CN116203277B - 基于ptv与piv技术的海表面小尺度流场测量方法 - Google Patents

基于ptv与piv技术的海表面小尺度流场测量方法 Download PDF

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Abstract

基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，包括无人机拍摄校准；待测区域连续图像拍摄；PTV方法初步分析得到锋面流速；PIV方法实现高精度的海表面流场分析，得到流场各点处的物理参量；利用灰度极值法求周期，计算深水波波速；将PIV流速与波浪传播速度相减得到每一固定点处水团流速；将锋面流速、流场各点处的物理参量、水团流速进行输出，即实现了海表面小尺度流场的测量。本发明将PTV与PIV技术用于海表面小尺度流场的测量，利用无人机进行拍摄是更高效简便的手段，在小于几公里的小尺度海面实现海表面流场的可视化，提供重要的观测数据，有利于后续对海表面运动过程与海水内部其他复杂化运动过程进行研究。

Description

基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，属于流场测量技术领域。
背景技术
海洋表面流场测量对于获取复杂水流运动信息至关重要。近年来，基于声学、电波、卫星遥感、粒子图像等非接触式测流仪器促进了流量自动化测量技术的发展，声学测量方式目前在海洋测量上应用较多，主要使用的是多普勒流速仪（ADCP）设备，ADCP分为走航式、底座式和水平式三种，由于测量盲区的存在，该仪器主要用于海表面以下的海水流速测量，它离海表层深约一到两米内流速是无法测量的，所以在分析的时候一般都是把水深两到三米处流速当做表层流速。但是通 过研究漂浮物漂移的速度发现，海表层的流速与海水内部的流速往往有很大区别，非常靠近表层的速度和水深以下两米的速度相差较大，即说明运用ADCP的方法测量表层流速误差较大，因此亟需寻找测量海表面流场的方法。
以往研究也有采用地波雷达和表面追踪浮标等进行海表面运动的观测。然而，这两种方法测量的表面流场范围在几十至几百公里之间，难以满足小尺度范围内流场的连续观测。此外，利用雷达多普勒效应实现流速测量时，其精度主要受测频精度和波浪两个因素影响，当海洋运动现象幅度大时，监测中存在测验适宜性弱、精度稳定性低、施测安全性差及测量结果不直观等问题，且雷达流速仪所需成本较高。
发明内容
本发明目的在于：为了获取准确的海表面小尺度流场，实现海表面流场的可视化，并降低成本，提供一种基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法。
为实现以上技术目的，本发明采用如下技术方案：
（1）无人机拍摄校准：
调节无人机拍摄参数，计算不同高度下无人机拍摄画面的实际尺寸，利用拍摄画面中已知尺寸的物体进行比较，得到校准系数，进而得到无人机拍摄画面的实际长宽与高度的对应关系。
其特征是还包括以下步骤：
（2）待测区域连续图像拍摄：
将无人机飞行至待测海面区域，调节无人机拍摄高度，固定无人机位置拍摄待测海面区域的水色图像。
（3）PTV（Particle Track Velocimetry, 粒子追踪测速法）方法初步分析：
根据图像的分辨率和帧率，运用校准系数计算实际拍摄图像尺寸大小，利用粒子跟踪测速技术PTV(Particle Track Velocimetry)分析待测海面区域锋面移动速度，具体做法是根据所拍摄图像的灰度值大小确认锋面位置，根据时间帧数确认实际时间，计算一段时间内锋面移动的实际距离与对应实际时间的比值，即海表面处锋面流速。
（4）PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法）方法实现高精度的海表面流场分析：
首先将图像中呈现的所有像素分割成m×n个窗口，根据粒子在水中不同的反光性，追踪窗口中的粒子，将每个窗口作为一个整体，利用粒子随时间的运动轨迹判断其运动状态，采用互相关算法分析出流场特征；针对表示海表面微小粒子的各个像素，运用PIVLAB软件，计算流场各点处的物理参量；所述物理参量包括流速、涡度、u方向速度，v方向速度，剪切速率，应变速率，切线速度等，可绘制流速分布图及速度曲线，实现海表面流场可视化。
（5）灰度极值法实现波浪速度的计算：
深水波波速与水深无关，只与波长有关，利用下列公式
Figure SMS_1
，/>
Figure SMS_2
，得到c与T的对应关系，其中，c深水波波速，λ深水波波长，g重力加速度，T深水波周期；因此若已知周期可实现波浪传播速度的计算，然后据此计算深水波波速。本发明中提出一种新的方法求周期——灰度极值法。
本发明的灰度极值法是一种根据图像固定像素点在一定时间内的灰度值变化求极值点个数，将该极值点个数等效为波峰数量，进而求波速的方法。具体步骤如下：首先利用MATLAB计算出一段时间内拍摄的各帧图像中各个像素点的灰度值，输出数据结果及灰度图；对于图像中的任意一个固定点，将该段时间内该固定点的灰度值变化输出，利用diff语句计算固定点灰度值变化曲线的极值点个数，该步骤中对极值点个数计算时采用低通滤波进行优化，排除小概率灰度值的干扰；极值点个数近似认为该固定点的波峰个数，根据时间得到波浪传播周期，计算出该固定点处的波浪传播速度，进而得到图像中每一个固定点的波浪传播速度即深水波波速。
