ；
[0038]2)將鋼板尺22固定在有刻度讀數(shù)的光具座21上，光具座21型號為合肥科博2507光具座；將光具座21放入標定桶23內(nèi)，并放置在觀測窗12前，調(diào)整鋼板尺22使得尺面距觀測窗12外壁的距離為10mm(尺面與觀測窗12外壁的距離范圍為5_20mm為宜；值越小時，工業(yè)相機13所拍攝圖像的對焦位置距離觀測窗12外壁太近，此處水體受到觀測窗12外壁的影響，與河流原始水體中的含沙情況將有所不同，造成測量結果與實際情況存在差異；值越大時，光線需要穿透的渾水越厚，工業(yè)相機13拍攝清晰圖像越困難，測量結果也越不精確)；
[0039]3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭14的對焦環(huán)使得工業(yè)相機13拍攝的圖像在鋼板尺22的尺面對焦，記錄工業(yè)相機13所拍攝圖像所覆蓋的實際面積為S = 175.8mm2 ；
[0040]4)之后將鋼板尺22以0.5mm為步長向觀測窗12靠近，每靠近一次工業(yè)相機13拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計算圖像中心的對焦指數(shù)，直到對焦指數(shù)小于5000時(值越大，景深范圍越小，對焦越清晰，但是捕捉到的泥沙顆粒光斑越少；值越小，景深范圍越大，對焦越不清晰，但是捕捉到的泥沙顆粒光斑越多，可通過實驗選擇具體數(shù)值以達到最佳效果)，停止移動鋼板尺22，并記錄鋼板尺位置在光具座21上的讀數(shù)為216mm ；
[0041]5)之后將鋼板尺22以0.5mm為步長遠離觀測窗12，每遠離一次工業(yè)相機13均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計算圖像中心的對焦指數(shù)，直到對焦指數(shù)小于5000時，停止移動鋼板尺22，并記錄鋼板尺位置在光具座21上的讀數(shù)為214.5mm ；
[0042]6)取出水中的光具座21 ;根據(jù)步驟4)、5)記錄的鋼板尺位置，此時標定出景深區(qū)域19的體積為V = 175.8*1.5 = 263.7mm3 ;固定微距鏡頭14的對焦環(huán)；完成測量裝置的標定；
[0043]2)本實施例中標定圖像中泥沙顆粒光斑大小與泥沙顆粒18的粒徑之間的關系式:配制泥沙濃度為0.5kg/m3、泥沙粒徑為0.1mm的渾水,攪拌均勻后注入標定桶23中；使用計算機114打開環(huán)形LED光源15，并控制工業(yè)相機13拍攝1000張圖像，保存在計算機114中；在計算機114中利用顆粒圖像識別算法提取圖像中的泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，將對焦指數(shù)大于5000的泥沙顆粒光斑識別出并計算其以圖像像素為單位的直徑，記錄1000張圖像中的所有對焦指數(shù)大于5000的泥沙顆粒光斑直徑的平均值；放空標定桶23中的渾水，洗凈標定桶23 ;配制泥沙濃度為0.5kg/m3、不同泥沙粒徑的渾水進行標定，記錄圖像中相應的泥沙光斑直徑的平均值，標定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式；將標定好的關系式存儲在計算機114中；
[0044]將標定好的天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置用于實際測量，具體包括以下步驟:
[0045]I)將所述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置架設在天然河流上，轉(zhuǎn)動編碼器113，放下入水殼體11，使觀測窗12剛好與水面111齊平，記錄編碼器113讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動編碼器113，放下入水殼體11，到達待測位置，記錄編碼器113讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測量位置到水面的垂直距離；
[0046]2)使用計算機114發(fā)出指令打開工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15，工業(yè)相機13開始拍攝圖像；拍攝100張(值越大測量結果越精確，但是測量時間越長，值越小測量時間越短，但是測量精度越低，可根據(jù)測量精度要求確定拍攝張數(shù))后停止，計算機114發(fā)出指令關閉工業(yè)相機13和環(huán)形LED光源15。
[0047]3)使用計算機114處理所拍攝的圖像；對每張圖像，首先使用顆粒圖像識別算法識別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，對焦指數(shù)大于5000的泥沙顆粒光斑即位于景深區(qū)域19內(nèi)，計算景深區(qū)域19內(nèi)每個泥沙顆粒光斑的直徑，按照泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式得到景深區(qū)域19內(nèi)每個泥沙光斑對應泥沙顆粒18的粒徑，統(tǒng)計100張圖像中景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒18的粒徑分布即得到測量位置處河流中泥沙級配，按照球體計算100張圖像中景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒的總體積，除以100倍景深區(qū)域19的體積V即得測量位置處河流中泥沙濃度。
【權利要求】
