Manuskriptet presenterer en protokoll for ledelse av bedlast-sedimenttransportforsøk hvor de bevegelige partikler spores av bildeanalyse. Forsøksfasiliteten, prosedyrene for løpebesøkelse og databehandling, og til slutt noen proof-of-concept-resultater, presenteres her.
Bildeanalyse har i økende grad blitt brukt til måling av elvemengder på grunn av sin evne til å gi detaljerte kvantitative avbildninger til en relativt lav pris. Dette manuskriptet beskriver en applikasjon av partikkelsporings-velocimetri (PTV) til et bed-load-eksperiment med lettvekts sediment. Nøkkelegenskapene ved de undersøkte sedimenttransportbetingelsene var tilstedeværelsen av en dekket strøm og en fast grov seng over hvilken partikler ble frigjort i begrenset antall ved luftinntaket. Under de påførte strømningsbetingelser var bevegelsen av de enkelte sengelastpartiklene intermittent med vekslende bevegelses- og stillhetsbetingelser. Strømningsmønsteret ble foreløpig preget av akustiske målinger av vertikale profiler av strømningsvis hastighet. Under prosessvisualisering ble et stort synsfelt oppnådd ved bruk av to handlingskameraer plassert på forskjellige steder langs flommen. Den eksperimentelle protokollen er beskrevet i form av chanNelkalibrering, eksperimentrealisering, bildeforbehandling, automatisk partikkelsporing og etterbehandling av partikkelspordata fra de to kameraene. De presentert proof-of-concept-resultatene inkluderer sannsynlighetsfordelinger av partikkelhopplengden og varigheten. Resultatene av dette arbeidet er sammenlignet med eksisterende litteratur for å demonstrere protokollets gyldighet.
Siden banebrytende arbeider dukket opp for noen tiår siden 1 , 2 , har bruken av bildeanalyse for studier av elvesedimenttransport stadig økt. Denne teknikken viste faktisk sin evne til å gi relativt høyoppløselige og lave kostnader for detaljerte analyser av fysiske fenomen 3 , 4 , 5 . Med tiden har det blitt oppnådd betydelige forbedringer for både maskinvare- og programvareverktøy.
Måling av sedimenttransport kan utføres ved hjelp av en Eulerian-tilnærming som retter seg mot måling av sedimentfluss, eller en Lagrangian som mål å måle baner av individuelle korn når de beveger seg. Bildebehandling gir unike muligheter for partikkelsporing i forhold til andre Eulerian-metoder 6 , 7 . Imidlertid desPå grunn av disse potensialene, har anvendelsen av bildeanalyse til bed-load sedimenttransport lider av noen kritiske eksperimentelle begrensninger, når det gjelder romlige / temporale støtteskalaer for måling og størrelse av dataprøver. For eksempel er det vanskelig å oppnå samtidig en passende kombinasjon av et stort romområde, lang varighet av et eksperiment og høy målefrekvens 3 , 4 , 8 uten å gå på kompromiss med kvaliteten og mengden av data. I tillegg kan partikkelsporingen utføres manuelt 2 , 4 , som krever en stor menneskelig innsats, eller automatisk 3 , 8 , med mulighet for å spore feil som er gjort av programvaren som brukes til analysen.
Dette papiret presenterer en protokoll for den eksperimentelle undersøkelsen av bed-load sediment trAnswering, hvor lang varighet oppnåddes ved bruk av kameraet, ble det sikret et stort synsfelt ved samtidig bruk av to kameraer på forskjellige steder, og pålitelig automatisk behandling ble muliggjort ved ad hoc eksperimentelle forhold. Den eksperimentelle operasjonen ble utformet og bearbeidingsverktøyene ble valgt ut fra erfaringer oppnådd av forfatterne i flere forskningsverk som omhandler den detaljerte undersøkelsen av sedimenttransport med bildemetoder 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 .
