CN114878405A - 一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置及方法，该方法包括步骤：S1、混匀PE塑料颗粒和表面活性剂，得模拟藻源性颗粒的颗粒物A；S2、分隔玻璃水箱内混合注水，加入颗粒物A，利用垂向紊动装置扰动水体；S3、扰动结束后利用视觉识别装置拍照，并上传至电脑；S4、对上传至电脑的图像进行灰度变换，转换为灰度图像；S5、裁剪灰度图像中的目标区域图像，利用最优阈值对该目标区域图像进行二值化处理；S6、测量二值化处理后的目标区域图像中黑色色块占总色块的比例，换算得到等效浊度。本发明解决了传统测量方法有接触、有扰动、改变固液量、有时程偏差、无法垂向连续测量、需取样标定、经济不合理的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及浅水湖泊中水华分布的测量方法技术领域，尤其涉及一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置及方法。
背景技术
蓝藻水华是藻类大量繁殖引起的环境现象，蓝藻水华的发生不仅制约了湖泊水资源的可利用性，而且直接危害着人类的健康生存。蓝藻在湖泊中较为常见的有微囊藻属(Microcystis)、色球藻属(Chroococcus)、鱼腥藻属(Anabaena)等，微囊藻属的优势地位在国内外各大湖泊中表现明显，因此受到学者的广泛关注。静水条件下，含有伪空胞的微囊藻具有浮力，通过调节自身在水体中的垂直分布，克服水体因为热分层导致的垂直方向上光与营养物质的分离以适应外界环境的变化，形成优势生长。在自然水体中，微囊藻在水体中的上浮下沉不仅受到自身调节能力的影响，还受到诸如水体扰动引起的水力携带、剪切作用等的控制。
研究藻源性颗粒物的垂向运动规律需要用到各类垂向紊动装置，通过取样分析、接触式传感技术或非接触手持荧光探照等方法测定藻源性颗粒物的密度，进而分析垂向分布。取样分析在不同时间抽取不同水位样品，通过浊度测量、叶绿素指标测量或烘干称重等方法测量样品的浊度指标、叶绿素指标或质量指标等，以代表藻源性颗粒物的密度。接触式传感技术通过抽取样品测量上述指标，或直接放置于相应水体中进行接触式测量，亦可达成指标测量的目的。最为先进的非接触手持荧光探照通过发射相应波段的光线使发生荧光反应，进而采集叶绿素指标等指标。
但是，取样分析在不同水位布置了取样管以抽取样品，藻液样品一般不会返回原装置中，改变了总的固液量，且连续抽样的情况下取出藻液的总体积较大，对实验产生了较大的干扰。同时，抽取出的藻液储存不便且极易发生变质，进而导致测量结果发生偏差。并且，取样过程对水体产生了难以计量、只能作忽略处理的扰动，在静置上浮的过程中这样的扰动效应尤为明显。总体而言，取样分析是一种流程复杂、耗时较长、精度较差，但可用于粗略分析的一种测定方法。接触式传感技术可以实现在不影响微囊藻数量的情况下对微囊藻密度进行测量，然而依然无法避免对水体的扰动。非接触手持荧光探照需要事先取样标定，对水体的扰动相对较少，但非藻类的粒子无法用此方法进行密度测量，且一次只能对某一水位的藻源性颗粒物密度进行局部单次测量，造成不同水位测定结果时程上的偏差，也无法实现垂向连续测量。此外，非接触手持荧光探照仪一般成本较高，不经济。
发明内容
本发明意在提供一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置及方法，针对现有技术易变质、有接触、有扰动、改变固液量、有时程偏差、无法垂向连续测量、需取样标定、经济不合理的缺陷，以更先进的方式测量藻源性颗粒物的垂向分布。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置，包括垂向紊动装置和视觉识别装置，所述视觉识别装置包括可调三脚架和摄像装置，所述垂向紊动装置包括钢铁支架、分隔玻璃水箱和电机，所述电机安装于所述钢铁支架顶部，所述电机的输出轴连接有转动杆，所述转动杆的自由端铰接有传动杆，所述传动杆的自由端铰接有固定杆，所述固定杆的下部固接有横杆，所述横杆的两端均设有滑轮，且横杆两端的滑轮与分隔玻璃水箱的左侧腔室的侧壁滑动连接，所述固定杆的下端连接有浮体，其特征在于：所述分隔玻璃水箱的左侧腔室外壁下侧设有给排水出入口，所述分隔玻璃水箱的右侧腔室外壁贴有标准刻度尺且设有取样高程开口，所述分隔玻璃水箱的背部设有白色背景层；所述摄像装置包括CCD工业摄像机及布置在CCD工业摄像机周围的LED圆形光圈。
