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一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)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(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，屬于環(huán)境原位監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，該裝置包括入水殼體、編碼器和計(jì)算機(jī)；入水殼體為封閉的水下測(cè)量設(shè)備，編碼器和計(jì)算機(jī)設(shè)置在被測(cè)水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設(shè)置一透明的平面觀測(cè)窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測(cè)窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機(jī)組成的測(cè)量設(shè)備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機(jī)上，工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源均對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)窗；入水殼體頂端通過纜繩與編碼器連接；入水殼體中的測(cè)量設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。該方法包括對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定和對(duì)天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)刹糠郑槐景l(fā)明具有精度較高、使用方便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境原位監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]天然河流中的懸浮于水中的泥沙濃度與級(jí)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(xué)檢測(cè)法、聲學(xué)檢測(cè)法和圖像類方法等多種方法獲得泥沙濃度或者泥沙級(jí)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(jìn)行濃度和級(jí)配的分析。該方法測(cè)量精度高，但需要專門的設(shè)備，測(cè)量效率受人力物力的制約，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)原位測(cè)量，不易掌握泥沙輸移的時(shí)空變化規(guī)律。
[0004]光學(xué)檢測(cè)方法采用光學(xué)手段測(cè)量天然河流水流中的含沙濃度與級(jí)配，大致可分為透射法、池度法、光學(xué)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(xué)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(duì)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(cè)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(shí),稱為OBS ；安裝在與光束垂直的位置時(shí)，稱為濁度計(jì)；當(dāng)散射傳感器正對(duì)光束時(shí)，稱為透射計(jì)。光束遇見顆粒物時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，部分光束的傳播方向會(huì)改變并進(jìn)入散射傳感器。確定散射光強(qiáng)度與泥沙濃度的關(guān)系后，即可根據(jù)傳感器所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量河流水體中的泥沙濃度。透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法僅能得到泥沙濃度，不能得到泥沙級(jí)配。同時(shí)，由于不同基質(zhì)、粒徑和顏色的泥沙顆粒對(duì)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(qiáng)會(huì)差異很大，透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法的準(zhǔn)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(shí)發(fā)生衍射來測(cè)量泥沙顆粒的大小。光經(jīng)過固體顆粒邊緣時(shí)，有一部分光會(huì)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(zhǎng)與顆粒直徑相比很小時(shí)，光在圓形邊緣的衍射可用Fraunhoff理論描述。因此只需測(cè)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(shè)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(cè)水體，在測(cè)量水體后布置傅里葉透鏡，并在透鏡的后焦面設(shè)置光電探測(cè)器。光電探測(cè)器由多級(jí)不同直徑的同心圓環(huán)組成，每級(jí)圓環(huán)接受不同偏離角度的光線，可反算出泥沙級(jí)配。同時(shí)，提前進(jìn)行率定后，根據(jù)各級(jí)光電探測(cè)器得到的信號(hào)強(qiáng)度，可以使用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到相應(yīng)粒徑的濃度，因此激光衍射法能同時(shí)測(cè)量泥沙濃度與級(jí)配。目前全世界僅有Sequoia Scientific公司提供能用于野外實(shí)測(cè)的儀器，稱為激光原位散射透射測(cè)量?jī)x(laser in situ scattering and transmissometry,LISST)。實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)試表明，LISST的泥沙級(jí)配測(cè)量誤差較大，在20%?40%左右。在泥沙濃度測(cè)量方面，由于光電探測(cè)器必須接收到足夠的光才能得到可靠信號(hào)，因此LISST僅適用于0.1?10kg/m3的低濃度情況。同時(shí)，由于LISST的濃度測(cè)量依賴于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，導(dǎo)致測(cè)量精度并不高。
