非均匀推移质运动参数提取

许琳娟，刘春晶，曹文洪，陈远超，鲁 婧，秦俊桃

（1.中国水利水电科学研究院流 域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048：2.中国水利水电科学研究院 水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京 100048：3.中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048：4.中国船舰研究设计中心，湖北 武汉 430064：5.北京华禹仟融水务技术咨询有限公司，北京 100038）

非均匀推移质运动参数提取

许琳娟1，2，3，刘春晶1，2，3，曹文洪1，2，3，陈远超4，鲁 婧1，2，3，秦俊桃5

（1.中国水利水电科学研究院流 域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048：2.中国水利水电科学研究院 水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京 100048：3.中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048：4.中国船舰研究设计中心，湖北 武汉 430064：5.北京华禹仟融水务技术咨询有限公司，北京 100038）

推移质运动机理复杂，准确提取推移质颗粒运动参数为推移质运动的微观理论研究提供基础。本文以水槽试验拍摄的视频为基础资料，通过一定方法对其做一系列的处理，将视频中运动推移质颗粒标记出来，得到推移质颗粒的位置坐标，文中给出了由原始视频到提取出推移质颗粒位置坐标的详细过程：通过编程等手段计算出推移质颗粒的一些运动参数，如粒径，运动位移，运动速度，运动和静止时间，对提取结果进行展示，并给出这些参数随时间的变化过程。

非均匀沙；推移质运动；运动参数提取；图像处理；水槽试验

1 研究背景

天然河床通常是由砂、砾石和卵石等泥沙颗粒组成，且泥沙颗粒常以滚动、滑动或跳跃等多种形式在河床面附近运动。在床面附近，河流中的泥沙颗粒在水流作用下产生运动，泥沙颗粒的运动反过来又会改变水流的物理性质和紊动结构，水流和泥沙相互作用显著。在水流作用下，推移质颗粒运动具有很大的随机性，这为了解泥沙颗粒的整个运动过程增加了难度。通过推移质颗粒运动参数来研究推移质的运动规律一直是国内外学者们研究的热点。

随着现代观测手段及计算机技术的发展，用来测量推移质颗粒运动的方法也多种多样。胡春宏等［1-6］对推移质跃移运动做了比较系统的研究：从水槽试验出发，利用高速摄像技术，观测推移质颗粒跃移运动，得到大量推移质颗粒的运动轨迹，并计算它们的跃移参数，利用统计分析等方法对跃移参数进行统计分析，并与实测资料进行比较，最后从随机理论的角度出发，对推移质颗粒输沙的随机特性进行研究。李丹勋［7］利用单帧单脉冲PTV技术测量悬移质颗粒的运动，并对其运动特性进行系统的分析，这种方法缺点是不能得到颗粒的运动轨迹。王煊等［8］利用图像处理技术对不同密度和粒径的颗粒在水流中的悬浮下降运动进行测量，得到了颗粒的运动轨迹和速度。王殿常等［9］开发了PTV系统，能够测量悬移质颗粒的运动轨迹，并分析了颗粒的运动学特性。刘清泉等［10］对床面附近泥沙颗粒的运动特性进行分析，指出其有着特殊的脉动和力学机制。唐立模等［11-12］根据图像处理技术，得到大量颗粒的三维运动轨迹和运动参数，并对运动速度等进行分析。

基于前人的研究，本文以水槽试验拍摄的视频为基础，通过一些技术手段提取视频中推移质颗粒的运动参数，比如推移质颗粒的位置坐标，粒径大小，运动位移，运动速度及运动、静止时间等，为床面附近推移质颗粒运动机理研究奠定基础。

2 试验过程

2.1 试验设备 试验是在中国水利水电科学研究院大兴试验基地水槽试验厅进行的。实验水槽为玻璃边壁的波浪径流变坡水槽，长50 m，宽1m，高1.2 m，拥有自动化调控和水循环系统，坡降调节范围为0～1%，最大水深为1m，最大流量为500 L/s。水槽整体结果示意图如图1所示。

图1 水槽整体结构

实验用沙为天然混合沙，ρ=2650 kg/m3，床沙粒径范围为0.1～20mm，图2为床沙级配曲线。

图2 床沙级配曲线

2.2 试验方法 目前对推移质颗粒的观测方法主要有：（1）通过摄像机在试验水槽侧面进行拍摄，这种方式只能获取单颗粒的速度：（2）在试验水槽底部进行拍摄，这种方式只适用于试验水槽为玻璃底板，只有一层颗粒且不会发生相互遮挡时的情况：（3）将摄像机架设在水槽上方，从水面上方直接进行拍摄，这种方式可以获取较大床面面积上的大量颗粒的运动情况，且不受颗粒相互阻挡的限制。这三种方法相比，第三种方法具有明显的优势。文中试验进行视频拍摄时采用第三种方法进行拍摄。

