CN108801219A - 水下抛泥模型试验地形实时测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下抛泥模型试验地形实时测量系统及其测量方法，包括水下抛泥模型，测量系统和图像采集与识别系统；所述水下抛泥模型包括水槽、遥控抛泥船模型和模型沙；所述测量系统包括带有探针的测量板和滑轮，所述测量板放置在所述水槽内，四角通过绳子连接在所述滑轮上，实现上升和下降；所述图像采集与识别系统包括摄像机、数据传输线和电脑；所述摄像机用于实时拍摄记录模型沙淤积情况，所述摄像机通过所述数据传输线与所述电脑相连接，将信息实时传输给所述电脑。本发明一方面既避免了传统接触式地形仪带来的过大接触扰动和局部误差，又不会因为泥沙扩散而影响测量的准确性，另一方面提高了测量效率，又可以使试验过程更加直观。

Description

水下抛泥模型试验地形实时测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及水工模型试验技术，特别涉及水下抛泥模型试验地形实时测量系统及其测量方法。

背景技术

在水下抛泥模型试验中，进行水下地形测量可以了解抛泥对水下地形的影响，为进一步研究抛泥对河流和泥沙运动的影响、指导抛泥船抛泥方式提供依据，其重要性不言而喻。水工模型水下地形测量对于测量系统要求较高，一方面，由于实验室内水工模型的比尺一般较大，模型上的1mm可能相当于原型100mm甚至更大，因此对于测量系统的定位和测深精度要求较高；另一方面，为了尽可能精确地反应模型水下地形，一般需要布置较多的测点，同时又需要保证数据的同步性，因此要求测量系统具有较高的测量速度。

当前实验室内水工模型的水下地形测量方法主要包括接触式和非接触式两大类。前者一般使用阻抗地形仪和光电地形仪等接触式地形仪对水下地形进行测量。其优点是整体测量精度较高，故而应用广泛。但是由于这类传统接触式地形仪需要将测量仪器与模型底面地形接触，极容易带来局部扰动。以阻抗地形仪为例，使用时需要将探头插入泥沙界面，通过测量电阻的变化得出该测量点的地形高度。若测量点过于密集，就不可避免地造成局部地区测量误差较大。此外传统接触式地形仪的测量速度也较慢，难以实现水下地形的实时测量。

而后者则主要包括水下激光测距和超声测距两种方式。超声测距通过超声波对水下地形进行扫描，借助仪器得到各测点超声波反射时间，进而得出各点到仪器距离，并根据仪器位置换算为测点坐标，测量速度较快。然而，超声测距依赖于声音传播的速度，而音速又易受温度、水质影响；此外，外界噪声也可能对超声测距产生影响，因此其测量精度较低。水下激光测距原理与超声测距类似，相比于超声测距，激光不易受温度和外界影响，测量速度较快，一般情况下精度也较高。但是考虑到水下抛泥模型试验过程中，泥沙会在水中扩散，容易阻碍激光传播，因而在水下抛泥模型试验中激光测距的准确性无法得到保证。同理，超声波也会受扩散的泥沙影响，难以保证测距的准确性，并且此类仪器相对昂贵。因此尽管各种地形仪已在大部分水工模型试验中广泛使用，但是水下抛泥试验的特殊性使其难以应用于此，这也是为什么许多研究机构在进行水下抛泥试验时，仍在使用测深杆进行人工水下地形测量。

发明内容

本发明的目的在于克服目前实验室内进行水下抛泥模型试验时水下地形测量的困难，提供一种高效、可靠、实时精确测量水下抛泥形成的地形的技术，为水下抛泥模型试验提供技术支持。

本发明所采用的技术方案是：一种水下抛泥模型试验地形实时测量系统，包括水下抛泥模型，测量系统和图像采集与识别系统；

所述水下抛泥模型包括水槽、遥控抛泥船模型和模型沙，所述遥控抛泥船模型用于装载所述模型沙并抛出所述模型沙；

所述测量系统包括带有探针的测量板和滑轮；所述探针设置有若干、并呈矩阵状固定在所述测量板上；所述测量板放置在所述水槽内，四角通过绳子连接在所述滑轮上；所述滑轮设置有四个，分别固定在所述水槽的顶部四角，用于控制所述测量板上升和下降；

