CN114838910A - 一种滑坡涌浪测量方法及模拟测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑坡涌浪测量方法，包括如下步骤：投影条纹图像在被测水体上，根据被测水体尺寸和像素尺寸的比例尺，确定图像横向比例尺和纵向比例尺；确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型；通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息；根据提取出的相位信息，通过相位高度映射模型得到滑坡涌浪水流运动高度分布。通过本发明可以实现通过傅里叶变换轮廓术可以得到实时的三维水面变化，得到全域的滑坡涌浪水流运动规律数据。

Description

一种滑坡涌浪测量方法及模拟测量装置

技术领域

本发明涉及滑坡涌浪领域，具体是一种滑坡涌浪测量方法及模拟测量装置。

背景技术

滑坡现象在我国许多地方都有发生，在滑坡体下方有水体时，则会产生由滑坡体引起的涌浪，涌浪的水流运动规律的研究有重要的意义，尤其是涌浪的波高、传播速度等因素。

目前的滑坡涌浪现象的实验研究主要是通过波高仪、压力传感器等浸入式仪器获得单点的水深及压力变化，对涌浪的全域水深变化还不能很好的得到实时的数据，而图像处理技术可以获得二维的涌浪水流运动规律，同时对三维的水流运动有直观的记录，但目前使用的图像处理技术还未能实时得到三维滑坡涌浪的变化数据，对滑坡涌浪的研究有较大的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种滑坡涌浪测量方法，包括如下步骤：

步骤一，投影条纹图像在被测水体上，根据被测水体尺寸和像素尺寸的比例尺，确定图像横向比例尺和纵向比例尺；

步骤二，确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型；

步骤三，通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息；

步骤四，根据提取出的相位信息，通过相位高度映射模型得到滑坡涌浪水流运动高度分布。

进一步的，所述的确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型，包括：

根据误差平方和最小原则，采用最小二乘法拟合，相位差和高度之间的关系满足：

其中z为物体高度坐标，

为截断相位差，通过已知三个标定平面与对应的相位之间的关系，确定拟合系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，得到相位高度映射模型。

进一步的，所述的通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息，包括如下过程：

从滑坡涌浪产生装置中水库一侧放入准备好的滑块，产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，逐帧提取视频为图片，通过傅里叶变化轮廓术提取图片中包含的相位信息。

进一步的，所述的通过傅里叶变化轮廓术提取图片中包含的相位信息，包括如下步骤：

a)读入图片并进行预处理，转变为灰度图像；

b)对灰度图像进行傅里叶变换；

c)选择滤波器，根据曲线斜率的变化得到基频中心的位置，根据确定的基频中心位置和基频宽度，对图片进行滤波处理，抑制图像中的噪声；

d)对滤波处理后的图像进行逆傅里叶变换，将图像从频域转化为时域，得到相位信息；

e)运动物体相位

减去参考平面相位

得到截断相位

通过菱形相位展开法展开截断相位，得到相位信息

一种滑坡涌浪模拟测量装置，包括滑坡涌浪产生装置、滑坡涌浪测量装置，所述的滑坡涌浪产生装置包括水库模拟装置、大坝模拟装置、滑坡体模拟装置；所述的大坝模拟装置设置在水库模拟装置一侧，所述的滑坡体模拟装置设置在水库模拟装置的水库边壁上；滑坡涌浪测量装置用于采集涌浪图像。

本发明的有益效果是：1、本发明采用基于图像处理的非浸入式水深测量技术，通过傅里叶变换轮廓术可以得到实时的三维水面变化，得到全域的滑坡涌浪水流运动规律数据。

2、本发明同时有滑坡涌浪产生装置和滑坡涌浪测量装置，可以实时的得到滑坡涌浪的水流运动规律信息，与传统的测量技术相比，本装置操作方便，响应时间快，对水面的干扰小，测量精度能够根据相机性能和测量方法不断优化，能够克服往常的测量水深只能点状测量、带状测量的问题，且相比以往的测量方式获取数据的实时性更强。

附图说明

图1为一种滑坡涌浪测量方法的流程示意图；

图2为滑坡涌浪模拟测量装置的原理示意图；

图3为傅里叶变换轮廓术光路示意图；

图4为滑坡体滑落过程示意图；

图5为滑坡体滑落高度示意图；

图6为滑涌浪翻坝过程图；

图7为涌浪翻坝高度示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种滑坡涌浪测量方法，包括如下步骤：

步骤一，投影条纹图像在被测水体上，根据被测水体尺寸和像素尺寸的比例尺，确定图像横向比例尺和纵向比例尺；其中的条纹图像作为衡量相位变化大小的工具，表观上条纹图案变形与面域高度息息相关；所述的比例尺指的是：横向上每一个像素距离与实际距离之比；确定方法：依据确定距离的标尺在横向与纵向上的实际距离与其所占的像素距离之比，确定横向与纵向的比例尺。

