專利名稱：一種河流水環(huán)境物理模型測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于河流水環(huán)境模擬試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種河流水環(huán)境物理模型測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
研發(fā)具有自動化、智能化的河流水環(huán)境模型試驗(yàn)裝置及相應(yīng)技術(shù)方案，對河流水環(huán)境保護(hù)，尤其是在排污規(guī)劃、治理、決策等方面具有十分重要的價(jià)值。一般地，河流水環(huán)境物理模型試驗(yàn)是將實(shí)際河流地形轉(zhuǎn)換為縮小的室內(nèi)河道物理模型，再模擬污染物在天然河道中的遷移和擴(kuò)散狀況，為河流水環(huán)境治理提供最直觀的依據(jù)。室內(nèi)河流物理模型測量技術(shù)的發(fā)展方向是無接觸式多點(diǎn)測量，能滿足該要求的技術(shù)有數(shù)字近景測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)。數(shù)字近景測量方法通過在室內(nèi)物理模型周圍布置若干特征點(diǎn)，采用極線約束等立體匹配方法實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的配對，再利用基于視覺原理進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)地形同時(shí)測量，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)非接觸測量，測量效率較高，但是測量操作復(fù)雜，制約因素較多，特別是三維坐標(biāo)需要通過計(jì)算得到，準(zhǔn)確性難以保證；三維激光掃描是基于三角測量原理進(jìn)行的，優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)大范圍的三維地形測量，測量精度和效率都較高，但儀器昂貴且需對大量數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行地形剖面生成和套繪后處理，后處理操作十分復(fù)雜?？傮w而言，現(xiàn)有技術(shù)往往造成所建物理模型出現(xiàn)較大的地形誤差，不但會降低模型的相似性，也會對水環(huán)境室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果(如污染帶模擬)產(chǎn)生較大干擾，需要開發(fā)出新型試驗(yàn)裝置及方法，確保所建物理模型制作和水環(huán)境指標(biāo)測量的精度。近年來被用于體驗(yàn)式互動的體感外設(shè)Kinect光編碼模式，有別于傳統(tǒng)感應(yīng)技術(shù)，用結(jié)構(gòu)光對空間進(jìn)行標(biāo)記，通過檢測物體上的結(jié)構(gòu)光信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間坐標(biāo)定位。該技術(shù)可擴(kuò)展性強(qiáng)，設(shè)備終端可以高度集成 微型化，更重要的是操作簡易，成本低廉。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單、地形誤差小且測量精確的河流水環(huán)境物理模型測量裝置及方法。技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種河流水環(huán)境物理模型測量裝置，包括懸掛式軌道、移動平臺、行走支撐、水平滑輪、伸縮桿、球形軸承、Kinect設(shè)備和控制與通訊設(shè)備，在室內(nèi)河流物理模型上方1.0 1.2m處平行布置兩個(gè)所述懸掛式軌道，所述移動平臺的兩端分別架設(shè)在兩個(gè)所述懸掛式軌道上并通過所述行走支撐實(shí)現(xiàn)水平移動，所述水平滑輪在所述移動平臺中滾動，所述伸縮桿從所述水平滑輪的中心向下延伸并在豎直方向上伸縮，所述Kinect設(shè)備通過所述球形軸承連接在所述伸縮桿的底部，所述控制與通訊設(shè)備安裝上所述移動平臺上。進(jìn)一步，所述懸掛式軌道的長度不小于室內(nèi)河流物理模型的縱向長度，所述移動平臺的長度為室內(nèi)河流物理模型的橫向?qū)挾?，保證對室內(nèi)河流物理模型的全景掃描，掃描數(shù)據(jù)完整，提高試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。