所述图像采集与识别系统包括摄像机、数据传输线和装有图像合成与识别软件的电脑；所述摄像机用于实时拍摄记录模型沙淤积情况，所述摄像机通过所述数据传输线与所述电脑相连接，将信息实时传输给所述电脑。

进一步的，所述探针为直径2mm的金属针，分为上下两部分：上部设置有用于识别探针位置的标记，下部设置有用于测量抛泥形成的地形高度的刻度标识。

进一步的，所述摄像机设置有四台，均匀设置在所述水槽外；每台所述摄像机只记录四分之一的探针被覆盖的情况。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述水下抛泥模型试验地形实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤(1)遥控抛泥船模型开始抛模型沙，同时启动各台摄像机；

步骤(2)模型沙在水中先向四周扩散，而后几乎垂直下落，最终落淤于测量板上；

步骤(3)各台摄像机从不同方位同时对测量区域进行拍摄，并通过数据传输线将图像实时传输给电脑；

步骤(4)电脑接收到各台摄像机传输而来的图像，通过图像合成与识别软件逐个对图像中的探针进行识别，包括识别探针顶端颜色标记，进而得出探针坐标位置和识别探针露出部分长度，进而得出泥沙地形高度；

步骤(5)电脑通过图像合成与识别软件将不同坐标位置的泥沙地形高度汇总并通过插值计算测点之间的泥沙地形高度，最后每隔3分钟输出一张泥沙地形的三维图像。

本发明的有益效果是：一方面，由于水下抛泥过程中，泥沙首先在水中向四周扩散而后几乎垂直下落，只要保证足够的水深，当泥沙垂直落于测量板上时，测量板上的探针对抛泥形成的地形影响极小，既避免了传统接触式地形仪带来的过大接触扰动和局部误差，又不会因为泥沙扩散而影响测量的准确性；另一方面，本发明通过4台相互配合的摄像机同步拍摄测量板上探针的被覆盖情况并输入到同一台电脑上自动合成实时图像，既提高了测量效率，又可以使试验过程更加直观，为抛泥船的抛泥方式提供指导。

附图说明

图1：本发明水下抛泥模型试验地形实时测量系统示意图；

图2：带探针的测量板的示意图；

附图标注：1-水槽；2-遥控抛泥船模型；3-模型沙；4-探针；5-测量板；6-滑轮；7-摄像机；8-数据传输线；9-电脑；10、颜色标记；11、刻度标识。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1和图2所示，一种水下抛泥模型试验地形实时测量系统，包括水下抛泥模型，测量系统和图像采集与识别系统。

所述水下抛泥模型包括水槽1、遥控抛泥船模型2和模型沙3。所述遥控抛泥船模型2用于装载所述模型沙3并抛出所述模型沙3；试验时在水槽1中注水到一定高度，而后放入载有模型沙3的遥控抛泥船模型2，试验开始时可遥控抛泥船模型2打开舱门抛出模型沙3。

所述测量系统包括带有探针4的测量板5和滑轮6。所述探针4设置有若干、并呈矩阵状固定在所述测量板5上，所述探针4为直径2mm的金属针，分为上下两部分：上部有两段不同颜色标记10，分别代表探针4的行数和列数，用于识别探针4位置；下部为黑白相间的刻度标识11，用于测量抛泥形成的地形高度。所述探针4插在打好孔的PVC测量板5上，所述测量板5放置在所述水槽1内，四角通过绳子连接在所述滑轮6上。所述滑轮6设置有四个，分别固定在所述水槽1的顶部四角，用于控制所述测量板5上升和下降，便于所述测量板5安装与拆卸。

