水利工程論文-應(yīng)用數(shù)字圖象技術(shù)研究卵石的幾何形態(tài)摘要：通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以得到卵石的特征直徑、扁平指標(biāo)、三軸形狀參數(shù)和圓度系數(shù)等幾何參數(shù)，為研究河床卵石的幾何形態(tài)提供了新手段。應(yīng)用該技術(shù)對嘉陵江卵石形態(tài)的研究表明，卵石扁平指標(biāo)沿程減小，球度系數(shù)沿程增大。根據(jù)c/b和b/a對卵石進行了分類，卵石在上游以盤形和棱形為主，在下游則以球形為主。研究成果有利于深入了解卵石推移質(zhì)的運動機理。關(guān)鍵詞：圖象處理形狀系數(shù)基金項目1引言卵石的幾何形狀往往直接或間接地反映了其運動的歷史。例如，粒徑的大小與移動介質(zhì)及流動速度有關(guān)，形狀和圓度則涉及移動介質(zhì)、移動距離及移動強度。根據(jù)卵石的幾何特征，對卵石的來源以及如何受力沖刷、移動和沉積經(jīng)過都可以得到一個概括的輪廓，對合理計算推移質(zhì)輸沙率具有重要的作用。卵石的實際形態(tài)非常復(fù)雜。根據(jù)三個相互垂直的最長軸、中間軸和最短軸(分別以a、b、c表示)的長度和平面投影特征，可以定義多個形狀參數(shù)，見表1，從而能夠比較完整地描述卵石的形態(tài)1。表1表示卵石形狀的參數(shù)Definitionofshapefactors參數(shù)1=L/22=c/3=a+b/2c4=意義最大投影面(ab面)的圓度(L=周長，S=面積)三軸形狀系數(shù)扁平指標(biāo)球度系數(shù)卵石形狀參數(shù)的獲取，過去一般采用現(xiàn)場手工直接量測三個特征軸的方法，或先對卵石拍照然后進行人工處理，不僅費時費力，而且量測精度低2。本文基于數(shù)字圖象技術(shù)，開發(fā)了一種具有較高效率和精度的獲取卵石形狀參數(shù)的新方法，并應(yīng)用所開發(fā)的系統(tǒng)對嘉陵江卵石的幾何形態(tài)和沿程變化規(guī)律進行了研究。2應(yīng)用數(shù)字圖象技術(shù)量測卵石幾何形狀的基本原理數(shù)字圖象技術(shù)用于對卵石形狀的量測，是通過攝像機記錄卵石的圖象，然后將圖象的光強信息經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息3。數(shù)字圖象信息的處理由配備有圖象處理硬件和軟件的計算機擔(dān)任。系統(tǒng)的硬件組成如圖1。該系統(tǒng)對攝像機、錄像機、計算機的性能無特殊要求，計算機配備的圖象卡可使用價格在千元左右的黑白卡。系統(tǒng)軟件的平臺為Windows98,編程語言為VC+6.0。程序能夠根據(jù)視覺效果適當(dāng)調(diào)節(jié)圖象的亮度和對比度，窗口的大小也可以調(diào)整。圖象二值化時閾值的選取由系統(tǒng)自動完成，使其更具實用性。通過對在同幀圖像中鋼尺的對照，可以得到屏幕圖象和實際長度之間的標(biāo)定比例，從而計算出卵石在投影面上的周長、面積、最長軸、中間軸及最大內(nèi)切圓直徑等特征參數(shù)。根據(jù)已得到的最大投影面的幾何參數(shù)和在采樣現(xiàn)場稱得的卵石重量，可以計算出顆粒的最短軸。具體步驟是：(1)通過測得的卵石重量計算出其體積(卵石比重取為2.65)；(2)將卵石最大投影面概化為等面積的橢圓，該橢圓兩軸的比值等于已得到的卵石最大軸和中間軸的比值，據(jù)此得出概化橢圓的兩軸長度；(3)將卵石概化為橢球體，根據(jù)(1)(2)中得到的體積和兩軸長，可以計算出其第3軸長，此即卵石顆粒的最短軸。圖象卡把錄象帶上的模擬信號離散化為數(shù)字信號時，要產(chǎn)生一個象素的系統(tǒng)誤差。在實際處理中，可盡量增加卵石樣本在視野中的大小，以有效控制系統(tǒng)誤差。本文采用圓、正方形、矩形和橢圓等標(biāo)準(zhǔn)形狀的圖形，對系統(tǒng)的量測誤差進行了檢驗。圖1河床卵石的圖象處理系統(tǒng)示意圖Sketchofgravelimageprocessingsystem圖形的幾何形狀由攝象機攝取到錄象帶中，用圖象卡采集到內(nèi)存并用相應(yīng)的程序進行分析計算，量測結(jié)果與實際值相差很小，相對誤差不超過5%，說明該量測方法和量測系統(tǒng)是可靠的。