基于图像处理技术的推移质平衡输沙试验研究

　　推移质运动规律是河流动力学研究的核心问题之一，也是解决诸多水利工程实际问题的关键。经典的推移质运动理论建立了时均意义上的输沙率与水流强度之间的关系，而在颗粒尺度上深入揭示水沙耦合运动的特性，则是目前泥沙运动力学中推移质研究的前沿和重点。《基于图像处理技术的推移质平衡输沙试验研究》基于图像处理技术的自主研发，建立了可以实现水沙同步测量的平台；进行多组次的水槽试验，获取了高时空分辨率下的推移质运动图像；通过图像处理和统计分析，深入研究了颗粒尺度下推移质运动的特征，初步揭示了瞬时的水流-泥沙运动之间的相关关系。

　　苗蔚，毕业于清华大学水利水电工程系，水力学及河流动力学方向，博士，从事水沙耦合运动机理以及图像识别算法的研究。

 
第1章引言
1.1研究的背景和意义
1.2推移质输沙研究现状综述
1.2.1推移质输沙测量方法研究综述
1.2.2推移质运动特征研究综述
1.2.3水沙耦合运动机理研究综述
1.3研究内容
第2章试验平台与过程
2.1试验平台
2.1.1水槽
2.1.2输沙量测量系统
2.1.3床面地形测量系统
2.1.4水沙同步测量系统
2.2试验过程与组次
2.2.1试验过程
2.2.2试验组次
2.2.3推移质运动统计参数
2.3本章小结
第3章推移质运动图像测量方法
3.1传统颗粒追踪方法的适用性
3.2新颗粒追踪方法
3.2.1图像预处理与相减
3.2.2颗粒追踪
3.2.3全局关联
3.3新方法有效性检验
3.3.1仿真图像检验
3.3.2真实图像检验
3.4本章小结
第4章图像测量参数对推移质运动参数的影响
4.1采样间隔的影响
4.1.1定性分析
4.1.2跳停模型
4.1.3试验验证
4.2图像测量参数的选取范围
4.2.1采样间隔
4.2.2样本容量和采样历时
4.2.3采样面积
4.3推移质运动参数的确定
4.4本章小结
第5章均匀沙运动特征
5.1运动颗粒数量
5.1.1运动颗粒数量的时均特征
5.1.2运动颗粒数量的概率密度 
5.1.3起动概率与运动概率
5.2运动颗粒速度
5.2.1运动速度的时均特征
5.2.2运动速度的概率密度
5.3运动颗粒步长与时长
5.3.1运动颗粒步长与时长的时均特征
5.3.2运动颗粒步长与时长的概率密度分布
5.4推移质输沙率
5.4.1输沙率的时均特征
5.4.2输沙率的概率密度
5.5本章小结
第6章水沙耦合关系
6.1床面形态与输沙
6.1.1床面形态
6.1.2推移质运动参数的空间分布
6.1.3床面形态与输沙
6.2瞬时输沙与瞬时水流
6.2.1瞬时水流相
6.2.2瞬时输沙相
6.2.3水沙互相关
6.3本章小结
第7章结论与展望
7.1主要结论
7.2本书创新点
7.3研究展望
参考文献
在学期间发表的学术论文与研究成果
致谢
 
 
 
Contents
Contents
1Introduction1
1.1Research Background and Significance1
1.2State of the Art2
1.2.1Review of Bed Load Transport Measuring Method2
1.2.2Review of Bed Load Motion Characteristics5
1.2.3Review of WaterSediment Movement8
1.3Research Contents10
2Setups and Process12
2.1Setups12
2.1.1Flume12
2.1.2Sediment Transport Measurement System13
2.1.3Bed Surface Topography Measurement System14
2.1.4Water and Sediment Synchronization Measurment
 System15
2.2Experimental Process and Data18
2.2.1Experimental Process18
2.2.2Experimental Data19
2.2.3Statistical Parameters of Bed Load Motion21
2.3Summary24
3Image Measurement Method of Bedload Motion25
3.1Applicability of Traditional Particle Tracking Methods25
3.2New Particle Tracking Method27
3.2.1Image Preprocessing and Subtraction27
3.2.2Particle Tracking29
3.2.3Global Connection32
3.3Validation of the New Method34
3.3.1Simulation Image Inspection34
3.3.2Real Image Inspection39
3.4Summary40
4Influence of Image Measurement Parameters on 
Bedload Characteristics41
4.1Sampling Interval41
4.1.1Theoretical Analysis41
4.1.2“FlightRest” Model43
4.1.3Experimental Verification45
4.2Range of Image Measurement Parameters48
4.2.1Sampling Interval49
4.2.2Sampling Size and Duration49
4.2.3Sampling Area51
4.3Determination Bedload Motion Parameters54
4.4Summary55
5Characteristics of Uniform Bedload Movement57
5.1Number of Moving Particles58
5.1.1TimeAveraged Characteristics58
5.1.2PDFs61
5.1.3Entrainment Probability and Movement Probability63
5.2Velocity of Moving Particles66
5.2.1TimeAveraged Characteristics66
5.2.2PDFs68
5.3Flight Length and Duration of Moving Particles72
5.3.1TimeAveraged Characteristics72
5.3.2PDFs75
5.4Bed Load Transport Rate78
5.4.1TimeAveraged Characteristics78
5.4.2PDFs80
5.5Summary81
6Relationship Between Water and Sediment83
6.1Bed Surface Morphology and Bedload Transport83
6.1.1Bed Surface Morphology83
6.1.2Spatial Distribution of Bedload Motion Parameters86
6.1.3The Relationship Between Bed Surface Morphology 
and Transport88
6.2Instantaneous Bedload Transport and Flow92
6.2.1Instantaneous Flow92
6.2.2Instantaneous Sediment96
6.2.3CrossCorrelation Between Water and Sediment99
6.3Summary102
7Conclusion and Prospect104
7.1Conclusion104
7.2Innovation106
7.3Prospect106
References108
Academic Papers and Research Results Published During the Study118
Acknowledgements120