本发明的另一目的在于提供一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，利用上述的测量装置，包括以下步骤：
S1、混匀PE塑料颗粒和表面活性剂，得模拟藻源性颗粒的颗粒物A；
S2、分隔玻璃水箱内混合注水，加入颗粒物A，利用垂向紊动装置扰动水体；
S3、扰动结束后利用视觉识别装置拍照，并上传至电脑；
S4、对上传至电脑的图像进行灰度变换，转换为灰度图像；
S5、裁剪灰度图像中的目标区域图像，利用最优阈值对该目标区域图像进行二值化处理；
S6、测量二值化处理后的目标区域图像中黑色色块占总色块的比例，换算得到等效浊度。
进一步，所述表面活性剂为APG表面活性剂。
进一步，所述PE塑料颗粒和表面活性剂的质量比为1：13.75。
进一步，所述颗粒物A和注水质量之比为1：3000。
进一步，利用垂向紊动装置扰动水体时，振幅小于30cm，周期2-4S。
本发明的有益效果是：
本发明运用PE塑料颗粒替代藻源性颗粒物，通过垂向紊动装置和视觉识别装置模拟水体紊动并进行拍照，利用电脑软件对拍照图像进行处理，得到等效浊度，即藻源性颗粒物密度。相比取样分析方法，本方法整个流程简单、耗时短，水体不易变质，避免取样扰动水体，不改变固液量，测量精度高；相比接触式传感技术，本方法避免了扰动水体，测量精度高；相比非接触手持荧光探照，本方法避免了不同水位测定结果时程上的偏差，能实现垂向连续测量，且成本低，经济效益好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置的右视图；
图2为本发明实施例提供的垂向紊动装置的正视图；
图3为本发明实施例提供的拍摄图像的灰度图；
图4为本发明实施例提供的灰度图的裁剪图；
图5为本发明实施例提供的裁剪图的二值化图；
图6为本发明实施例提供的静水上浮过程中藻源性颗粒物垂向分布测量结果表；
图7为本发明实施例提供的静水上浮过程中藻源性颗粒物垂向分布测量结果图；
其中，附图标记包括：1、钢铁支架；2、电机；3、频率控制箱；4、转动杆；5、传动杆；6、固定杆；7、横杆；8、滑轮；9、浮体；10、分隔玻璃水箱；11、给排水出入口；12、取样高程开口；13、点阵标定板。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1和图2所示，一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置，包括垂向紊动装置和视觉识别装置，视觉识别装置包括可调三脚架和摄像装置，垂向紊动装置包括钢铁支架1、分隔玻璃水箱10和电机2，钢铁支架1高180cm，电机2安装于钢铁支架1顶部，钢铁支架1的一侧还安装有电机2的频率控制箱3，电机2的输出轴固定连接有转动杆4，转动杆4长26cm，转动杆4的自由端铰接有传动杆5，传动杆5长60cm，传动杆5的自由端铰接有固定杆6，固定杆6长35cm，固定杆6的下部固接有两根横杆7，横杆7的两端均设有滑轮8，滑轮8共4对，且横杆7两端的滑轮8与分隔玻璃水箱10的左侧腔室的侧壁滑动连接，固定杆6的下端连接有浮体9，浮体9的尺寸为29×29×10cm，分隔玻璃水箱10的尺寸为60×30×150cm，分隔玻璃水箱10的左侧腔室、右侧腔室的上部均开口，开口尺寸为30×30cm。分隔玻璃水箱10的左侧腔室外壁下侧设有给排水出入口11，便于给排水与清洁，分隔玻璃水箱10的右侧腔室外壁贴有标准刻度尺且设有取样高程开口12，避免内置管道晃动对水流流态的影响，同时也保留了原有的取样功能。分隔玻璃水箱10的背部设有白色背景层，白色背景层可通过刷白漆或布置白板实现，用于提高黑色PE颗粒的显示度，便于二值化处理；分隔玻璃水箱10的背部还可布置点阵标定板13，用于进行张友正变换。摄像装置包括CCD工业摄像机及布置在CCD工业摄像机周围的LED圆形光圈，CCD工业摄像机采用高清500万CCD机器视觉摄像头及5mm无畸变高清工业镜头，镜头相距分隔玻璃水箱102.5m，安装高度为0.5m，LED圆形光圈能进行光线补充，用于减少光线不足时的图像噪点。