同時，該方法可將多個卵石樣本簡單排列進行錄象一并處理，無需逐一量測，因此效率比較高。3嘉陵江卵石形態(tài)的變化規(guī)律通過野外查勘，沿嘉陵江干流自上而下對河道卵石進行了樣本錄象、稱重。應(yīng)用數(shù)字圖象處理系統(tǒng)，對野外錄象資料進行分析，得到了嘉陵江卵石形狀特征參數(shù)的特征值及沿程變化規(guī)律。表2給出了具體的結(jié)果，表中數(shù)據(jù)為采樣點卵石樣本的算術(shù)平均值。3.1卵石形態(tài)參數(shù)的沿程變化規(guī)律參數(shù)1表示卵石顆粒最大投影面的形狀，對于標(biāo)準(zhǔn)圖形，如等邊三角形、正方形、等邊五角形及圓形，1的值分別為1.29、1.13、1.08和1.00。從表2可以看出，在合川時1接近1，表明此處卵石的最大投影面接近圓形；而在王正溝，1約為1.15，介于三角形與正方形之間，和圓形相差較遠(yuǎn)?？梢钥闯?，從上游到下游，參數(shù)1和扁平指標(biāo)3逐漸減小，三軸形狀系數(shù)2與球度系數(shù)4則單調(diào)遞增。這說明卵石經(jīng)過沿程磨損，變得越來越趨于圓球狀。圖2到圖5分別給出了嘉陵江卵石4個形狀參數(shù)的沿程變化規(guī)律。表2嘉陵江卵石的幾何特征參數(shù)ShapefactorsofgravelintheJialingRiver形狀參數(shù)采樣點主河道長度46(km)1234王正溝21.1490.3513.0210.592青泥河751.1100.4382.3620.656廣元3631.0910.4692.1850.688亭子口5131.0840.5212.0150.708合川10171.0600.5861.7510.745圖2形狀系數(shù)(1)的沿程變化規(guī)律Variationof1alongtheriver圖3形狀系數(shù)(2)的沿程變化規(guī)律Variationof2alongtheriver圖4形狀系數(shù)(3)的沿程變化規(guī)律Variationof3alongtheriver圖5形狀系數(shù)(4)的沿程變化規(guī)律Variationof4alongtheriver圖中曲線所對應(yīng)的回歸方程如下1=L+11.6/-0.445+0.903(L+11.6)+0.00004(L+11.6)2(1)2=0.341+0.012L0.431(2)3=3.33(1+L)-0.082(3)4=0.562+0.026L0.278(4)3.2卵石形狀分類Th.Zingg根據(jù)比值c/b和b/a將卵石顆粒分成盤形、球形、柱形及棱形四種1。圖6給出了上中下三個不同采樣位置的Zingg卵石形狀分類，圖中的每一個點代表一個卵石樣本。從中也可以明顯地看出，在河流上游的山口附近(王正溝)，卵石主要呈盤形和棱形，而在下游(合川)，卵石經(jīng)過磨損，變成以盤形和球形為主。4結(jié)論1.通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以得到卵石的幾何參數(shù)，如特征直徑、扁平指標(biāo)、三軸形狀參數(shù)和圓度系數(shù)等，為研究河床卵石的幾何形態(tài)提供了高效的、可靠的手段。圖6嘉陵江卵石形狀分類圖ClassificationofgravelintheJialingRiver研究成果有助于卵石推移質(zhì)運動機理的深入研究。2.嘉陵江卵石幾何形態(tài)的特征參數(shù)沿程呈現(xiàn)規(guī)律性變化。扁平指標(biāo)沿程減小，球度系數(shù)沿程增大。表明卵石在河道中從上游到下游，形狀逐漸趨于圓球狀。根據(jù)c/b和b/a對卵石的分類表明，在嘉陵江上游，卵石以盤形和棱形為主，而在下游，則以球形為主。參考文獻1泥沙手冊。中國水利學(xué)會泥沙專業(yè)委員會主編。北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.2洪柔嘉，錢寧。泥沙顆粒分析的顯微鏡放大法。泥沙研究，1958，(2)：95-99.3曲兆松。岷江卵石運動規(guī)律研