1.一種天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置，其特征在于，該裝置包括入水殼體、編碼器和計算機；入水殼體為封閉的水下測量設備，編碼器和計算機設置在被測水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設置一透明的平面觀測窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機組成的測量設備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機上，工業(yè)相機和環(huán)形LED光源均對準觀測窗，環(huán)形LED光源透過觀測窗照亮的入水殼體之外的水體，使工業(yè)相機能夠拍攝到被環(huán)形LED光源照亮的入水殼體外的水體；入水殼體頂端通過纜繩與編碼器連接；入水殼體中的測量設備通過數(shù)據(jù)線與計算機連接。
2.一種基于上述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置的測量方法，其特征在于，該方法包括對測量裝置的標定和對天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量兩部分； 所述對測量裝置的標定具體包括: 1)對景深區(qū)域的體積進行標定:制作標定桶，轉(zhuǎn)動編碼器將入水殼體放入標定桶中，向標定桶中充入清水直至淹沒入水殼體觀測窗； 2)將一鋼板尺固定在有刻度讀數(shù)的光具座上，將光具座放入標定桶內(nèi)，并放置在觀測窗前，調(diào)整鋼板尺，并記錄鋼板尺面與觀測窗外壁距離； 3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭的對焦環(huán)使得工業(yè)相機拍攝的圖像在鋼板尺的尺面對焦，記錄工業(yè)相機所拍攝圖像所覆蓋的實際面積； 4)再將鋼板尺以設定的步長向觀測窗靠近，每靠近一次工業(yè)相機拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計算圖像中心的對焦指數(shù)，直到對焦指數(shù)小于設定值時，停止移動鋼板尺，并記錄鋼板尺位置在光具座上的讀數(shù)； 5)再將鋼板尺22以步驟4)的一倍步長遠離觀測窗，每遠離一次工業(yè)相機均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計算圖像中心的對焦指數(shù)，直到對焦指數(shù)小于設定值時，停止移動鋼板尺，并記錄鋼板尺位置在光具座上的讀數(shù)； 6)根據(jù)步驟4)、5)記錄的鋼板尺位置，即標定出景深區(qū)域的體積；固定微距鏡頭的對焦環(huán)，取出入水殼體，將標定筒水倒出； 7)配制已知泥沙濃度、泥沙粒徑的渾水，攪拌均勻后注入標定桶中，再將入水殼體放入標定桶中，直至淹沒觀測窗； 8)使用計算機打開環(huán)形LED光源，并控制工業(yè)相機拍攝多張圖像，保存在計算機中；在計算機中利用顆粒圖像識別算法提取圖像中的泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，將對焦指數(shù)大于設定值的泥沙顆粒光斑識別出并計算其以圖像像素為單位的直徑，記錄所有張圖像中的對焦指數(shù)大于設定值的所有泥沙顆粒光斑直徑的平均值； 9)放空標定桶中的渾水，洗凈標定桶；配制不同泥沙濃度、不同泥沙粒徑的渾水進行標定，記錄圖像中相應的泥沙光斑直徑的平均值，標定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式；將標定好的關系式存儲在計算機中； 所述將標定好的天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置用于實際測量，具體包括以下步驟: 10)將所述天然河流中泥沙濃度級配原位實時測量裝置架設在待測天然河流上的載體中，轉(zhuǎn)動編碼器，放下入水殼體，使觀測窗剛好與水面齊平，記錄編碼器讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動編碼器，放下入水殼體，到達待測位置，記錄編碼器讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測量位置到水面的垂直距離； 11)使用計算機發(fā)出指令打開工業(yè)相機和環(huán)形LED光源，工業(yè)相機開始拍攝圖像；拍攝設定的張數(shù)后停止，計算機發(fā)出指令關閉工業(yè)相機和環(huán)形LED光源； 12)使用計算機處理所拍攝的圖像；對每張圖像，首先使用顆粒圖像識別算法識別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計算每個泥沙顆粒光斑的對焦指數(shù)，對焦指數(shù)大于設定值的泥沙顆粒光斑即位于景深區(qū)域內(nèi)，計算景深區(qū)域內(nèi)每個泥沙顆粒光斑的直徑，按照泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關系式得到景深區(qū)域內(nèi)每個泥沙光斑對應泥沙顆粒的粒徑，統(tǒng)計所有張圖像中景深區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒的粒徑分布即得到測量位置處河流中泥沙級配，按照球體計算所有張圖像中景深區(qū)域內(nèi)的泥沙顆粒的總體積，除以圖像張數(shù)倍景深區(qū)域的體積V即得測 量位置處河流中泥沙濃度。
【文檔編號】G01N15/14GK103969171SQ201410190678
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權日:2014年5月7日
【發(fā)明者】鐘強, 楊文俊, 李丹勛, 陳啟剛, 王興奎 申請人:清華大學