当水流处于急流状态或水流流速较大时，水流表面会出现各种不规则的波纹，这些水面波对床面泥沙颗粒的成像造成巨大的变形影响，拍摄时难以定量识别床面颗粒的准确位置，不易得到颗粒运动的运动特征。在此次试验中拍摄方法采用刘春晶［13］的发明专利中推移质床面颗粒的拍摄方法，其中为了减少水面波纹气泡的影响，增强拍摄效果，发明了如图3所示的装置。

水槽实验段长20m，在水槽上部有可移动的平板（图3-标记1），平板上有槽孔（图3-标记6），用来固定摄像机镜头。拍摄时，将平板固定在水槽上方某一位置，架设摄像机（图3-标记5），将摄像机镜头放置在槽孔内（图3-标记6）正对水槽床面，保持镜头与水槽床面平行，调整摄像机的焦距，使得拍摄镜头内画面大小合适以及保持画面清晰。图3中标记9是丝网，其作用是用来打碎水面上的气泡，图3中标记10是透明板，将其刚好放置在水流表面，消除水面波纹对图像成像的干扰，通过调整图3中标记2，标记3，标记4将装置固定在水槽上，待一切就绪后，开始从水槽顶部垂直拍摄床面上某一范围内推移质颗粒的运动情况。本次试验水流为恒定流，流量Q=110 L/s，坡降J=0.004，摄像机拍摄频率为50帧/s。

图3 消除水面波纹气泡装置

3 参数提取

通过水槽试验，拍摄得到大量的视频，本次研究截取60 s的视频进行处理和分析。

3.1 提取步骤 试验资料为视频，对参数进行提取时，不能对视频进行直接操作，只能对图片进行处理，所以需要先将视频转化为图片：在试验过程中，由于水流的运动等原因造成摄像机的轻微震动，导致拍摄的原始视频有轻微的颤动，在将视频转化为图片之前，需先将拍摄的原始视频转化为稳定的视频。转化为稳定的视频后，将此视频转化为图片，然后对图片进行标记等一系列处理。

对视频进行参数提取过程的大致思路为：“原始视频→生成稳定视频→转化为图片→对图片进行标记→计算运动参数”。参数提取过程具体步骤如下：（1）将原始视频重新生成稳定的视频。在水槽试验的过程中，由于水槽中水的流动会造成架设在水槽上方的摄像机的轻微震动，使得拍摄的视频有轻微的颤动，导致后续处理过程存在误差，需要先将颤动的视频重新生成稳定的视频。这个过程可通过使用Free Video To JPG Converter软件和Matlab软件实现。

将原始视频重新生成稳定视频这个过程需通过Matlab编程实现。因为拍摄的原始视频格式不能被Matlab识别，故需先将原始视频格式转化成Matlab能够识别的视频格式，整个过程如下：

①先用Free Video To JPG Converter软件将原始视频转化为图片，然后通过Matlab编程将这些图片读入，生成能被Matlab识别的视频。在将图片生成视频这段程序的编写过程中，需结合Matlab中VideoW riter函数、getframe函数和writeVideo函数。VideoW riter函数的功能是创建一个视频文件，包括打开、写入和关闭视频文件等过程：getframe函数用来获取视频帧：w riteVideo函数是将一系列的图片信息写入到视频资料中：②以生成的Matlab能够识别的视频为输入文件，通过Matlab编程将其重新生成稳定的视频。在这段程序的编写过程中，用到Video Stabilization函数，这个过程显示了怎样消除由于摄像机震动产生的影响。首先需在视频区域确定一个跟踪目标。即建立一个动态的搜索区域，然后在这个动态搜索区域中寻找目标，这样可以降低找到目标所需计算的数量。在每个后续的视频帧里，利用相对于前一个视频帧来确定运动的目标数量。通过这样一个过程即可将一个颤动的视频生成一个稳定的视频，并计算出视频中每帧的坐标偏移量。通过以上过程，即可实现将原始具有轻微颤动的视频转化为稳定的视频。

