PTV技術(shù)在河流流速測量中的實驗研究.docx

1、第31卷第6期2011年12月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGYVol.3INo.6Dec.,2011PTV技術(shù)在河流流速測量中的實驗研究江杰，李剛(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)摘要：針對傳統(tǒng)浮標(biāo)法流速測驗技術(shù)的不足，引入牲子跟蹤測速技術(shù)，對河流流速測量進(jìn)行研究，并對所涉及的空間分辨率，目標(biāo)檢測，目標(biāo)跟蹤，流速計算四個方面技術(shù)進(jìn)行分析。最后就本文方法與傳統(tǒng)浮標(biāo)法在實臉室山溪性河流模型上做比對性試驗，結(jié)果表明兩種方法所測量的流速具有較好的一致性，具有解決傳統(tǒng)浮標(biāo)法固有缺陷的能力。關(guān)鍵詞：流速測量；目標(biāo)選擇；目標(biāo)跟蹤；粒子跟蹤測速技術(shù)中圖分類號:P332文獻(xiàn)

2、標(biāo)識碼:A文章編號：1000-0852(20II)06-0044-041引言1引言2PTV技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)(1)目前，河流流速測量有了K足發(fā)展，許多新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但由于不同地域水流情況的特殊性，有些傳統(tǒng)的人工測量方式仍在沿用，浮標(biāo)法水面流速測量就是其中一個例子。但傳統(tǒng)的浮標(biāo)法，主要依靠經(jīng)緯儀，或者全站儀，秒表，對講機等工具。因此，傳統(tǒng)浮標(biāo)法存在如下不利因素：(1) 需要多名工作人員協(xié)調(diào)配合完成，一般需要515名工作人員；(2) 在高洪測量:期間，河流流速變化范圍大，往往不能及時捕捉洪峰，因此測量精度大大減低。當(dāng)前，許多水文丁.作者把圖像處理技術(shù)引入到河流流速測U中，在國外,Fujit

3、a.I,J.D.Creutin,M.Jodeau等水文工作者對河流表面流速測驗進(jìn)行大量的研究，并在實際運行過程取得了不錯的效果II。國內(nèi)劉建軍，王文海等人在這方面也有類似的探索157,但至今尚沒有一個系統(tǒng)性的方案，可參考的案例更少。針對國內(nèi)山溪性河流流速測仙現(xiàn)狀，結(jié)合國外類似成功經(jīng)驗，對粒子跟蹤測速技術(shù)(Particletrackingvelocity,PTV)在河流流速測量方面的應(yīng)用進(jìn)行探索，并在實驗室山溪性河流模擬平臺上進(jìn)行驗證性試驗，以期能夠解決傳統(tǒng)浮標(biāo)法固有缺陷，促進(jìn)國內(nèi)在這方面的研究。PTV技術(shù)是通過監(jiān)測示蹤粒子的運動距離山和運動時間山，通過(式1)得到示蹤粒子的運動速度吐間接反映流

4、體流速。_Asv=aF在把PTV技術(shù)用于河流流速測量時，通常采用上游來的氣泡，麥秸，木樁，波浪，或者人工施加的浮標(biāo)作為跟蹤粒子。對這些漂浮物進(jìn)行實時監(jiān)控，得到其運動軌跡，并結(jié)合其運動時間，監(jiān)控視場的空間分辨率，浮標(biāo)系數(shù)，就可以得到河流表面的平均運動速度。因此,基于PTV技術(shù)的山溪性河流流速測雖所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有四個方面：空間分辨率的確定，運動目標(biāo)檢測，運動目標(biāo)跟蹤，以及軌跡分析。2.1空間分辨率的確定收稿日期：2011-06-15基金項目：內(nèi)蒙占自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項目(NJ0908D作者簡介：江杰(1959-),男.內(nèi)蒙古包頭人，教授級商工，主要研究方向為智能儀器及計算機應(yīng)用。E-mail

5、：jie5881I攝影測量學(xué)中，成像過程涉及世界坐標(biāo)系()9XvYvZv，攝像機坐標(biāo)系。法cZc，像平面物理坐標(biāo)系。占丫(單位為毫米)和圖像坐標(biāo)系ouvW位為像素)四個坐標(biāo)系。在山溪性河流流速測中，主要涉及像平面物理坐標(biāo)系和像平面坐標(biāo)系OUV兩個坐標(biāo)系，如圖1所示?？臻g分辨率的確定，就是確定這兩個坐標(biāo)系的關(guān)系，即確定視頻圖像上的兩個像素點的距離所代表的河流表面的實際物理距離。在圖1中，定義直角坐標(biāo)系。"V,每一個像素點坐標(biāo)分別是該像素在數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)。所以，（”,舟是以像素為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)。OUV坐標(biāo)系只表示像素的列數(shù)與行數(shù)，并沒有用物理量綱表示出該像素的位置，需要再建立

