[发明专利]一种河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法

权利要求书

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；

本方法步骤1)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)点沿流向的瞬时流向速度(m/s)；v_(i，j)：(i，j)点沿河宽方向的瞬时横向速度(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)；

本方法步骤3)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ω_M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)；ω_M(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ω_M(u，v)对泡漩区域合速度场(u，v)进行滤波：

式中：ω_D：实际速度场；ω_M：标准化速度场卷积算子；ω_conv(k，l)：在ω_D(k，l)处所计算出的新散度值；m：ω_M的行数；n：ω_M的列数；k：ω_D的行数；l：ω_D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ω_conv(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。

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，步骤2)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；F_x为点(x，y)沿x方向的速度分量；F_y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。

3.如权利要求1所述的河道泡漩结构识别方法，其特征在于，本方法步骤2)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div_(i，j)0，表示该点有吸收通量的负源，即吸收源；当div_(i，j)＝0，表示该点无源；剔除div_(i，j)≤0范围。