（2）将稳定视频转化为图片。在进行参数提取时，没有办法对视频中的信息直接进行处理，只能对图片中信息进行提取，需先将视频转化为图片。用Free Video To JPG Converter软件将步骤（1）中生成的稳定视频转化为一帧帧的图片用来后期的处理。摄像机拍摄频率为50帧/s，对于选取的60s视频，共转化为3000帧图片。转化后图片如图4所示（以第1帧为例）。

（3）标记图片中运动推移质颗粒的位置坐标及粒径信息。如图4所示，图片背景比较复杂，全部是非均匀泥沙颗粒，图中有些阴影部分是水泡，想直接利用图像处理的办法来获取运动的泥沙颗粒及其参数信息，非常困难，文中借助Photoshop软件，将图片中运动泥沙颗粒标记出来，记录下它们的像素坐标及粒径信息。这个过程由一个人完成，虽然耗时较长，但是一个人操作，具有误差小、精度高等特点，得到的数据较为准确。

图4 视频转化后图片

图5 单颗沙

（4）计算推移质颗粒运动参数信息。根据上述几个步骤可以得到每个运动颗粒的像素坐标和相关的粒径参数信息，通过Matlab编程可计算出推移质颗粒的相关运动参数信息，包括推移质颗粒的粒径大小，运动位移，运动速度，运动、静止时间等。

3.2 提取过程及结果 基本参数的提取是用Photoshop软件来完成的。主要包括每个运动泥沙颗粒的位置坐标，以及每个运动泥沙颗粒的长轴a和短轴b，如图5所示。这里的单位都是像素单位，需根据像素长度与实际长度的换算系数，将像素长度换算成最终的实际长度。

下面给出泥沙颗粒运动参数的计算公式，具体计算过程都通过Matlab编程实现。

（1）粒径d（mm）。由于拍摄是观测泥沙颗粒的二维运动，故根据每个运动泥沙颗粒的长轴a和短轴b，利用公式d= ab来计算每个泥沙颗粒粒径d的大小，单位mm。由于泥沙颗粒在运动过程中每一步其体位都会发生变化，很难保证同一体位，因此每次从运动到停止的长、短轴长度不完全相等，这里采用连续观察多帧图片，选取最能代表泥沙粒径大小的那帧图片，测量泥沙颗粒的长、短轴并利用公式来计算其粒径d。本次研究中，选取的60 s时间视频内共标记268颗运动泥沙，计算出粒径范围在0.74～8.19mm之间。

（2）运动位移s（m）。令运动泥沙颗粒在相邻两帧图片上的位置坐标分别为和，根据公式来计算运动泥沙颗粒在相邻两帧图片中的运动位移，单位m。为了区分每颗泥沙颗粒，将每颗泥沙标记序号，以第197颗泥沙为例，在观测时间段60 s内其运动位移随时间的变化如图6所示，横坐标表示运动时间，一共运动3.8 s的时间：纵坐标表示运动位移。图中运动位移为零的时刻，表示在此时间内泥沙颗粒是静止的，没有运动。

图6 运动位移随时间变化

（3）运动速度（m/s）。这里说的运动速度指的是推移质颗粒运动的瞬时速度。运动速度包含沿水流方向的运动速度ux，垂直于水流方向的运动速度uy，以及综合速度u。泥沙颗粒在相邻两帧图片上的运动位移为s，摄像机拍摄频率为50帧/s，则相邻两帧图片间时间间隔Δt=1 50s，运动泥沙颗粒的瞬时速度u=sΔt，纵向速度，横向速度，速度单位为m/s。第197颗泥沙在60 s时间内运动速度随时间变化过程如图7所示。

图7可以看到，泥沙颗粒在x和y方向上的分速度ux和uy在大部分时候都为正，偶尔会有负数出现，这说明泥沙颗粒在沿水流方向运动的过程中出现了往回走的现象。由于本试验观测的是粗化床面上的非均匀泥沙颗粒运动情况（图4），在水流条件一定的情况下，这种现象的出现主要与泥沙颗粒所处的床面位置有关。在水流的作用下，泥沙颗粒运动具有随机性，在粗化床面上，这种随机性表现的更加明显，即反映了泥沙颗粒运动的间歇性这一特点。

图7 运动速度随时间变化过程

（4）运动、静止时间。运动泥沙颗粒的运动时间t1可根据公式t1=( ) f1-1⋅Δt来计算，公式中f1表示某一运动泥沙颗粒的运动帧数（包含最初静止的那一帧）：运动泥沙颗粒的静止时间t2可根据公式t2=f2⋅Δt来计算，公式中f2表示某一运动泥沙颗粒在运动-静止-运动这一过程中静止的帧数。以第197颗泥沙为例，这颗泥沙在水流的作用下经历了“静止（最开始状态）-运动-静止-……-静止（最终状态）”的这样一个过程，计算结果如图8所示，横坐标表示运动和静止时间，纵坐标表示运动和静止的状态，运动用1表示，静止用0表示。由图8可以看出，在60s时间内，第197颗泥沙颗粒从开始运动到运动结束用了3.8s的时间，在这个过程中伴随着“静止-运动-静止”的这样一个过程，这体现了泥沙颗粒运动的间歇性这一显著特点。