[0007]聲學(xué)檢測(cè)法的原理與透射法、濁度法、光學(xué)反向散射法類似，只不過此時(shí)的信號(hào)源由光變?yōu)槁暡ǎ月晫W(xué)檢測(cè)法也只能得到泥沙濃度而不能得到泥沙級(jí)配。同時(shí)，雖然聲波的反射強(qiáng)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(cè)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(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)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(shí)從圖像中提取顆粒物并計(jì)算光斑大小的顆粒圖像識(shí)別算法也已比較成熟，也有拉普拉斯算子等方法計(jì)算對(duì)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(cè)量泥沙濃度和級(jí)配成為可能。于連生等人的實(shí)用新型專利“現(xiàn)場(chǎng)懸浮沙粒徑譜測(cè)量?jī)x”(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(cè)水體從進(jìn)水口進(jìn)入測(cè)量盒中，用激光片光源從下部照亮被測(cè)水體，旁側(cè)照相機(jī)拍攝圖像，分析后得出結(jié)果。但由于儀器結(jié)構(gòu)的限制，入水后測(cè)量盒內(nèi)就灌滿了水體，與需要測(cè)量位置(如不同深度)的水體沒有置換，且測(cè)量盒內(nèi)的泥沙會(huì)沉淀，使用該儀器難以實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)測(cè)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(chǎng)測(cè)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(jì)算泥沙濃度和級(jí)配，上下兩玻璃片通過來回錯(cuò)動(dòng)更換測(cè)量水體，但是玻璃片錯(cuò)動(dòng)時(shí)會(huì)影響周圍流動(dòng)，較粗的泥沙顆粒難以進(jìn)入到玻璃片之間，并且由于水體粘滯力的作用，在不動(dòng)的玻璃片上會(huì)粘附細(xì)顆粒泥沙，使進(jìn)入玻璃片之間的水體與原位水體存在差別，故這種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)難以反映真實(shí)的情況。
[0009]另外還有一些應(yīng)用很少的方法如B超成像測(cè)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(cè)量泥沙濃度而不能同時(shí)測(cè)量泥沙級(jí)配，不再做詳細(xì)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(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量方法的不足，提供一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)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(diǎn)。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于:該裝置包括入水殼體、編碼器和計(jì)算機(jī)；入水殼體為封閉的水下測(cè)量設(shè)備，編碼器和計(jì)算機(jī)設(shè)置在被測(cè)水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設(shè)置一透明的平面觀測(cè)窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測(cè)窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機(jī)組成的測(cè)量設(shè)備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機(jī)上，工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源均對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)窗，環(huán)形LED光源透過觀測(cè)窗照亮的入水殼體之外的水體，使工業(yè)相機(jī)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(cè)量設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)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(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定和對(duì)天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)刹糠郑籟0013]所述對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定具體包括:
[0014]I)對(duì)景深區(qū)域的體積進(jìn)行標(biāo)定:制作標(biāo)定桶，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器將入水殼體放入標(biāo)定桶中，向標(biāo)定桶中充入清水直至淹沒入水殼體觀測(cè)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(biāo)定桶內(nèi)，并放置在觀測(cè)窗前，調(diào)整鋼板尺，并記錄鋼板尺面與觀測(cè)窗外壁距離；
[0016]3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭的對(duì)焦環(huán)使得工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像在鋼板尺的尺面對(duì)焦，記錄工業(yè)相機(jī)所拍攝圖像所覆蓋的實(shí)際面積；
