[发明专利]利用图像识别的山区陡坡卵砾石河道平均流速测量方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及河道流速测量技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。本发明优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明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：

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；