CN110553630B - 一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本发明的基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，包括以下步骤：（1）制作长方形框架，焊接网格；（2）在钢丝网网线交点系纺织线；（3）对系有纺织线的交点进行编号；（4）将长方形框架水平放置于将形成冲坑位置正上方足够高度处；（5）在合适的角度拍摄照片，使照片中能够显示完整的地形、框架、钢丝线、纺织线；（6）将图片置于CAD中，延长任意一条纺织线，使其与地形线相交，求得延长线的长度即可求得该点地形高程；（7）将不同时刻的照片进行上述处理，可以得出不同时刻三维冲坑底坡地形图。本发明的一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，能实时（动态）演变过程，经济方便，精度较高。

Description

一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，属于水利水电工程领域。
背景技术
挑射流水舌与下游河道或坝基处的水流衔接势必形成冲刷坑。众所周知，对于挑射流而言，能量的耗散在于来流至消能工前段、空中消能和下游旋滚冲刷耗能三部分，而约有50％-80％的能量却是在冲刷坑中消散。巨大不稳定的动水压力脉动、掺气、紊动和淹没旋滚等多种复杂水力条件混掺以及多尺度的河床空间地质条件，使得冲刷坑在形成过程中对河道冲刷以及结构稳定带来不同程度的威胁和危害。
挑射流下游冲刷坑的冲刷特性牵涉到，固(岩石)-液(水)-气(空气)三相。与冲刷坑形状相关的一些特征参数是目前主要的研究问题，其中，最大冲坑深度这一重要特征倍受关注。具体的冲坑形状包括最大冲坑深度等重要特征参数量测十分复杂。目前水工模型试验的现有技术对挑射流下游冲坑的量测一般是在持续冲刷数小时后，待冲坑达到平衡后对地形进行量测，不同实时监测冲坑的演变过程，并且量测的仪器均为常规卷尺，测量的冲坑形状、最大冲坑深度和最大淤积高度等重要指标的精度不能得到保证。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，能实时(动态)演变过程，经济方便，精度较高。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，包括以下步骤：
(1)制作长方形框架，框架面积能够覆盖整个冲坑范围，在框架上焊接钢丝网，使钢丝网的网线分别与长方形框架的长、宽平行，每个钢丝网格尺寸为2cm×2cm；
(2)每隔4cm，在钢丝网网线交点系纺织线，每排纺织线涂抹相同颜色并具有相同长度，不同排的纺织线的颜色、长度均不同，纺织线的另一端系沉块；
(3)对系有纺织线的交点进行编号，横向以x表示，纵向以y表示，则任何一个纺织线所在的水平面上的位置为(xi，yj)，i、j为横向和纵向纺织点的个数；
(4)将长方形框架水平放置于将形成冲坑位置正上方足够高度处，使长方形框架整体不影响挑射流的水舌；
(5)在合适的角度拍摄照片，使照片中能够显示完整的地形、框架、钢丝线、纺织线；
(6)将图片置于CAD中，延长任意一条纺织线，使其与地形线相交，求得延长线的长度即可求得该点地形高程；
(7)将不同时刻的照片进行上述处理，可以得出不同时刻三维冲坑底坡地形图。
作为优选，所述步骤(6)求解过程细分如下：①求解纺织线编号为(xi,yj)正下方所对应冲坑底坡高程，设(xi,yj)、(xi-1,yj)对应交点处分别为c、a，(xi-1,yj)纺织线另一端为b，延长编号为(xi,yj)的纺织线，使其与地形相交于d点，延长图片中长方形框架实际平行的两条线，分别交于j点和k点，连接j、k点，连接a、c点并延长与jk线交于l点，连接l、b并延长与cd交于m点，延长线ab和线cd，交于i点；②在CAD中分别测算出线im、id、cm、cd；③在现实中以大写字母表示相应位置对应的点(假设平行线的交点在无穷远处)；④根据摄像头成像规律：三维空间投影而二维的图像上，直线交比不变。则可以得到公式1：