[0017]4)再將鋼板尺以設(shè)定的步長(zhǎng)向觀測(cè)窗靠近，每靠近一次工業(yè)相機(jī)拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)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(zhǎng)遠(yuǎn)離觀測(cè)窗，每遠(yuǎn)離一次工業(yè)相機(jī)均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)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(biāo)定出景深區(qū)域的體積；固定微距鏡頭的對(duì)焦環(huán)，取出入水殼體，將標(biāo)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(biāo)定桶中，再將入水殼體放入標(biāo)定桶中，直至淹沒觀測(cè)窗；
[0021]8)使用計(jì)算機(jī)打開環(huán)形LED光源，并控制工業(yè)相機(jī)拍攝多張圖像，保存在計(jì)算機(jī)中；在計(jì)算機(jī)中利用顆粒圖像識(shí)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(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，將對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的泥沙顆粒光斑識(shí)別出并計(jì)算其以圖像像素為單位的直徑，記錄所有張圖像中的對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的所有泥沙顆粒光斑直徑的平均值；
[0022]9)放空標(biāo)定桶中的渾水，洗凈標(biāo)定桶；配制不同泥沙濃度、不同泥沙粒徑的渾水進(jìn)行標(biāo)定，記錄圖像中相應(yīng)的泥沙光斑直徑的平均值，標(biāo)定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關(guān)系式；將標(biāo)定好的關(guān)系式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；
[0023]所述將標(biāo)定好的天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置用于實(shí)際測(cè)量，具體包括以下步驟:
[0024]10)將所述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在待測(cè)天然河流上的載體中，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，放下入水殼體，使觀測(cè)窗剛好與水面齊平，記錄編碼器讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，放下入水殼體，到達(dá)待測(cè)位置，記錄編碼器讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測(cè)量位置到水面的垂直距離；
[0025]11)使用計(jì)算機(jī)發(fā)出指令打開工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源，工業(yè)相機(jī)開始拍攝圖像；拍攝設(shè)定的張數(shù)后停止，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令關(guān)閉工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源；
[0026]12)使用計(jì)算機(jī)處理所拍攝的圖像；對(duì)每張圖像，首先使用顆粒圖像識(shí)別算法識(shí)別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的泥沙顆粒光斑即位于景深區(qū)域內(nèi)，計(jì)算景深區(qū)域內(nèi)每個(gè)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(guān)系式得到景深區(qū)域內(nèi)每個(gè)泥沙光斑對(duì)應(yīng)泥沙顆粒的粒徑，統(tǒng)計(jì)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(cè)量位置處河流中泥沙級(jí)配，按照球體計(jì)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(cè)量位置處河流中泥沙濃度。
[0027]本發(fā)明的特點(diǎn)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(shù)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(jí)配，具有精度較高、使用方便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
【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(biāo)定圖；
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問題。需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)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(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置實(shí)施例，如圖1所示，該裝置包括入水殼體11、編碼器113和計(jì)算機(jī)114。