步骤二，确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型；

步骤三，通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息；

步骤四，根据提取出的相位信息，通过相位高度映射模型得到滑坡涌浪水流运动高度分布。

所述的确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型，包括：

根据误差平方和最小原则，采用最小二乘法拟合，相位差和高度之间的关系满足：

其中z为物体高度坐标，

为截断相位差，通过已知三个标定平面与对应的相位之间的关系，确定拟合系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，得到相位高度映射模型。

所述的通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息，包括如下过程：

从滑坡涌浪产生装置中水库一侧放入准备好的滑块，产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，逐帧提取视频为图片，通过傅里叶变化轮廓术提取图片中包含的相位信息。

所述的通过傅里叶变化轮廓术提取图片中包含的相位信息，包括如下步骤：

a)读入图片并进行预处理，转变为灰度图像；

b)对灰度图像进行傅里叶变换；

c)选择滤波器，根据曲线斜率的变化得到基频中心的位置，根据确定的基频中心位置和基频宽度，对图片进行滤波处理，抑制图像中的噪声；

d)对滤波处理后的图像进行逆傅里叶变换，将图像从频域转化为时域，得到相位信息；

e)运动物体相位

减去参考平面相位

得到截断相位

通过菱形相位展开法展开截断相位，得到相位信息

一种滑坡涌浪模拟测量装置，包括滑坡涌浪产生装置、滑坡涌浪测量装置，所述的滑坡涌浪产生装置包括水库模拟装置、大坝模拟装置、滑坡体模拟装置；所述的大坝模拟装置设置在水库模拟装置一侧，所述的滑坡体模拟装置设置在水库模拟装置的水库边壁上；滑坡涌浪测量装置用于采集涌浪图像。

如附图2所示，滑坡涌浪测量系统主要由滑坡涌浪产生系统和滑坡涌浪测量系统组成。其中滑坡涌浪产生系统主要有水库、大坝和滑坡体，滑坡体放置在一侧水库边壁上，滑坡体落进水库后产生滑坡涌浪。滑坡涌浪测量系统主要有滑坡体及涌浪测量系统和大坝处涌浪测量系统，

两个系统均由中间的一台投影仪和布置在四周的相机构成。

由于条纹图案在水面会引起高光，影响条纹信息的获得，同时放置四台相机在投影仪周围，通过各个角度拍摄条纹图案以减少高光的影响，每一台相机与投影仪之间是独立的完整的条纹投影测量装置。

在实际测量范围中每一个位置均有四个对应的相位信息，通过四组对应的相位与高度的映射关系，得到该点实际高度，若该位置在该台相机表现为高光位置，则只考虑其余相机内该位置无高光的相位信息进行相位高度映射，

最终得到水流运动实时的全域水面高度信息。

傅里叶变化轮廓术的光路图如附图3所示，其中水面的坐标信息包含在相位信息里，水面上的A点对应的相位为

和对应基准面上的B点相位

之间的相位差

通过相位高度映射关系，可以得到A点的坐标信息z_t(x,y)。

条纹投影技术中的坐标z_t(x,y)与相位

的映射关系如下：

式中，a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系数，通过已知的相位信息和水位z坐标数据得到a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。

涌浪测量装置使用的是条纹投影结构光的非浸入式全域水深测量技术。其中非浸入式全域水深测量技术通过投影仪将光栅图案投影到参考平面与漫反射水面上，由于水面相对于参考平面有一定的高度，使得条纹得到调制，调制信息与水面距参考平面高度相关。通过CCD相机获得参考平面条纹分布、受水面高度调制的变形条纹分布，通过傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换，相位高度映射，得到水面的高度分布情况。测量原理图如附图2。

滑坡涌浪测量的主要内容如下：

(1)水体染色。将水体用钛白粉染成白色，使得水体具有漫反射的性质，水体染色后根据实际尺寸与像素尺寸的比例确定横向和纵向比例尺。

(2)确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数。其中高度和相位信息的变化大致呈线性关系，采用隐式相位高度映射时，不需要测量系统的结构性参数，根据误差平方和最小原则，采用最小二乘法拟合，其中相位差和高度之间的关系满足：

其中z为物体高度坐标，

为截断相位差，通过已知三个标定平面与对应的相位之间的关系，确定拟合系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，进而得到相位高度映射模型。

(3)确定相位高度映射模型系数之后，开启相机；

(4)从滑坡涌浪产生装置中水库一侧放入准备好的滑块，产生滑坡涌浪，利用图像处理软件，逐帧提取视频为图片格式，通过傅里叶变化轮廓术将图片中包换的相位信息提取出来，得到实时的滑坡涌浪水流运动过程。