Figure BDA0002195142820000021
IM、ID为无穷大，则IM/ID为1，CM长度即为(xi-1,yj)所对应纺织线长度，因此可以计算出CD；⑤根据上述方法，可以依次求解出任一纺织线正下方所对应冲坑底坡与长方形框架的高差；⑥以地面为0-0面，量测出长方形框架高程，并分别减去上述高差，即可得对应点的高程zk；
作为优选，所述步骤(7)方法为：任意编号(xi，yj)的交点平面坐标为(2×i，2×j)(单位：厘米)，则可得任意编号(xi，yj)的交点正下方底坡坐标：(2×i，2×j，zk)；将一系列冲坑底坡坐标导入CAD，并线性插值即可得出完整的三维冲坑底坡地形图，将不同时刻的照片进行上述处理，可以得出不同时刻三维冲坑底坡地形图。建立图片中长度与现实中的长度关系，图片量取图片中的线段长度，反算出现实中线条的长度，由此，可以得到地形高度。通过不同时刻实际高程淤积减去初始时候地形高程就是淤积高度，而水体式透明的，可以拍摄到实际冲刷坑的深度，在图片中可以明显分辨出来，在图片中，可以对纺织线进行延长直至与地形相交，计算各线条的长度，可以得到实际地形高程。
有益效果：本发明的基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，能够实现挑射流冲坑地形非接触式测算，避免接触式地形测量对水流运动的扰动，影响试验效果和测量精度；同时，通过对不同时刻图片的批量处理，实现挑射流冲坑地形动态演变，对研究挑射流冲坑形成机理具有较大意义。
附图说明
图1为长方形标准框架三维图。
图2为长方形标准框架前视图。
图3为长方形标准框架右视图。
图4为现实中(xi，yj)交点至底坡的直线及底坡相邻纺织线图。
图5为照片中(xi，yj)交点至底坡的直线及底坡相邻纺织线概化图。
图中：1为纺织线，3为XOY平面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图5所示，一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时(动态)监测方法，包括以下步骤：
1制作长方形框架，框架面积能够覆盖整个冲坑范围，在框架上焊接钢丝网，使钢丝网的网线分别与长方形框架的长、宽平行，每个钢丝网格尺寸为2cm×2cm；
2每隔4cm，在钢丝网网线交点系纺织线(受力拉直)，每排纺织线涂抹相同颜色并具有相同长度，不同排的纺织线的颜色、长度均不同，纺织线的另一端系小螺母(图1、图2、图3)；
3对系有纺织线的交点进行编号，横向以x表示，纵向以y表示，则任何一个纺织线所在的水平面上的位置为(xi，yj)；
4将长方形框架水平放置于将形成冲坑位置正上方足够高度处，使长方形框架整体不影响挑射流的水舌；
5在合适的角度拍摄照片，使照片中能够显示完整的地形、框架、钢丝线、纺织线；
6将图片置于CAD中，延长任意一条纺织线，使其与地形线相交，求得延长线的长度即可求得该点地形高程，求解过程细分如下：
①求解纺织线编号为(xi,yj)正下方所对应冲坑底坡高程，设(xi,yj)、(xi-1,yj)对应交点分别为c、a，(xi-1,yj)纺织线另一端为b。在照片中，延长编号为(xi,yj)纺织线，使其与地形相交于d点，延长图片中长方形框架实际平行的两条线，分别交于j点和k点，连接j、k点，连接a、c点并延长与jk线交于l点，连接l、b并延长与cd交于m点，延长线ab和线cd，交于i点(如图4、图5，1-(xi,yj)交点至正下方冲坑底坡连线；2-(xi-1,yj)交点纺织线；3-长方体标准框架)；
②在CAD中分别测算出线im、id、cm、cd；
③在现实中以大写字母表示相应位置对应的点(假设平行线的交点在无穷远处)；