編碼器113和計(jì)算機(jī)114放置在被測(cè)水體上方的載體(例如船)上；入水殼體11為水下測(cè)量設(shè)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(shè)觀測(cè)窗12，通過觀測(cè)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(jī)13和環(huán)形LED光源15，微距鏡頭14安裝在工業(yè)相機(jī)13上，工業(yè)相機(jī)13和環(huán)形LED光源15均對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)窗12，并保證工業(yè)相機(jī)13能夠拍攝到環(huán)形LED光源15發(fā)出的光柱17透過觀測(cè)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(shè)備通過數(shù)據(jù)線16與計(jì)算機(jī)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(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在天然河流上，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器113，放下入水殼體11，待觀測(cè)窗12下緣與水面111基本平齊時(shí)，記錄編碼器113讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器113，使入水殼體11進(jìn)入水中，到達(dá)預(yù)定測(cè)量位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器113，記錄編碼器113讀數(shù)，將兩次讀數(shù)相減即為測(cè)量位置距水面的垂向距離；計(jì)算機(jī)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(jī)13，環(huán)形LED光源15發(fā)出光柱17透過觀測(cè)窗12照亮河流中的水體，工業(yè)相機(jī)13對(duì)準(zhǔn)光柱17照亮的區(qū)域，拍攝泥沙顆粒18的圖像，工業(yè)相機(jī)13拍攝時(shí)，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(jī)13拍攝所得圖像通過數(shù)據(jù)線16傳輸回計(jì)算機(jī)114進(jìn)行記錄；對(duì)工業(yè)相機(jī)13拍攝所得圖像，首先使用顆粒圖像識(shí)別算法識(shí)別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，識(shí)別出位于景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒光斑并計(jì)算其直徑，按照事先標(biāo)定好的泥沙光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關(guān)系式得到泥沙光斑對(duì)應(yīng)的泥沙顆粒18的粒徑，統(tǒng)計(jì)景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒18的粒徑分布即得到測(cè)量位置處河流中泥沙級(jí)配，按照球體計(jì)算景深區(qū)域19內(nèi)的泥沙顆粒的總體積，除以事先標(biāo)定好的景深區(qū)域19的體積即得測(cè)量位置處河流中的泥沙濃度。
[0033]本實(shí)施例各部件的具體實(shí)現(xiàn)方式分別說明如下:
[0034]如圖1所示,本實(shí)施例中入水殼體11使用不銹鋼板焊接而成，上部為邊長(zhǎng)300mm正方體，下部為四棱椎體，棱錐底面為邊長(zhǎng)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(yù)留邊長(zhǎng)為80mm的正方形孔，使用邊長(zhǎng)為80mm的鋼化玻璃填在孔內(nèi)，形成觀測(cè)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(jī)13和環(huán)形LED光源15，工業(yè)相機(jī)13采用AVT GE4900型相機(jī)，環(huán)形LED光源15的型號(hào)為L(zhǎng)DR2-120SW2 ;微距鏡頭14為CanonMP-E65/2.8Macro鏡頭，安裝在工業(yè)相機(jī)13上，工業(yè)相機(jī)13和環(huán)形LED光源15均對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)窗12，并保證工業(yè)相機(jī)13能夠拍攝到環(huán)形LED光源15發(fā)出的光柱17透過觀測(cè)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(hào)為多摩川OIHlOO ;入水殼體11中的工業(yè)相機(jī)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(jì)算機(jī)114連接,計(jì)算機(jī)114為聯(lián)想Erazer T430型分體臺(tái)式計(jì)算機(jī),其中安裝AVT GE4900相機(jī)、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(guān)程序。
[0035]本發(fā)明提出基于上述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的測(cè)量方法實(shí)施例，包括對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定和天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)刹糠郑?br> [0036]對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定具體包括:
[0037]I)對(duì)景深區(qū)域19的體積進(jìn)行標(biāo)定:制作標(biāo)定桶23，如圖2所示，標(biāo)定筒23為鋼制圓桶，直徑600mm、高1000mm，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器113將入水殼體11放入標(biāo)定桶23中，向標(biāo)定桶23中充水直至淹沒觀測(cè)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(hào)為合肥科博2507光具座；將光具座21放入標(biāo)定桶23內(nèi)，并放置在觀測(cè)窗12前，調(diào)整鋼板尺22使得尺面距觀測(cè)窗12外壁的距離為10mm(尺面與觀測(cè)窗12外壁的距離范圍為5_20mm為宜；值越小時(shí)，工業(yè)相機(jī)13所拍攝圖像的對(duì)焦位置距離觀測(cè)窗12外壁太近，此處水體受到觀測(cè)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(cè)量結(jié)果與實(shí)際情況存在差異；值越大時(shí)，光線需要穿透的渾水越厚，工業(yè)相機(jī)13拍攝清晰圖像越困難，測(cè)量結(jié)果也越不精確)；