6、以物理單位為基礎(chǔ)的物理圖像坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系以圖像內(nèi)的某一點0,為原點,X軸與丫軸分別與軸平行。圖1圖像坐標(biāo)系與像平面物理坐標(biāo)系之間的關(guān)系Fig.lTherelationshipbetweenimagecoordinatesystemandphysiccoordinatesystem在QXV坐標(biāo)系中，原點0】定義在攝像機光軸與圖像平面的交點,該點一般位于圖像中心處。若0在0UV坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點為（知,如），每一個像素在X軸與Y軸方向上的物理尺寸為dx,dy,則圖像中任一個像素在兩個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)有如下關(guān)系：VU=-+Uo(2)在實際應(yīng)用中，通常攝像機的分辨率和河流監(jiān)控區(qū)域可以預(yù)先確定。通過（式3

7、）可以預(yù)先確定空間分辨率：R=l/Rl或者（3）R=h/Rh式中：R為物理空間的分辨率，單位m/s；Z為物理空間的K度，單位m；£為物理監(jiān)控場的寬度，單位m；也,Rh為圖像的分辨率,單位為像素。2.2運動目標(biāo)檢測對于目標(biāo)檢測過程，也就是把圖像中的運動目標(biāo)通過一定的圖像處理方法提取出來的過程，與數(shù)字圖像處理有著密切的關(guān)系，許多有關(guān)的方法與技術(shù)均可應(yīng)用于這一過程。目前，在PTV目標(biāo)檢測方面常用的方法是采用統(tǒng)一閥值的方法，對光照比較均勻的場合，取得了較好的效果;蔡毅，由長福等把模糊邏輯的方法引入到粒子識別中間,LipingShen等提出利用基于顆粒輪廓曲線提取與分割的方法，趙海亮等在文中采

8、用基于Hough變換的顆粒識別方法叫識別精度都得到了不同程度的提高，為實驗室流體分析作出了較大貢獻(xiàn)。針對山溪性河流的復(fù)雜性，江杰等人提出了基于混合高斯模型的背景差分法與幀間差分法相結(jié)合的河流表面漂浮物運動檢測方法四，在山溪性河流中取得了不錯的效果。2.3目標(biāo)跟蹤目標(biāo)跟蹤過程，即配對過程，是指在兩幅連續(xù)獲得的圖像中尋找相對應(yīng)的粒子。當(dāng)前主要采用的幾種PTV算法都主要是基于面積，位置，周長，形狀為匹配特征的BICC法、VGT法、SPRING法、4-FRAME法、3-FRAME法、2-FRAME法等，這些算法對實驗室中流場分析都做出了巨大的貢獻(xiàn)。但在山溪性河流中，尤其是洪流期間，表面漂浮物在運動過程

9、中速度、角度、加速度等參數(shù)不斷變化，運動特性表現(xiàn)為強機動。因此對這類表現(xiàn)為強機動特性的目標(biāo)進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的跟蹤對整個系統(tǒng)是否能紡實現(xiàn)顯得至關(guān)重要。2.4速度分析在山溪性河流中，尤其是在洪流情況下，結(jié)合跟蹤目標(biāo)的運動時間，如何把目標(biāo)運動速度準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為河流流速，關(guān)鍵是河流表面漂浮系數(shù)的確定。浮標(biāo)系數(shù)是影響浮標(biāo)測流成果精度的主要因素，浮標(biāo)系數(shù)是多因素影響的綜合參數(shù)，除測站測流河段的斷面形狀、水深、糙率、比降、水草、流態(tài)、上下游河道形勢（或稱測站控制條件）等幾何水力因素外，還受浮標(biāo)的制作材料、形式、出水高度、入水深度以及風(fēng)力、風(fēng)向等因素的影響。在分析研究一個測站浮標(biāo)系數(shù)時，應(yīng)全面考慮，具體分析，抓住其