一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，利用上述的测量装置，包括以下步骤：
S1、混匀PE塑料颗粒和表面活性剂，得模拟藻源性颗粒的颗粒物A；
藻源性颗粒物的垂向运动受多种因素的影响，包括容重、粒径、温度、水流流态、生物化学特性等。但在短期实验中(4h内)，藻源性颗粒物的物理力学特性对其垂向运动规律产主导的作用，因而可以忽略其生物化学特性的影响。PE塑料颗粒具有粒径可控，密度、形状与藻源性颗粒物相似，不发生变质，易于长时间保存等特点，因而可以直接代替藻源性颗粒物进行物理力学特性方面的研究。并且，PE塑料颗粒为纯黑色，利于计算机视觉识别处理。
由于有机物质直接投放入水中时，具有自发内聚的性质，将会发生絮凝作用，必须加入表面活性剂。又由于表面活性剂在加入水中时易起泡，影响实验观测，故而选用APG表面活性剂，在解决问题的同时也能够较少地起泡。
具体的，在500ml烧杯中加入4gPE塑料颗粒，PE塑料颗粒目数为60，并加入55gAPG表面活性剂，加入适量自来水摇匀。
S2、分隔玻璃水箱10内混合注水，加入颗粒物A，利用垂向紊动装置扰动水体；
具体的，通过给排水出入口11向分隔玻璃水箱10内注入160L左右的自来水，将烧杯内的液体倒入分隔玻璃水箱10内，并将分隔玻璃水箱10内的水加至180L。采用垂向紊动装置进行振幅为26cm，周期为2s的扰动，持续10分钟，使水箱内颗粒、表面活性剂与水混合均匀。
S3、扰动结束后利用视觉识别装置拍照，并上传至电脑；
具体的，在停止扰动后的0min,5min,10min,30min,60min,120min，打开LED圆形光圈，采用CCD工业摄像机拍照，并上传至电脑。
S4、对上传至电脑的图像进行灰度变换，转换为灰度图像；
具体的，如果摄像光线差，噪点多，则可以先进行降噪滤波和图像平滑；如果采用广角相机，图像透视变形情况差，则可以先进行透视变换；如果拍摄视角倾斜，则可以先进行平面变换。在使用本实施例中提出的垂向紊动与视觉识别一体化装置时，因为摄像质量较高，摄像机本身可以方便地进行自动调节和自动修正，可不进行上述可选内容。图1中展示的张友正标定板为使用张友正标定法时才需要装配的部件，如不进行平面变换，亦可不装配。
对上传电脑的图像使用Photoshop进行输出灰度图，如图3所示。
S5、裁剪灰度图像中的目标区域图像，利用最优阈值对该目标区域图像进行二值化处理；
具体的，对灰度图像使用Photoshop进行图像裁剪，裁剪出所需要测量颗粒物浓度的区域，区域宽度选取1cm，如图4所示；对裁剪处的区域使用Photoshop采用阈值为70的二值化，如图5所示。
S6、测量二值化处理后的目标区域图像中黑色色块占总色块的比例，换算得到等效浊度。
具体的，对目标区域图像使用Photoshop选取色彩范围(黑色或白色)，分析对应面积，计算黑色像素面积所占的比例，计算的得到的比例乘以200即为等效浊度。
以1cm为分隔单位，测量表层1cm、表层以下10、30、60、80、90cm(分别记为点位1～6)的等效浊度，即藻源性颗粒物密度，测量过程重复S5和S6。实验结束后，利用给排水装置出入口排出水体，最后对玻璃水箱进行冲洗清洁。得到图6所示的总结数据表1，以及图7所示的绘制图样。