[0039]3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭14的對(duì)焦環(huán)使得工業(yè)相機(jī)13拍攝的圖像在鋼板尺22的尺面對(duì)焦，記錄工業(yè)相機(jī)13所拍攝圖像所覆蓋的實(shí)際面積為S = 175.8mm2 ；
[0040]4)之后將鋼板尺22以0.5mm為步長(zhǎng)向觀測(cè)窗12靠近，每靠近一次工業(yè)相機(jī)13拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于5000時(shí)(值越大，景深范圍越小，對(duì)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(duì)焦越不清晰，但是捕捉到的泥沙顆粒光斑越多，可通過實(shí)驗(yàn)選擇具體數(shù)值以達(dá)到最佳效果)，停止移動(dòng)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(zhǎng)遠(yuǎn)離觀測(cè)窗12，每遠(yuǎn)離一次工業(yè)相機(jī)13均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于5000時(shí)，停止移動(dòng)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(shí)標(biāo)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(duì)焦環(huán)；完成測(cè)量裝置的標(biāo)定；
[0043]2)本實(shí)施例中標(biāo)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(guān)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(biāo)定桶23中；使用計(jì)算機(jī)114打開環(huán)形LED光源15，并控制工業(yè)相機(jī)13拍攝1000張圖像，保存在計(jì)算機(jī)114中；在計(jì)算機(jī)114中利用顆粒圖像識(shí)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(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，將對(duì)焦指數(shù)大于5000的泥沙顆粒光斑識(shí)別出并計(jì)算其以圖像像素為單位的直徑，記錄1000張圖像中的所有對(duì)焦指數(shù)大于5000的泥沙顆粒光斑直徑的平均值；放空標(biāo)定桶23中的渾水，洗凈標(biāo)定桶23 ;配制泥沙濃度為0.5kg/m3、不同泥沙粒徑的渾水進(jìn)行標(biāo)定，記錄圖像中相應(yīng)的泥沙光斑直徑的平均值，標(biāo)定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關(guān)系式；將標(biāo)定好的關(guān)系式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)114中；
[0044]將標(biāo)定好的天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置用于實(shí)際測(cè)量，具體包括以下步驟:
[0045]I)將所述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在天然河流上，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器113，放下入水殼體11，使觀測(cè)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(dòng)編碼器113，放下入水殼體11，到達(dá)待測(cè)位置，記錄編碼器113讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測(cè)量位置到水面的垂直距離；
[0046]2)使用計(jì)算機(jī)114發(fā)出指令打開工業(yè)相機(jī)13和環(huán)形LED光源15，工業(yè)相機(jī)13開始拍攝圖像；拍攝100張(值越大測(cè)量結(jié)果越精確，但是測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，值越小測(cè)量時(shí)間越短，但是測(cè)量精度越低，可根據(jù)測(cè)量精度要求確定拍攝張數(shù))后停止，計(jì)算機(jī)114發(fā)出指令關(guān)閉工業(yè)相機(jī)13和環(huán)形LED光源15。
[0047]3)使用計(jì)算機(jī)114處理所拍攝的圖像；對(duì)每張圖像，首先使用顆粒圖像識(shí)別算法識(shí)別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，對(duì)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(jì)算景深區(qū)域19內(nèi)每個(gè)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(guān)系式得到景深區(qū)域19內(nèi)每個(gè)泥沙光斑對(duì)應(yīng)泥沙顆粒18的粒徑，統(tǒng)計(jì)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(cè)量位置處河流中泥沙級(jí)配，按照球體計(jì)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(cè)量位置處河流中泥沙濃度。
【權(quán)利要求】
1.一種天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括入水殼體、編碼器和計(jì)算機(jī)；入水殼體為封閉的水下測(cè)量設(shè)備，編碼器和計(jì)算機(jī)設(shè)置在被測(cè)水體上方的載體上；在該入水殼體的側(cè)面壁上設(shè)置一透明的平面觀測(cè)窗，在該入水殼體內(nèi)部的平面觀測(cè)窗固定安裝有由環(huán)形LED光源、微距鏡頭和工業(yè)相機(jī)組成的測(cè)量設(shè)備，微距鏡頭同軸安裝在工業(yè)相機(jī)上，工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源均對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)窗，環(huán)形LED光源透過觀測(cè)窗照亮的入水殼體之外的水體，使工業(yè)相機(jī)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(cè)量設(shè)備通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。