图8 运动静止状态随时间变化过程

4 结论

本文结合Photoshop软件、Free Video To JPG Converter软件和Matlab编程，对水槽试验中拍摄的视频进行处理，准确提取视频中推移质颗粒的相关信息，比如推移质颗粒的粒径，运动速度，运动位移，运动和静止时间等参数，并展示了部分提取结果。推移质运动参数的提取为推移质颗粒运动的微观理论研究提供基础。通过在实际中的应用表明，这种提取手段对于背景较差的图片也具有良好的处理效果。

参 考 文 献：

［1］ 胡春宏.水流中推移质颗粒跃移规律的力学和统计分析［D］.北京：清华大学，1988.

［2］ 胡春宏，慧遇甲.推移质颗粒跃移运动的随机特性［J］.泥沙研究，1990（4）：1-9.

［3］ 胡春宏，惠遇甲.水流颗粒跃移参数的试验研究［J］.水动力学研究与进展：A辑，1991（6）：71-81.

［4］ 惠遇甲，胡春宏.水流中颗粒跃移的运动学特征［J］.水利学报，1991（12）：59-64.

［5］ 胡春宏，惠遇甲.明渠挟沙水流运动的力学和统计规律［M］.北京：科学出版社，1995.

［6］ Hu C H，Hui Y J.Bed-load transport.I：Mechanical characteristics，II：Stochastic characteristics［J］.Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1996，122（5）：245-261.

［7］ 李丹勋.悬移质颗粒运动特性的研究［D］.北京：清华大学，1999.

［8］ 王煊，张永泽，李嘉.数字图像处理技术在固-液两相流实验中的应用［J］.水动力学研究与进展：A辑，1999，14（2）：210-217.

［9］ 王殿常，禹明忠，王兴奎.明槽水流中颗粒运动特性的试验研究［J］.应用基础与工程科学学报，2000，18（3）：301-309.

［10］ 刘青泉，周济福，舒安平.床面附近泥沙运动的分析［J］.水科学进展，2003，14（5）：569-575.

［11］ 唐立模，王龙，王兴奎.水流强度对推移质三维运动规律的影响［J］.水力发电学报，2006，25（3）：45-48.

［12］ 唐立模，王兴奎.推移质颗粒平均运动特性的试验研究［J］.水利学报，2008，39（8）：895-899.

［13］ 刘春晶.一种推移质床面颗粒的拍摄装置：中国，201420426119.0［P］.2014-10-21.

Extraction of non-uniform bed load m ovem en t param eters

XU Linjuan1，2，3，LIU Chunjing1，2，3，CAO Wenhong1，2，3，CHEN Yuanchao4，LU Jing1，2，3，QIN Juntao5

（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100048，China：2.Key Laboratory of Hydraulic and Sediment Science and River Harnessing of the Ministry of Water Resources，Beijing 100048，China：3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Department of Sediment Research，Beijing 100048，China：4.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China：5.Beijing HuaYu Qian Rong water technology consulting co.，LTD，Beijing 100038，China）

Bed load movement parameters are the basis of the microscopic theoretical study of bed load. Based on the bed load experiment video data in this study，an approach was proposed to extract the parameters of bed load particles.Firstly the video was converted to pictures by image processing method，marking bedload particles and recording the coordinates in images：secondly the parameters of bed load particles such as particle size，disp lacement，velocity，movement time and rest time were calculated by programming method；finally the calculation results of movement parameters were showed，and the changing processes of these parameters with time were given.The results show that bed load particles parameters can be obtained well in this study，which provide the basic data for the movement rule of bed load particles.

non-uniform sediment；bed load movement；movement parameters extraction；image processing；flume experiment

TV142

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.009

1672-3031（2016）02-0138-06

（责任编辑：李福田）

2015-06-16

中国水科院科研专项（泥基本科研KY1646）；国家自然科学基金（11472310）；国际科技合作专题（2015DFR70980）；国家科技支撑课题（2013BAB12B01）

许琳娟（1984-），女，河南巩义人，博士生，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：282957173@qq.com