為了提高測量精度，采用分區(qū)測量和分區(qū)誤差校核的方法，所述懸掛式軌道在其長度方向上劃分出至少5個(gè)分區(qū)，每個(gè)所述分區(qū)分別設(shè)置一組配套的移動平臺、水平滑輪、伸縮桿、球形軸承和Kinect設(shè)備，對每一區(qū)的精確掃描可提高模型的相似度，從而確保試驗(yàn)測量值的有效性，提高測量數(shù)值對河流水環(huán)境污染控制的指導(dǎo)意義。使用上述的河流水環(huán)境物理模型測量裝置的河流水環(huán)境物理模型測量方法，包括如下步驟:(I)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:將實(shí)際河道地形的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為與其相似的一種室內(nèi)河道標(biāo)準(zhǔn)物理模型的數(shù)據(jù)集，以模型一角為原點(diǎn)建立模型地形坐標(biāo)系，將平面坐標(biāo)系劃分為尺寸為IOmmX IOmm的網(wǎng)格，將模型地形坐標(biāo)及模型糙率范圍賦值到對應(yīng)坐標(biāo)的網(wǎng)格中，根據(jù)試驗(yàn)要求確定比尺、加糙方式及其糙率，據(jù)此進(jìn)行物理建模和人工加糙完成原始的室內(nèi)河流物理模型；(2)掃描測量:由控制與通訊設(shè)備控制移動平臺在懸掛式軌道上縱向前后移動，水平滑輪帶動Kinect設(shè)備在移動平臺上橫向左右逐行掃描，對于逐行掃描無法識別的局部復(fù)雜地形，控制與通訊設(shè)備通過控制伸縮桿的上下伸縮和球形軸承的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)Kinect設(shè)備對局部復(fù)雜地形的三維掃描，Kinect設(shè)備獲得所述原始的室內(nèi)河流物理模型的三維地形數(shù)據(jù)和人工加糙體數(shù)據(jù)；(3)誤差修正:將步驟(2)獲得的原始的室內(nèi)河流物理模型的三維地形數(shù)據(jù)和人工加糙體數(shù)據(jù)與室內(nèi)河道標(biāo)準(zhǔn)物理模型的數(shù)據(jù)集進(jìn)行順序?qū)Ρ?，設(shè)定誤差范圍，人工調(diào)整超過誤差范圍的室內(nèi)河流物理模型區(qū)域的地形尺寸和加糙程度，最終得到修正的室內(nèi)河流物理模型；(4)擴(kuò)散觀測: 在修正的室內(nèi)河流物理模型上游放入清水，污染排口放入示蹤劑進(jìn)行染色模擬污染物的遷移擴(kuò)散，重復(fù)步驟(2)由控制與通訊設(shè)備控制移動平臺、水平滑輪和伸縮桿實(shí)現(xiàn)Kinect設(shè)備的三維移動進(jìn)行掃描，觀測得到示蹤劑的擴(kuò)散圖像，對獲得的圖像數(shù)據(jù)逐幀處理，研究污染物對于流域的影響狀況。優(yōu)選地，步驟(I)所述人工加糙時(shí)對人工加糙體進(jìn)行染色處理，步驟(2)所述人工加糙體數(shù)據(jù)為Kinect設(shè)備用獲得的RGB圖像識別人工加糙體，由深度圖像獲取人工加糙體尺寸，利用RGB圖像和深度圖像結(jié)合的方式，可獲得準(zhǔn)確的人工加糙體參數(shù)，有助于提高修正后的室內(nèi)河流物理模型的標(biāo)準(zhǔn)性。優(yōu)選地，步驟(2)中所述Kinect設(shè)備逐行掃描采用錯(cuò)距法掃描方式=Kinect設(shè)備在室內(nèi)河流物理模型的寬度方向上進(jìn)行逐行掃描，掃描完一行后，行走支撐前進(jìn)半行的距離進(jìn)行第二行掃描，行與行之間產(chǎn)生半行大小的重疊區(qū)域，相鄰兩行之間的重疊區(qū)域被掃描兩次，掃描面積重復(fù)率為50%，每行掃描結(jié)束，計(jì)算重疊區(qū)域坐標(biāo)掃描誤差系數(shù):