2.一種基于上述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定和對(duì)天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)刹糠郑? 所述對(duì)測(cè)量裝置的標(biāo)定具體包括: 1)對(duì)景深區(qū)域的體積進(jìn)行標(biāo)定:制作標(biāo)定桶，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器將入水殼體放入標(biāo)定桶中，向標(biāo)定桶中充入清水直至淹沒入水殼體觀測(cè)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(biāo)定桶內(nèi)，并放置在觀測(cè)窗前，調(diào)整鋼板尺，并記錄鋼板尺面與觀測(cè)窗外壁距離； 3)旋轉(zhuǎn)微距鏡頭的對(duì)焦環(huán)使得工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像在鋼板尺的尺面對(duì)焦，記錄工業(yè)相機(jī)所拍攝圖像所覆蓋的實(shí)際面積； 4)再將鋼板尺以設(shè)定的步長(zhǎng)向觀測(cè)窗靠近，每靠近一次工業(yè)相機(jī)拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)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(zhǎng)遠(yuǎn)離觀測(cè)窗，每遠(yuǎn)離一次工業(yè)相機(jī)均拍攝一張圖像，使用拉普拉斯算子計(jì)算圖像中心的對(duì)焦指數(shù)，直到對(duì)焦指數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)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(biāo)定出景深區(qū)域的體積；固定微距鏡頭的對(duì)焦環(huán)，取出入水殼體，將標(biāo)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(biāo)定桶中，再將入水殼體放入標(biāo)定桶中，直至淹沒觀測(cè)窗； 8)使用計(jì)算機(jī)打開環(huán)形LED光源，并控制工業(yè)相機(jī)拍攝多張圖像，保存在計(jì)算機(jī)中；在計(jì)算機(jī)中利用顆粒圖像識(shí)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(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，將對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的泥沙顆粒光斑識(shí)別出并計(jì)算其以圖像像素為單位的直徑，記錄所有張圖像中的對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的所有泥沙顆粒光斑直徑的平均值； 9)放空標(biāo)定桶中的渾水，洗凈標(biāo)定桶；配制不同泥沙濃度、不同泥沙粒徑的渾水進(jìn)行標(biāo)定，記錄圖像中相應(yīng)的泥沙光斑直徑的平均值，標(biāo)定得出泥沙顆粒光斑直徑與泥沙顆粒粒徑的關(guān)系式；將標(biāo)定好的關(guān)系式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中； 所述將標(biāo)定好的天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置用于實(shí)際測(cè)量，具體包括以下步驟: 10)將所述天然河流中泥沙濃度級(jí)配原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在待測(cè)天然河流上的載體中，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，放下入水殼體，使觀測(cè)窗剛好與水面齊平，記錄編碼器讀數(shù)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，放下入水殼體，到達(dá)待測(cè)位置，記錄編碼器讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為測(cè)量位置到水面的垂直距離； 11)使用計(jì)算機(jī)發(fā)出指令打開工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源，工業(yè)相機(jī)開始拍攝圖像；拍攝設(shè)定的張數(shù)后停止，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令關(guān)閉工業(yè)相機(jī)和環(huán)形LED光源； 12)使用計(jì)算機(jī)處理所拍攝的圖像；對(duì)每張圖像，首先使用顆粒圖像識(shí)別算法識(shí)別出泥沙顆粒光斑，再使用拉普拉斯算子計(jì)算每個(gè)泥沙顆粒光斑的對(duì)焦指數(shù)，對(duì)焦指數(shù)大于設(shè)定值的泥沙顆粒光斑即位于景深區(qū)域內(nèi)，計(jì)算景深區(qū)域內(nèi)每個(gè)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(guān)系式得到景深區(qū)域內(nèi)每個(gè)泥沙光斑對(duì)應(yīng)泥沙顆粒的粒徑，統(tǒng)計(jì)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(cè)量位置處河流中泥沙級(jí)配，按照球體計(jì)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(cè) 量位置處河流中泥沙濃度。
【文檔編號(hào)】G01N15/14GK103969171SQ201410190678
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】鐘強(qiáng), 楊文俊, 李丹勛, 陳啟剛, 王興奎 申請(qǐng)人:清華大學(xué)