所述图像采集与识别系统包括摄像机7、数据传输线8和电脑9。所述摄像机7用于实时拍摄记录模型沙3淤积情况，所述摄像机7通过所述数据传输线8与所述电脑9相连接，将信息实时传输给所述电脑9。所述摄像机7设置有四台，均匀设置在所述水槽1外；每台所述摄像机7只记录四分之一的探针4被覆盖的情况。所述电脑9内安装有图像合成与识别软件，所述图像合成与识别软件采用专利号ZL200910228046.8中所公开的图像处理模块。模型沙3落到测量板5上后，四台摄像机7即开始实时拍摄记录模型沙3淤积情况。每台摄像机7只记录四分之一的探针4被覆盖的情况，并通过数据传输线8将信息实时传输给电脑9。电脑软件接收到摄像机7传来的图像后首先将逐个读取不同探针4顶部标记和被覆盖情况，即该测点坐标和泥沙地形高度。而后将各测点处泥沙地形高度合成到同一张三维地形图上，并通过插值计算出测点之间的泥沙地形高度，每隔3分钟输出一张三维地形图像。

基于上述水下抛泥模型试验地形实时测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)遥控抛泥船模型2开始抛模型沙3，同时启动各台摄像机7；

(2)模型沙3在水中先向四周扩散，而后几乎垂直下落，最终落淤于测量板5上；

(3)各台摄像机7从不同方位同时对测量区域进行拍摄，并通过数据传输线8将图像实时传输给电脑9；

(4)电脑9接收到各台摄像机7传输而来的图像，通过图像合成与识别软件逐个对图像中的探针4进行识别，包括识别探针4顶端颜色标记10，进而得出探针4坐标位置和识别探针4露出部分长度，进而得出泥沙地形高度；

(5)电脑9通过图像合成与识别软件将不同坐标位置的泥沙地形高度汇总并通过插值计算测点之间的泥沙地形高度，最后每隔3分钟输出一张泥沙地形的三维图像。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下抛泥模型试验地形实时测量系统，其特征在于，包括水下抛泥模型，测量系统和图像采集与识别系统；

所述水下抛泥模型包括水槽、遥控抛泥船模型和模型沙，所述遥控抛泥船模型用于装载所述模型沙并抛出所述模型沙；

所述测量系统包括带有探针的测量板和滑轮；所述探针设置有若干、并呈矩阵状固定在所述测量板上；所述测量板放置在所述水槽内，四角通过绳子连接在所述滑轮上；所述滑轮设置有四个，分别固定在所述水槽的顶部四角，用于控制所述测量板上升和下降；

所述图像采集与识别系统包括摄像机、数据传输线和装有图像合成与识别软件的电脑；所述摄像机用于实时拍摄记录模型沙淤积情况，所述摄像机通过所述数据传输线与所述电脑相连接，将信息实时传输给所述电脑。

2.根据权利要求1所述的一种水下抛泥模型试验地形实时测量系统，其特征在于，所述探针为直径2mm的金属针，分为上下两部分：上部设置有用于识别探针位置的标记，下部设置有用于测量抛泥形成的地形高度的刻度标识。

3.根据权利要求1所述的一种水下抛泥模型试验地形实时测量系统，其特征在于，所述摄像机设置有四台，均匀设置在所述水槽外；每台所述摄像机只记录四分之一的探针被覆盖的情况。

4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述的水下抛泥模型试验地形实时测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)遥控抛泥船模型开始抛模型沙，同时启动各台摄像机；

步骤(2)模型沙在水中先向四周扩散，而后几乎垂直下落，最终落淤于测量板上；

步骤(3)各台摄像机从不同方位同时对测量区域进行拍摄，并通过数据传输线将图像实时传输给电脑；

步骤(4)电脑接收到各台摄像机传输而来的图像，通过图像合成与识别软件逐个对图像中的探针进行识别，包括识别探针顶端颜色标记，进而得出探针坐标位置和识别探针露出部分长度，进而得出泥沙地形高度；

步骤(5)电脑通过图像合成与识别软件将不同坐标位置的泥沙地形高度汇总并通过插值计算测点之间的泥沙地形高度，最后每隔3分钟输出一张泥沙地形的三维图像。