權(quán)利要求
1.一種河流水環(huán)境物理模型測量裝置，包括懸掛式軌道(5)、移動平臺(I)、行走支撐(4)、水平滑輪(2)、伸縮桿(3)、球形軸承(6)、Kinect設(shè)備(7)和控制與通訊設(shè)備(8)，其特征在于:在室內(nèi)河流物理模型上方1.0 1.2m處平行布置兩個(gè)所述懸掛式軌道(5)，所述移動平臺(I)的兩端分別架設(shè)在兩個(gè)所述懸掛式軌道(5)上并通過所述行走支撐(4)實(shí)現(xiàn)水平移動，所述水平滑輪(2)在所述移動平臺(I)中滾動，所述伸縮桿(3)從所述水平滑輪(2)的中心向下延伸并在豎直方向上伸縮，所述Kinect設(shè)備(7)通過所述球形軸承(6)連接在所述伸縮桿(3 )的底部，所述控制與通訊設(shè)備(8 )安裝上所述移動平臺(I)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型測量裝置，其特征在于:所述懸掛式軌道(5)的長度不小于室內(nèi)河流物理模型的縱向長度，所述移動平臺(I)的長度為室內(nèi)河流物理模型的橫向?qū)挾取?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的河流水環(huán)境物理模型測量裝置，其特征在于:所述懸掛式軌道(5)在其長度方向上劃分出至少5個(gè)分區(qū)，每個(gè)所述分區(qū)分別設(shè)置一組配套的移動平臺(I)、水平滑輪(2)、伸縮桿(3)、球形軸承(6)和Kinect設(shè)備(7)。
4.一種使用如權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型測量裝置的河流水環(huán)境物理模型測量方法，其特征在于:包括如下步驟: (I)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:將實(shí)際河道地形的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為與其相似的一種室內(nèi)河道標(biāo)準(zhǔn)物理模型的數(shù)據(jù)集，以模型一角為原點(diǎn)建立模型地形坐標(biāo)系，將平面坐標(biāo)系劃分為尺寸為IOmmXlOmm的網(wǎng)格，將模 型地形坐標(biāo)及模型糙率范圍賦值到對應(yīng)坐標(biāo)的網(wǎng)格中，根據(jù)試驗(yàn)要求確定比尺、加糙方式及其糙率，據(jù)此進(jìn)行物理建模和人工加糙完成原始的室內(nèi)河流物理模型； (2 )掃描測量:由控制與通訊設(shè)備(8 )控制移動平臺(I)在懸掛式軌道(5 )上縱向前后移動，水平滑輪(2)帶動Kinect設(shè)備(7)在移動平臺(I)上橫向左右逐行掃描，對于逐行掃描無法識別的局部復(fù)雜地形，控制與通訊設(shè)備(8)通過控制伸縮桿(3)的上下伸縮和球形軸承(6)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)Kinect設(shè)備(7)對局部復(fù)雜地形的三維掃描，Kinect設(shè)備(7)獲得所述原始的室內(nèi)河流物理模型的三維地形數(shù)據(jù)和人工加糙體數(shù)據(jù)； (3)誤差修正:將步驟(2)獲得的原始的室內(nèi)河流物理模型的三維地形數(shù)據(jù)和人工加糙體數(shù)據(jù)與室內(nèi)河道標(biāo)準(zhǔn)物理模型的數(shù)據(jù)集進(jìn)行順序?qū)Ρ龋O(shè)定誤差范圍，人工調(diào)整超過誤差范圍的室內(nèi)河流物理模型區(qū)域的地形尺寸和加糙程度，最終得到修正的室內(nèi)河流物理模型； (4)擴(kuò)散觀測:在修正的室內(nèi)河流物理模型上游放入清水，污染排口放入示蹤劑進(jìn)行染色模擬污染物的遷移擴(kuò)散，重復(fù)步驟(2)由控制與通訊設(shè)備(8)控制移動平臺(I)、水平滑輪(2)和伸縮桿(3)實(shí)現(xiàn)Kinect設(shè)備(7)的三維移動進(jìn)行掃描，觀測得到示蹤劑的擴(kuò)散圖像，對獲得的圖像數(shù)據(jù)逐幀處理，研究污染物對于流域的影響狀況。