（6）滤波后海表面水团流速的计算：
所述步骤（4）中利用PIV方法计算出的流场流速即海表面处水团和海表面处波浪的合速度，要想分析海表面水团流速需要进一步进行滤波，排除波浪因素的干扰。
通过所述步骤（4）得到的结果可知各固定点利用PIV方法得到的流速，又通过所述步骤（5）获得各固定点利用灰度极值法计算得到的波浪传播速度，将PIV流速与波浪传播速度相减得到每一固定点处水团流速，绘制整个图像的水团速度曲线。
（7）将步骤（3）得到的锋面流速、步骤（4）得到的流场各点处的物理参量、步骤（6）得到的水团流速进行输出，即实现了海表面小尺度流场的测量。
进一步的，在校准阶段可以多次测量，取不同尺寸的画面进行校准，以减小误差。
进一步的，进行一次校准后短时期内可不用再进行校准，同时，若要更改无人机拍摄模式需再次进行校准。
所述步骤（5）中，利用公式，c=得到c与T的对应关系为c=1.56T。
由于近海区海表面悬浮物浓度较高，因此海表面流场可以由水色图像清晰识别，利用无人机拍摄连续获得海表面水色图像，利用MATLAB软件以及PTV和PIV技术可计算出流场中流速分布、海表面流场涡度、散度等参量，实现海表面小尺度流场可视化。
本发明的有益效果在于：本发明基于PTV与PIV技术，将其利用于海表面小尺度流场的测量，利用无人机进行拍摄，相比于当前对海洋中海水运动现象研究主要有海面流场卫星遥感方法和基于紧凑型高频雷达的海表面流场探测等方法，卫星遥感进行流场测量方法的局限性在于不能进行小尺度海表面流场研究，而雷达的方法则面临测量费用过高以及不能进行小于几公里的海表面流场运动分析的问题。可见，利用无人机观测测量是更高效简便的手段，在小于几公里的小尺度海面实现海表面流场的可视化，提供重要的观测数据，有利于后续对海表面运动过程与海水内部其他复杂化运动过程进行研究。
附图说明
图1是基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场的测量方法的流程示意图。
图2是无人机拍摄图像的灰度图。
图3是PIV方法分析的流场图。
图4是PIV方法分析的流速分布图。
图5是图4的局部放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本方法的流程参见图1，包括以下步骤：
（1）无人机拍摄校准：
在有已知尺寸物体的场地放飞无人机，将实施例使用的无人机调整至full FOV拍摄模式，固定拍摄高度分别为40m、60m、80m、100m、120m，对区域场地进行拍摄，利用计算公式
Figure SMS_5
，/>
Figure SMS_6
与实际拍摄物体尺寸比较得出得出校准系数，进行校准后的计算结果可以将拍摄误差降低至5%以下；其中，/>
Figure SMS_8
区域场地实际长度，/>
Figure SMS_4
区域场地实际宽度，/>
Figure SMS_7
无人机高度，/>
Figure SMS_9
视场角，/>
Figure SMS_10
是无人机拍摄画面像素宽度，/>
Figure SMS_3
是无人机拍摄画面像素长度。
其特征还包括以下步骤：
（2）待测区域连续图像拍摄：
在气象条件合适的前提下，前往所需研究的海区，将无人机飞行至待测区域，调整至full FOV拍摄模式，根据所研究的海区面积，选择合适的校准后的拍摄高度，拍摄视频分辨率为3840×2160像素，视频格式没有具体要求，视频格式建议为mp4格式，固定无人机位置拍摄待测区域的水色图像，拍摄完成后将图像导入至可进行后续研究的设备中。
（3）PTV（Particle Track Velocimetry, 粒子追踪测速法）方法初步分析：
以黄河口锋面为例，根据图像的分辨率和帧率，运用校准后的公式计算实际拍摄画面尺寸大小，利用粒子跟踪测速技术PTV(Particle Track Velocimetry)分析黄河口锋面移动速度，具体做法是根据所拍摄画面图像的灰度值大小明确锋面位置，根据时间帧数明确实际时间，计算一定时间内锋面移动的实际距离与对应实际时间的比值，即海表面处锋面流速。
（4）PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法）方法实现更高精度的海表面流场分析：
PIV可实现高精度的流场分析，首先将图像中呈现的所有微小粒子分割成m×n个窗口，根据粒子在水中的亮度不同，追踪窗口中的粒子，将每个窗口作为一个整体，利用粒子随时间的运动轨迹判断其运动状态，采用互相关算法从而分析出流场特征。根据海表面的微小粒子，运用PIVLAB软件，计算各点处流场的物理参量，包括流速、涡度、u方向速度、v方向速度、剪切速率、应变速率、切线速度等，绘制流速分布图（如附图3、4、5所示）及速度曲线等，实现海表面流场可视化。
（5）灰度极值法实现波浪速度的计算：
深水波波速与水深无关，只与波长有关，利用下列公式
Figure SMS_11