④根据摄像头成像规律：三维空间投影而二维的图像上，直线交比不变。则可以得到公式1：
Figure BDA0002195142820000041
IM、ID为无穷大，则IM/ID为1，CM长度即为(xi-1,yj)所对应纺织线长度，因此可以计算出CD；
⑤根据上述方法，可以依次求解出任一纺织线正下方所对应冲坑底坡与长方形框架的高差；
⑥以地面为0-0面，量测出长方形框架高程，并分别减去上述高差，即可得对应点的高程zk；
7任意编号(xi，yj)的交点平面坐标为(2×i，2×j)(单位：厘米)，则可得任意编号(xi，yj)的交点正下方底坡坐标：(xi，yj，zk)；
8将一系列冲坑底坡坐标导入CAD，并线性插值即可得出完整的三维冲坑底坡地形图；
9将不同时刻的照片进行上述处理，可以得出不同时刻三维冲坑底坡地形图。
同排(列)相邻纺织线间水平距离可根据实际情况设置，对精度要求高的冲坑地形，则同排(列)相邻纺织线间水平距离设置更小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)制作长方形框架，框架面积能够覆盖整个冲坑范围，在框架上焊接钢丝网，使钢丝网的网线分别与长方形框架的长、宽平行，每个钢丝网格尺寸为2cm×2cm；
(2)每隔4cm，在钢丝网网线交点系纺织线，每排纺织线涂抹相同颜色并具有相同长度，不同排的纺织线的颜色、长度均不同，纺织线的另一端系沉块；
(3)对系有纺织线的交点进行编号，横向以x表示，纵向以y表示，则任何一个纺织线所在的水平面上的位置为(xi，yj)，i、j为横向和纵向纺织点的个数；
(4)将长方形框架水平放置于将形成冲坑位置正上方足够高度处，使长方形框架整体不影响挑射流的水舌；
(5)在合适的角度拍摄照片，使照片中能够显示完整的地形、框架、钢丝线、纺织线；
(6)将图片置于CAD中，延长任意一条纺织线，使其与地形线相交，求得延长线的长度即可求得延长线与地形线的交点的地形高程；
(7)将不同时刻的照片进行上述处理，可以得出不同时刻三维冲坑底坡地形图。
2.根据权利要求1所述的基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，其特征在于：所述步骤(6)求解过程细分如下：①求解纺织线编号为(xi,yj)正下方所对应冲坑底坡高程，设(xi,yj)、(xi-1,yj)对应交点处分别为c、a，(xi-1,yj)纺织线另一端为b，延长编号为(xi,yj)的纺织线，使其与地形相交于d点，延长图片中长方形框架实际平行的两条线，分别交于j点和k点，连接j、k点，连接a、c点并延长与jk线交于l点，连接l、b并延长与cd交于m点，延长线ab和线cd，交于i点；②在CAD中分别测算出线im、id、cm、cd；③在现实中以大写字母表示相应位置对应的点，假设平行线的交点在无穷远处；④根据摄像头成像规律：三维空间投影而二维的图像上，直线交比不变，则可以得到公式(1)：
Figure FDA0003044275660000011
IM、ID为无穷大，则IM/ID为1，CM长度即为(xi-1,yj)所对应纺织线长度，因此可以计算出CD；⑤根据上述方法，可以依次求解出任一纺织线正下方所对应冲坑底坡与长方形框架的高差；⑥以地面为0-0面，量测出长方形框架高程，并分别减去上述高差，即可得对应点的高程zk。
3.根据权利要求1所述的基于图片处理的挑射流冲坑地形演变实时监测方法，其特征在于：所述步骤(7)方法为：任意编号(xi，yj)的交点平面坐标为(2×i，2×j)，单位为厘米，则可得任意编号(xi，yj)的交点正下方底坡坐标：(2×i，2×j，zk)；将一系列冲坑底坡坐标导入CAD，并线性插值即可得出完整的三维冲坑底坡地形图，将不同时刻的照片进行上述处理，可以得出不同时刻三维冲坑底坡地形图。
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