Manuskriptet præsenterer en protokol for ledning af bed-load sediment transport eksperimenter, hvor de bevægelige partikler spores ved billedanalyse. Den eksperimentelle facilitet, procedurerne for løbende realisering og databehandling, og endelig vises nogle proof-of-concept resultater her.
Billedanalyse er i stigende grad brugt til måling af flodstrømme på grund af dets evne til at levere detaljerede kvantitative afbildninger til en relativt lav pris. Dette manuskript beskriver en anvendelse af partikelsporings-velocimetri (PTV) til et bed-load-eksperiment med letvægtssediment. Nøgleegenskaberne ved de undersøgte sedimenttransportbetingelser var tilstedeværelsen af en overdækket strøm og en fast, grov seng, over hvilken partikler blev frigivet i begrænset antal ved flumeindgangen. Under de anvendte strømningsbetingelser var bevægelsen af de individuelle sengelastpartikler intermitterende med skiftende bevægelses- og stillhedsbetingelser. Strømningsmønstret blev foreløbigt kendetegnet ved akustiske målinger af vertikale profiler af strømstrømshastigheden. Under processen visualisering blev der opnået et stort synsfelt ved anvendelse af to action-kameraer placeret på forskellige steder langs flume. Den eksperimentelle protokol er beskrevet i form af chanNelkalibrering, eksperimentrealisering, billedforbehandling, automatisk partikelsporing og efterbehandling af partikelspordata fra de to kameraer. De præsenterede proof-of-concept resultater inkluderer sandsynlighedsfordelinger af partikelhoplængden og varigheden. Resultaterne af dette værk sammenlignes med eksisterende litteratur for at demonstrere protokollens gyldighed.
Siden banebrydende værker har dukket op for nogle årtier siden 1 , 2 , er brugen af billedanalyse til undersøgelsen af flodsedimenttransport steget konstant. Denne teknik viste sig faktisk at kunne levere relativt høj opløsning og billige data til detaljerede analyser af fysiske fænomener 3 , 4 , 5 . Med tiden er der opnået betydelige forbedringer for både hardware- og softwareværktøjer.
Måling af sedimenttransport kan udføres ved hjælp af en Eulerian-tilgang, der retter sig mod måling af sedimentflusser, eller en Lagrangian, der har til formål at måle baner af individuelle korn, når de bevæger sig. Billedbehandling giver unikke muligheder for partikelsporing i sammenligning med andre Eulerian-metoder 6 , 7 . Men desPå baggrund af disse potentialer lider anvendelsen af billedanalyse på bed-load sedimenttransport af nogle kritiske eksperimentelle begrænsninger, hvad angår rumlige / tidsmæssige understøttelsesskalaer for måling og størrelse af dataprøver. For eksempel er det vanskeligt at opnå samtidig en passende kombination af et stort rumligt område, lang varighed af et forsøg og høj målefrekvens 3 , 4 , 8 uden at gå på kompromis med kvaliteten og mængden af data. Derudover kan partikelsporing udføres manuelt 2 , 4 , hvilket kræver en stor menneskelig indsats, eller automatisk 3 , 8 , med muligheden for at spore fejl lavet af den software, der anvendes til analysen.
Dette papir præsenterer en protokol til forsøgsundersøgelsen af bed-load sediment trAnswering, hvor lang varighed blev opnået ved den anvendte type kamera, sikredes et stort synsfelt ved samtidig anvendelse af to kameraer på forskellige steder, og pålidelig automatisk behandling blev muliggjort ved ad hoc eksperimentelle forhold. Forsøgsoperationen blev udformet, og forarbejdningsværktøjerne blev udvalgt ud fra erfaringer erhvervet af forfatterne i adskillige forskningsværker, der beskæftiger sig med den detaljerede undersøgelse af sedimenttransport med billedmetoder 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 .