10、中起主導(dǎo)作用的因素實驗分析。3實驗分析為了驗證本文所提出的算法，在實驗室搭建了山溪性河流模擬平臺。在目標(biāo)檢測方面，采用江杰提出的基于混合高斯模型的背景差分法與幀間差分法相結(jié)合的運動目標(biāo)檢測方法叫；在目標(biāo)跟蹤方面，主要基于以下思路：（1）在水流前進(jìn)方向上，尋找目標(biāo)：（2）如果水流運動方向上只有一個物體.就認(rèn)為是河堤'河流流向跟蹤目標(biāo)；如果有多個物體，尋找距離目標(biāo)最近的兩個目標(biāo)，并取兩個目標(biāo)中面積最接近者為被跟蹤目標(biāo)的目標(biāo)為跟蹤物體。3.1實驗硬件平臺為了驗證本文思路，在實驗室搭建驗證平臺，如圖2所示。序號流速/ms序砂流速/m/序號流速/mL序號流速/m-s'1序號速/序號流速/

11、m-s'1159.69854.971560.942260.902960.373659.12250.45954.921660.992357.643062.123760.49359.801058.981759.612460.563169.403863.19460.411154.461850.212563.193262.373956.70558.281263.201963.982660.573364.154053.98660.651360.512055.022754.703461.424152.73760.741467.002159.982853.323561.994255.32表1漂浮物的

12、流速對應(yīng)表Table1Thevelocitiesoflhefloaters圖2碩件平臺Eig.2Hiehardwareplatform本次設(shè)計為了簡化浮標(biāo)系數(shù)所帶來的各種影響，采用的漂浮物的材料是酚醛泡沫，假設(shè)浮標(biāo)系數(shù)為1。攝像機采用MV-VD036SM/SC,分辨率為744*480,監(jiān)控視場大小為視角為寬18.7cm,長(順?biāo)鞣较?為32.8cm,高(水面距離攝像頭鏡頭)為44.4cm.,因此可以根據(jù)式(3)預(yù)先確定空間分辨率R為：R=l/?Z=32.8cm/744pixel=0.044cm/pixel3.2實驗結(jié)果及分析在實驗室的模擬平臺上，對河流表面的單個漂浮物跟蹤之后得到的運動軌跡，

13、如圖3所示，其中，攝像機采樣率為10幀/s。其中，曲線為對水面上的一個漂浮物體進(jìn)行跟蹤河堤圖3河流表面漂浮物的運動軌跡Fig.3Thetrajectoryofthefloatersonriversurface得到的運動軌跡圖。根據(jù)式(4),可以得出物體在圖像平面上的移動距離s:s=7(4)式中表示物體在監(jiān)控視場內(nèi)運動的起始像素坐標(biāo)；(%,/)表示物體離開監(jiān)控視場的終止像素坐標(biāo)。結(jié)合空間像素分辨率和式(5),可以得出物體在空間平面上移動的距離0,單位cm。D=s*R(5)因此，河流的表面水流速度七等于：g份式中/為采樣率。當(dāng)前采用的F=0f/s,因此v=l0Dcm/so在試驗中對42個河流表面漂

14、浮物進(jìn)行監(jiān)測，得到的流速如表1所示。對經(jīng)典時差法與本文所提方法所測定的流速進(jìn)行對比(見圖4)。其中，基于PTV法所測定河流平均流速為59.2cm/s,直線1表示經(jīng)典時差法得到的水流流速65cm/s曲線2表示基于PTV技術(shù)得到的水流流速65510152025303540漂浮物序號圖4經(jīng)典浮標(biāo)法與基于PTV技術(shù)所測定的流速對比圖Fig.4ThevelocitycomparisonbetweenthetraditionalbuoymethodandPTVtechnology相對誤差=1實測河流流速-經(jīng)典時差法測定河流流速1/經(jīng)典時差法測定流速*100%=159.2-651/65*100%=8.9%結(jié)

15、果表明，采用PTV技術(shù)測定的河流流速與經(jīng)典浮標(biāo)法所測定的河流流速比較接近，誤差在工程允許的范圍內(nèi)。4結(jié)論本文針對傳統(tǒng)浮標(biāo)法的缺陷，結(jié)合國外在山溪性河流流速測量的成功經(jīng)驗，對基于PTV技術(shù)的山溪性河流流速測量方法進(jìn)行研究。并在實驗室山溪性河流模擬平臺上進(jìn)行了驗證性試驗，試驗結(jié)果表明該方法具有克服傳統(tǒng)浮標(biāo)法固有缺陷的能力。參考文獻(xiàn)：1JM.Jodeaua,A.Hauet.ApplicationandevaluationofL5-PIVtechniqueforthemonitoringofriversurfacevelocitiesinhighflowconditions|J|.FlowMeasur

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