，/>
Figure SMS_12
，得到c与T的对应关系，其中，c深水波波速，λ深水波波长，g重力加速度，T深水波周期；因此若已知周期可实现波浪传播速度的计算，然后据此计算深水波波速。本发明中提出一种新的方法求周期——灰度极值法，尤其适合在视频分辨率为4k的前提下（若降低分辨率会使误差加大）使用。
本发明的灰度极值法是一种根据图像固定像素点在一定时间内的灰度值变化求极值点个数，将该极值点个数等效为波峰数量，进而求波速的方法。具体步骤如下：首先利用MATLAB计算出一段时间内拍摄的各帧图像中各个像素点的灰度值，输出结果（如附图2所示）；对于图像中的任意一个固定点，将该段时间内该固定点的灰度值变化输出，利用diff语句计算该固定点灰度变化曲线的极值点个数，该步骤中对极值点个数计算时采用低通滤波进行优化，排除小概率灰度值的干扰；极值点个数近似认为波峰个数，根据时间得到该固定点处的波浪传播周期，计算出波浪传播速度，进而得到图像中每一个固定点的波浪传播速度即深水波波速。
（6）滤波后海表面水团流速的计算：
所述步骤（4）中用PIV方法计算得到的流场流速即海表面处水团和海表面处波浪的合速度，要想分析海表面水团流速需要进一步进行滤波，排除波浪因素的干扰。
通过所述步骤（4）得到的结果可知各固定点利用PIV方法计算得到的流速，又通过所述步骤（5）获得各固定点利用灰度极值法计算得到的波浪传播速度，将PIV流速与波浪传播速度相减得到点每一固定点处水团流速。
（7）将步骤（3）得到的锋面流速、步骤（4）得到的流场各点处的物理参量、步骤（6）得到的水团流速进行输出，即实现了海表面小尺度流场的测量。
在校准步骤中，校准的高度可根据实际要求以及人员的工作量确定需要校准的高度和数量，在研究要求精度高，人员充足的情况下，可划分更多的高度进行校准；在研究要求精度低，人员工作量大的情况下，可选择较少的高度进行校准。后续步骤同前。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，包括以下步骤：
（1）无人机拍摄校准：
调节无人机拍摄参数，计算不同高度下无人机拍摄画面的实际尺寸，利用拍摄画面中已知尺寸的物体进行比较，得到校准系数，进而得到无人机拍摄画面的实际长宽与高度的对应关系；
（2）待测区域连续图像拍摄：
将无人机飞行至待测海面区域，调节无人机拍摄高度，固定无人机位置拍摄待测海面区域的水色图像；
其特征是还包括以下步骤：
（3）PTV方法初步分析：
根据图像的分辨率和帧率，运用校准系数计算实际拍摄图像尺寸大小，利用PTV方法分析待测海面区域锋面移动速度；
（4）PIV方法实现高精度的海表面流场分析：
首先将图像中呈现的所有像素分割成m×n个窗口，根据粒子在水中不同的反光性，追踪窗口中的粒子，将每个窗口作为一个整体，利用粒子随时间的运动轨迹判断其运动状态，采用互相关算法分析出流场特征；针对表示海表面微小粒子的各个像素，运用PIVLAB软件，计算流场各点处的物理参量；
（5）灰度极值法实现波浪速度的计算：
利用灰度极值法求周期，利用公式
Figure QLYQS_1
，得到c与T的对应关系，计算深水波波速；
（6）滤波后海表面水团流速的计算：
通过所述步骤（4）得到的结果可知各固定点利用PIV方法得到的流速，又通过所述步骤（5）获得各固定点利用灰度极值法计算得到的波浪传播速度，将PIV流速与波浪传播速度相减得到每一固定点处水团流速，绘制整个图像的水团速度曲线；
（7）将步骤（3）得到的锋面流速、步骤（4）得到的流场各点处的物理参量、步骤（6）得到的水团流速进行输出，即实现了海表面小尺度流场的测量；
所述步骤（5）中，首先利用MATLAB计算出一段时间内拍摄的各帧图像中各个像素点的灰度值，输出数据结果及灰度图；对于图像中的任意一个固定点，将该段时间内该固定点的灰度值变化输出，利用diff语句计算固定点灰度值变化曲线的极值点个数，该步骤中对极值点个数计算时采用低通滤波进行优化，排除小概率灰度值的干扰；极值点个数近似认为该固定点的波峰个数，根据时间得到波浪传播周期，计算出该固定点处的波浪传播速度，进而得到图像中每一个固定点的波浪传播速度。
2.如权利要求1所述的基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，其特征是在所述步骤（1）的校准阶段通过多次测量，取不同尺寸的画面进行校准，以减小误差。
3.如权利要求1所述的基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，其特征是所述步骤（3）具体方法是根据所拍摄图像的灰度值大小确认锋面位置，根据时间帧数确认实际时间，计算一段时间内锋面移动的实际距离与对应实际时间的比值，即海表面处锋面流速。
4.如权利要求1所述的基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，其特征是所述步骤（5）中，利用公式
Figure QLYQS_2
得到c与T的对应关系为c=1.56T。
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