Et sedimenttransportforsøk er beskrevet, som ble utført for å frigjøre partiklerEr over en fast, grov seng. Partikkelfôringen var mye mindre enn transportkapasiteten til strømningen for å opprettholde en lav konsentrasjon av bevegelige korn, og dermed unngås overbelastning av partikler som skal spores. Videre beveget de transporterte partiklene ikke kontinuerlig, men intermitterende bevegelse ble observert. Bruk av en fast seng i stedet for en bevegelig en representerer et tap av likhet med naturlige forhold. Imidlertid ble en fast seng ofte brukt i sedimenttransporteksperimenter 19 , 20 , 21 under antagelse at resultatene er enklere og forklarende enn de fra kompliserte scenarier med en rekke virkemåteprosesser. Bruken av en fast seng forhindrer åpenbart at prosesser for sedimentbegravelse og gjenfødelse blir observert. På den annen side, i nærvær av en svak sengelast, foregår transport av sediment i et overflatisk lag av en løs seng, og i dette tilfelle,Bruk av en fast seng kan være tilstrekkelig. Faktisk presenterte spesifikke sammenligninger mellom egenskapene til partikkelbevegelse i eksperimenter som kjørte med de to tilstandene ingen signifikante forskjeller 3 , 14 . Til slutt ble eksperimentet presentert her utført med en trykkstrøm for å sikre en optimal tilstand for partikkelvisualisering gjennom et gjennomsiktig deksel. Sedimenttransport med trykkstrøm har blitt eksperimentelt studert i forskningspototyping av isdekket elver, som viser at samspillet mellom det nærliggende grenselaget og sedimentet er analogt med det for åpen kanalstrøm 22 , 23 . I de følgende avsnittene er alle metoder skissert og noen representative resultater er gitt.
Utforming av et bedlasttransporteksperiment med partikkelvisualisering innebærer flere trinn, inkludert valg av eksperimentelle konfigurasjons- og maskinvareverktøy, strømningsmåling, partikkelsåing og visualisering og bildeanalyse. Variasjoner i hvert trinn har fordeler og ulemper. Nøkkelegenskapene til protokollen som presenteres i dette manuskriptet er: (i) bruk av en trykkstrøm og en fast grov seng, (ii) såing et lavt antall sengelastpartikler som har en kontrastfarge til den faste sengerfargen, Ved hjelp av naturlig lys, og (iv) bruk av flere kameraer for å oppnå uavhengige sporsett som skal knyttes til hverandre.
Den eksperimentelle metoden og databehandlingen gjør at sengelastpartiklene kan spores pålitelig for den endelige måling. Den dekkede strømmen sikrer en optimal syn på de bevegelige partiklene. Den faste sengen forhindrer imidlertid observasjon av noen prosesser ( f.eks . De som er knyttet til vertica L forskyvninger av sedimentpartikler i det aktive sengelastlaget), og begrenser således bruken av teknikken til svake belastninger.
Størrelsen på datasamplene oppnådd ved bruk av kun 100 s av film var relativt liten. Prøvestørrelsen kan imidlertid enkelt økes ved å forlenge eksperimentell varighet av bildeoppkjøp og behandling. Fôring av et begrenset antall partikler krever en lengre eksperimentell tid enn fôring med en vesentlig høyere hastighet; Men det er vel verdt innsatsen på grunn av en relativt enkel partikkelsporing på grunn av den lille konsentrasjonen av partikler i bevegelse og bruken av forskjellige farger, som begge reduserer sannsynligheten for å spore feil. Bruken av naturlig lys i forsøket unngår behovet for belysningsenheter; Imidlertid er en ulempe at god belysning er avhengig av værforholdene.