傅里叶变换具体步骤如下：

a)读入图片并进行预处理，转变为灰度图像；

b)对图片进行傅里叶变换；

c)选择合适的滤波器。考虑到一个完整基频分量在频谱图中的总体变化趋势为先上升后下降，所以可以通过曲线斜率的变化来推断基频中心的位置，确定基频中心位置和基频宽度，对图片进行滤波处理。

d)逆傅里叶变换，将相位信息从频域转化为时域，得到相位信息；

e)运动物体相位减去参考平面相位得到截断相位，对截断相位进行展开，展开的方法有很多，如洪水填充法、菱形相位展开等，选取适合的相位展开方法得到相位信息；

f)根据相位高度模型确定运动水流的实时高度。

具体的，本实施例提供的实验装置如图2所示，其中水库全长2.4m，大坝长度0.3m，大坝高度0.3m，水库两侧边坡坡度为60°，水库高度为0.6m，水槽底面采用钢化玻璃，侧面采用PVC板，为了减少对图像获取的干扰，将实验水槽底面及立面均贴上黑膜。滑坡体为棱台体，密度为2100g/cm³，滑坡体上表面宽度为0.08m，下表面宽度为0.3m，滑坡体长度为0.3m。实验过程中，将滑坡体放置于水库边坡顶部滑下，水库内水体受到滑坡体影响产生涌浪。

一套滑坡体及涌浪测量装置主要包括一台投影仪与四台相机，其中相机与投影仪距水库底面高度为2.3m，其中固定相机与投影仪支架位置根据相机分辨率、投影仪分辨率和拍摄范围合理地进行安排；相机和投影仪的分辨率决定了拍摄范围和相机、投影仪架设高度。其中CCD相机分辨率为2992×2000，投影仪分辨率1920×1080。

本实施例中采用正弦条纹，频率为

相位高度映射模型：

已知高度的标定平面距离水库底面的竖直高度分别为0.1m、0.25m、0.3m，参考平面为水库底面，其对应的相位分别为：

通过已知高度的标定平面相位与高度信息，计算得出相位高度映射模型中系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)。

将水库蓄水0.3m，在实验开始前打开相机，将滑块,置于水库一侧边坡边壁上方自由滑下，录制滑块滑下至产生滑坡涌浪整个过程，捕捉水面的动态变化过程至水面恢复平稳，然后关闭相机。选取滑块下落至水库过程中1s滑块位置和5s时大坝位置图片如图4、图6对图片进行傅里叶变换轮廓术，步骤同前，得到对应时刻全域水面高度信息，如图5、图7所示，分别为滑坡体及大坝处全域水深数据示意图

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种滑坡涌浪测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，投影确定周期的条纹图像在被测水体上，根据被测水体尺寸和像素尺寸的比例，确定图像横向比例尺和纵向比例尺；

步骤二，确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型；

步骤三，通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息；

步骤四，根据提取出的相位信息，通过相位高度映射模型得到滑坡涌浪水流运动高度分布。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪测量方法，其特征在于，所述的确定滑坡涌浪测量装置中相位高度映射模型之中的系数，建立相位高度映射模型，包括：

根据误差平方和最小原则，采用最小二乘法拟合，相位差和高度之间的关系满足：

其中z为物体高度坐标，

为截断相位差，通过已知三个标定平面与对应的相位之间的关系，确定拟合系数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，得到相位高度映射模型。

3.根据权利要求1所述的一种滑坡涌浪测量方法，其特征在于，所述的通过滑坡涌浪产生装置产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，通过傅里叶变化轮廓术提取出图像中包含的相位信息，包括如下过程：

从滑坡涌浪产生装置中水库一侧放入准备好的滑块，产生滑坡涌浪，采集涌浪图像，逐帧提取视频为图片，通过傅里叶变化轮廓术提取图片中包含的相位信息。

4.根据权利要求3所述的一种滑坡涌浪测量方法，其特征在于，所述的通过傅里叶变化轮廓术提取图片中包含的相位信息，包括如下步骤：

a)读入图片并进行预处理，转变为灰度图像；

b)对灰度图像进行傅里叶变换；

c)选择滤波器，根据曲线斜率的变化得到基频中心的位置，根据确定的基频中心位置和基频宽度，对图片进行滤波处理，抑制图像中的噪声；

d)对滤波处理后的图像进行逆傅里叶变换，将图像从频域转化为时域，得到相位信息；

e)运动物体相位

减去参考平面相位

得到截断相位

通过菱形相位展开法展开截断相位，得到相位信息

5.一种滑坡涌浪模拟测量装置，其特征在于，包括滑坡涌浪产生装置、滑坡涌浪测量装置，所述的滑坡涌浪产生装置包括水库模拟装置、大坝模拟装置、滑坡体模拟装置；所述的大坝模拟装置设置在水库模拟装置一侧，所述的滑坡体模拟装置设置在水库模拟装置的水库边壁上；滑坡涌浪测量装置用于采集涌浪图像。

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