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的河流水環(huán)境物理模型測量方法，其特征在于:步驟(I)所述人工加糙時(shí)對人工加糙體進(jìn)行染色處理，步驟(2)所述人工加糙體數(shù)據(jù)通過Kinect設(shè)備(7)獲得RGB圖像用以識別人工加糙體，由深度圖像獲取人工加糙體尺寸得到人工加槽體糙率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的河流水環(huán)境物理模型測量方法，其特征在于:步驟(2)中所述Kinect設(shè)備(7)逐行掃描采用錯(cuò)距法掃描方式=Kinect設(shè)備(7)在室內(nèi)河流物理模型的寬度方向上進(jìn)行逐行掃描，掃描完一行后，行走支撐(4)前進(jìn)半行的距離進(jìn)行第二行掃描，行與行之間產(chǎn)生半行大小的重疊區(qū)域，相鄰兩行之間的重疊區(qū)域被掃描兩次，掃描面積重復(fù)率為50%,每行掃描結(jié)束,計(jì)算重疊區(qū)域坐標(biāo)掃描誤差系數(shù):
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的河流水環(huán)境物理模型測量方法，其特征在于:步驟(3)誤差修正包括以下步驟: a、將原始的室內(nèi)河流物理模型劃分成ImXIm的區(qū)域； b、將原始的室內(nèi)河流物理模型每個(gè)區(qū)域平面坐標(biāo)(Xmk，Yfflk)對應(yīng)的垂向坐標(biāo)測量值Zmk與與室內(nèi)河道標(biāo)準(zhǔn)物理模型對應(yīng)位置(Xm，Yffl)的垂向坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Zm分別進(jìn)行對比，得到對應(yīng)位置的垂向坐標(biāo)相對誤差Ze:
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的河流水環(huán)境物理模型測量方法，其特征在于:步驟(4)所述對獲得的圖像數(shù)據(jù)逐幀處理的步驟包括: 對于每幀圖像，根據(jù)RGB顏色數(shù)據(jù)通過混合高斯模型進(jìn)行聚類，得到該幀圖像上的示蹤劑區(qū)域范圍，并根據(jù)示蹤劑顏色深度與污染物濃度的對應(yīng)關(guān)系，將污染區(qū)域的顏色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為濃度數(shù)據(jù)；將得到的邊緣區(qū)域位置1、中心位置C、濃度信息P進(jìn)行處理，建立污染物擴(kuò)散運(yùn)動方程F(l，c，p)，得到污染物擴(kuò)散信息、污染物濃度分布、污染物消散時(shí)間和觀測點(diǎn)濃度變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種河流水環(huán)境物理模型測量裝置，在室內(nèi)河流物理模型上方1.0～1.2m處平行布置兩個(gè)懸掛式軌道，移動平臺的兩端分別架設(shè)在兩個(gè)懸掛式軌道上并通過行走支撐實(shí)現(xiàn)水平移動，水平滑輪在移動平臺中滾動，伸縮桿從水平滑輪的中心向下延伸并在豎直方向上伸縮，Kinect設(shè)備通過球形軸承連接在伸縮桿的底部，控制與通訊設(shè)備安裝上移動平臺上；本發(fā)明分段分區(qū)對物理模型進(jìn)行掃描測量和誤差核算，提高三維地形尺寸和人工加糙體參數(shù)的準(zhǔn)確率，采用錯(cuò)距法逐行掃描物理模型獲得三維地形尺寸，把物理模型的地形坐標(biāo)誤差控制在最小范圍內(nèi)，Kinect設(shè)備通過RGB圖像和深度圖像結(jié)合的方式識別并獲得人工加糙體的參數(shù)，操作簡單且準(zhǔn)確率高。
文檔編號G01N13/00GK103234870SQ20131012083
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者毛勁喬, 戴會超, 龔軼青, 錢景曄, 張培培 申請人:河海大學(xué), 南京河?？萍加邢薰?br>