另外，在进行垂向紊动的控制时，振幅与周期的范围是针对太湖风生波的结果确定的，其振幅小于30cm，周期2-4S；装置水深是依据浅水湖的常见水深设置的；加入PE塑料颗粒的质量为依据实验效果和经验确定的常用值；设置阈值时以展现颗粒物的清晰轮廓为准。上述的相关参数均可依照实际需要进行修改。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量装置，包括垂向紊动装置和视觉识别装置，所述视觉识别装置包括可调三脚架和摄像装置，所述垂向紊动装置包括钢铁支架(1)、分隔玻璃水箱(10)和电机(2)，所述电机(2)安装于所述钢铁支架(1)顶部，所述电机(2)的输出轴连接有转动杆(4)，所述转动杆(4)的自由端铰接有传动杆(5)，所述传动杆(5)的自由端铰接有固定杆(6)，所述固定杆(6)的下部固接有横杆(7)，所述横杆(7)的两端均设有滑轮(8)，且横杆(7)两端的滑轮(8)与分隔玻璃水箱(10)的左侧腔室的侧壁滑动连接，所述固定杆(6)的下端连接有浮体(9)，其特征在于：所述分隔玻璃水箱(10)的左侧腔室外壁下侧设有给排水出入口(11)，所述分隔玻璃水箱(10)的右侧腔室外壁贴有标准刻度尺且设有取样高程开口(12)，所述分隔玻璃水箱(10)的背部设有白色背景层；所述摄像装置包括CCD工业摄像机及布置在CCD工业摄像机周围的LED圆形光圈。
2.一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，其特征在于，利用权利要求1所述的测量装置，包括以下步骤：
S1、混匀PE塑料颗粒和表面活性剂，得模拟藻源性颗粒的颗粒物A；
S2、分隔玻璃水箱(10)内混合注水，加入颗粒物A，利用垂向紊动装置扰动水体；
S3、扰动结束后利用视觉识别装置拍照，并上传至电脑；
S4、对上传至电脑的图像进行灰度变换，转换为灰度图像；
S5、裁剪灰度图像中的目标区域图像，利用最优阈值对该目标区域图像进行二值化处理；
S6、测量二值化处理后的目标区域图像中黑色色块占总色块的比例，换算得到等效浊度。
3.根据权利要求2所述的一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，其特征在于：所述表面活性剂为APG表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，其特征在于：所述PE塑料颗粒和表面活性剂的质量比为1：13.75。
5.根据权利要求2所述的一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，其特征在于：所述颗粒物A和注水质量之比为1：3000。
6.根据权利要求2所述的一种基于塑料颗粒识别的蓝藻垂向分布测量方法，其特征在于：利用垂向紊动装置扰动水体时，振幅小于30cm，周期2-4S。
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|---|---|---|---|---|
| CN116930182A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-10-24 | 江苏海洋大学 | 养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法 |
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2022
- 2022-05-05 CN CN202210480872.7A patent/CN114878405A/zh active Pending
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| CN116930182B (zh) * | 2023-07-17 | 2024-04-05 | 江苏海洋大学 | 养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法 |
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