Et sedimenttransporteksperiment beskrives, som blev udført, frigivelse af partikelEr over en fast, grov seng. Partikeltilførslen var meget mindre end transportkapaciteten af strømmen for at opretholde en lav koncentration af bevægelige korn, hvilket således forhindrer overbelastning af partikler, der skal spores. Desuden bevægede de transporterede partikler ikke kontinuerligt, men intermitterende bevægelse blev observeret. Anvendelsen af en fast seng i stedet for en bevægelig er et tab af lighed med naturlige forhold. Imidlertid blev en fast seng ofte anvendt i sedimenttransporteksperimenterne 19 , 20 , 21 under antagelse af, at resultaterne er enklere og forklarende end dem fra komplicerede scenarier med en række forskellige processer. Anvendelsen af en fast seng forhindrer selvfølgelig, at processer til nedbringelse af sedimentbegravelse og genopståelse overholdes. På den anden side finder sedimenttransporten sted i et overfladisk lag af en løs seng i nærvær af en svag sengelast, og i dette tilfælde,Brugen af en fast seng kan være tilstrækkelig. Faktisk frembragte specifikke sammenligninger mellem egenskaberne af partikelbevægelse i forsøg, der kørte med de to betingelser, ikke nogen signifikante forskelle 3 , 14 . Endelig blev eksperimentet, der blev præsenteret her, udført med en trykstrøm for at sikre en optimal tilstand for partikelvisualisering gennem et gennemsigtigt dække. Sedimenttransport med trykstrøm er blevet eksperimentelt undersøgt i prototypeprøvning af isdækkede floder, hvilket viser, at interaktionen mellem det nærliggende bundlag og sedimentet er analogt med det for åbne kanalstrøm 22 , 23 . I de følgende afsnit beskrives alle metoder og der gives nogle repræsentative resultater.
Design af et bed-load transport eksperiment med partikel visualisering involverer flere trin, herunder valget af en eksperimentel konfiguration og hardware værktøjer, flow måling, partikel såning og visualisering og billedanalyse. Variationer i hvert trin har fordele og ulemper. Nøgleegenskaberne ved protokollen, der er præsenteret i dette manuskript, er: (i) anvendelse af en trykstrøm og en fast ru seng, (ii) såning af et lavt antal sengelastpartikler med en kontrastfarve til den faste bed farve, (iii) Ved hjælp af naturligt lys og (iv) at bruge flere kameraer til at opnå uafhængige sporsæt, der skal forbindes til hinanden.
Forsøgsmetoden og databehandlingen gør det muligt at spore bed-load-partiklerne pålideligt til den endelige måling. Den dækkede strøm sikrer en optimal vision af de bevægelige partikler. Den faste seng forhindrer imidlertid observation af nogle processer ( f.eks . De der er forbundet med vertica L forskydninger af sedimentpartikler inden for det aktive sengelastlag) og begrænser således anvendeligheden af teknikken til svage bedbelastninger.
Størrelsen af de data prøver, der blev opnået under anvendelse af kun 100 s af film, var forholdsvis lille. Prøvestørrelsen kan dog let øges ved at forlænge den eksperimentelle varighed af billedoptagelse og -behandling. Fodring af et begrænset antal partikler kræver en længere forsøgstid end fodring med en væsentligt højere hastighed; Men det er værd at indsatsen på grund af en forholdsvis enkel partikelsporing på grund af den lille koncentration af partikler i bevægelse og brugen af forskellige farver, der begge reducerer sandsynligheden for at spore fejl. Anvendelsen af naturligt lys i eksperimentet undgår behovet for belysningsenheder; Imidlertid er en ulempe, at god belysning afhænger af vejrforholdene.
CFD'erne med partikelhoplængde og varighed afbildet iG "> Figur 4 viser de laveste værdier som de hyppigste. De største målte værdier for hoplængde og varighed var henholdsvis 600 mm og 7 s. Dette var signifikant større sammenlignet med analoge værdier fra litteraturen 4 , 16 , 30 Da der måles længere spor, er risikoen for lang partikel humle. Fordelene ved at bruge to kameraer er tydeligt, idet et enkelt kamera havde en fokusområde længde på omkring 850 mm, hvilket ikke ville være meget større end hoplængdeværdier, der skal måles. Måleprotokollen ved hjælp af to kameraer i stedet sørgede for en tilfredsstillende adskillelse mellem procesens længdeskalaer og målerfeltets størrelse, hvilket reducerer risikoen for at forspænde de fænomenologiske resultater som følge af eksperimentelle begrænsninger. Desuden kan fokusområdet yderligere forlænges af Øge antallet af kameraer placeret langs flume.