CFDene med partikkelhopplengde og varighet vist iG "> Figur 4 viser de laveste verdiene som de hyppigste. De største målte verdiene for hoplengde og varighet var henholdsvis 600 mm og 7 s. Dette var signifikant større sammenlignet med analoge verdier fra litteraturen 4 , 16 , 30 Siden det måles lengre spor, er risikoen for lang partikkelslag. Fordelen med å bruke to kameraer er tydelig, med tanke på at et enkelt kamera hadde en fokusområde lengde på rundt 850 mm, noe som ikke ville være mye større enn hoplengdsverdiene som skal måles. Måleprotokollen ved hjelp av to kameraer i stedet sørget for en tilfredsstillende separasjon mellom prosessens lengdevekt og de på målefeltet, og reduserer dermed risikoen for å forspenne fenomenologiske resultater på grunn av eksperimentelle begrensninger. Fokusområdet kan også i tillegg bli forlenget av Øker antall kameraer plassert langs flommet.
En alternativ prosedyre i forhold til protokollen beskrevet her er å lage overlappede bilder før partikkelidentifikasjon og sporing. Vår protokoll (for å utføre sporing to ganger og å knytte partikkelspor) var foretrukket da bildefusjonsmetoden ville ha doblet størrelsen på datafilene, noe som krever et minneforbruk som ikke var rimelig.
Med behandlingsalgoritmene beskrevet her, ble flere partikkelspor som var kortere enn lengden på overlappingsområdet kassert fordi de forhindret en full gjenoppbygging av sedimentsporene. Terskel lengden på 120 mm var imidlertid en størrelsesorden kortere enn sporlengder som kunne oppnås, og tapet av disse dataene var derfor akseptabelt. Videre vil spårforbindelsen sett i de nedre 8 tilfellene i figur 1 ikke muliggjøre en signifikant økning i sporlengden som skal oppnås. På den annen side kan disse situasjonene hjelpeVed gjenvinning av lange spor, slik som situasjonen i figur 5 som kan skyldes sporavbrudd. I et lignende tilfelle kunne et langspor rekonstrueres av iterative sammenføyningsoperasjoner. Det er imidlertid viktig å huske på at sporavbrudd som de i figur 5 er tydelig knyttet til sporingsprosessen i stedet for til sammenkoblingsprosessen.
Dette manuskriptet presenterte proof-of-concept-resultater for et enkelt eksperiment for å demonstrere evnen til den vedtatte protokollen. I fremtidige eksperimenter vil protokollen bli anvendt på en rekke forskjellige hydrodynamiske forhold for å oppnå en detaljert analyse av bed-load sediment transport prosessen.
Figur 5: En situasjon av spor som går sammen i forstyrrelser. </Strong> Sammenslåingen av disse sporene i et enkelt spor er ikke mulig med protokollen beskrevet her. Som nevnt i bildeteksten i figur 1 og i protokollens trinn 8.4, er sporene kortere enn lengden på overlappingsområdet utelukket. Dette eliminerer de korte røde og grønne sporene; Derfor kan de resterende lange ikke bli slått sammen fordi de ikke har noe felles poeng. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Forskningsstyrelsen gjennom Det 7. rammeprogram for Den europeiske union, Støtte til opplæring og karriereutvikling av forskere (Marie Curie – FP7-PEOPLE-2012-ITN), som finansierte ITN (Initial Training Network) HYTECH "Hydrodynamisk transport i økologisk kritisk heterogen grensesnitt" (nummer 316546). Den ble også støttet av Polo Territoriale di Lecco fra Politecnico di Milano. Forsøkene ble utført under et besøk av SS til Politecnico di Milano som besøksforsker. Forfatterne takker Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc.-studenter ved Politecnico di Milano) og Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (stipendiat fra Hytta-prosjektet og doktorgradsstudenten ved Politecnico di Milano) for å støtte Eksperimentell aktivitet og dataanalysen. Forfatterne takker takkelig prof. Roger Nokes (University of Canterbury, Christchurch, New Zealand) for å gi STreams programvare og konstant råd. Til slutt takker forfatterne JoVE-administrerende redaktør og tre anonyme korrekturlesere for sine tankevekkende kommentarer og forslag, takket være at manuskriptet kan bli betydelig forbedret.
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 |