En alternativ procedure i forhold til den her beskrevne protokol er at skabe overlappede billeder inden partikelidentifikationen og sporing. Vores protokol (for at udføre sporing to gange og sammenkædning af partikelspor) var foretrukket, da billedfusionsmetoden ville have fordoblet størrelsen af datafilerne, hvilket kræver et hukommelsesforbrug, der ikke var overkommeligt.
Med de behandlingsalgoritmer, der er beskrevet her, blev flere partikelspor, der var kortere end længden af det overlappende område, kasseret, fordi de forhindrede en fuldstændig rekonstruktion af sedimentsporene. Tærskelængden på 120 mm var imidlertid en størrelsesorden kortere end de sporlængder, der kunne opnås, og tabet af disse data var derfor acceptabelt. Desuden ville sporforbindelsen set i de nedre 8 tilfælde i figur 1 ikke muliggøre en signifikant forøgelse af den sporlængde, der skal opnås. På den anden side kan disse situationer hjælpeVed hentning af lange spor, som f.eks. Situationen i figur 5, der kunne skyldes sporafbrydelser. I en lignende sag kunne et langt spor rekonstrueres af iterative samlingsoperationer. Det er dog vigtigt at huske på, at sporafbrydelser som dem i figur 5 er tydeligt relateret til sporingsprocessen i stedet for til sammenføjningsprocessen.
Dette manuskript præsenterede proof-of-concept resultater for et enkelt eksperiment for at demonstrere mulighederne for den vedtagne protokol. I fremtidige eksperimenter vil protokollen blive anvendt på en række forskellige hydro-dynamiske betingelser for at opnå en detaljeret analyse af bed-load sediment transport processen.
Figur 5: En situation med spor, der går i forbindelse med afbrydelser. </Strong> Tilslutningen af disse spor til et enkelt spor er ikke muligt med protokollen beskrevet her. Som nævnt i billedet i figur 1 og i trin 8.4 i protokollen er sporene kortere end længden af den overlappende region udelukket. Dette eliminerer de korte røde og grønne spor; Derfor kan de resterende lange ikke tilsluttes, fordi de ikke har noget fælles punkt. Klik her for at se en større version af denne figur.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Forskningsforvaltningsorganet via Det Europæiske Unions syvende rammeprogram, støtte til uddannelse og karriereudvikling af forskere (Marie Curie – FP7-PEOPLE-2012-ITN), som finansierede ITN (First Level Training Network) HYTECH "Hydrodynamisk Transport i Økologisk Kritiske Heterogene Interfaces" (nummer 316546). Den blev også støttet af Polo Territoriale di Lecco fra Politecnico di Milano. Forsøgene blev udført under et besøg hos SS til Politecnico di Milano som gæstforsker. Forfatterne takker Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc.-studerende ved Politecnico di Milano) og Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (stipendiat fra HYTECH-projektet og Ph.D.-studerende ved Politecnico di Milano) for at støtte Eksperimentel aktivitet og data analyse. Forfatterne takker taknemmeligt prof. Roger Nokes (University of Canterbury, Christchurch, New Zealand) for at give STromle software og konstant rådgivning. Endelig takker forfatterne JoVE-administrerende redaktør og tre anonyme korrekturlæsere for deres tankevækkende kommentarer og forslag, hvilket manuskriptet kunne forbedres betydeligt.
Laser distance sensor | METRICA | PREXISOX2 | Used to measure the flume slope |
Two-component polyester resin | Gelson | MS 65213 | Used to glue sediment particles onto steel plates |
Water-resistant spray paint | Any | Used to paint the fixed bed | |
Ultrasonic Velocity Profiler | Signal Processing | DOP 2000 | Used to measure the water velocity profiles |
Camera | Go-Pro | Hero 4 Black | Used to acquire movies of bed-load particle motion |
Streams | University of Canterbury | 2.01 | Used for particle identification and tracking |
MatLab | MathWorks | R14 | Used to develop ad hoc codes for a variety of operations |
Plexiglas | Transparent acrylic material |