水工模型試驗(yàn)中測(cè)壓排測(cè)值圖像數(shù)字處理方法

劉 彧，周 琦，于汪洋

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，北京 100038；2.清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

1 研究背景

在水電站泄洪消能模型試驗(yàn)中，對(duì)于沖擊壓強(qiáng)的測(cè)定是一個(gè)很常見(jiàn)的試驗(yàn)內(nèi)容。時(shí)均壓強(qiáng)是一項(xiàng)非常重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，一般來(lái)講，測(cè)壓排是水工水力學(xué)模型試驗(yàn)中測(cè)量時(shí)均壓強(qiáng)最直觀簡(jiǎn)便的一種測(cè)量工具，傳統(tǒng)的測(cè)壓排數(shù)據(jù)處理方法，是根據(jù)測(cè)壓排后面的刻度紙進(jìn)行直接讀數(shù)的較為原始、機(jī)械重復(fù)的人工讀數(shù)方法。

在近年來(lái)的試驗(yàn)手段中，也較常使用傳感儀進(jìn)行測(cè)量，雖然可以直接測(cè)得測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，但是在測(cè)點(diǎn)較多的模型試驗(yàn)中就顯得成本非常高，并且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也不如直接通過(guò)測(cè)壓排觀察直觀可辨。不少研究人員對(duì)如何對(duì)測(cè)壓排進(jìn)行自動(dòng)讀數(shù)開(kāi)展了研究，目前有通過(guò)在測(cè)壓管水面放置有色小球，在照片中可以發(fā)現(xiàn)水注的頂端由于有色小球的亮度值較高，可以比較容易的實(shí)現(xiàn)測(cè)壓排數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取［1-2］，但是放置有色小球可能會(huì)導(dǎo)致工作量的增加及水面的高度變化，因此如何不對(duì)水面進(jìn)行特殊處理而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

本文主要闡述了在白鶴灘水力學(xué)模型試驗(yàn)［3-5］中，以測(cè)壓排的直接讀數(shù)為基礎(chǔ)，在沒(méi)有對(duì)測(cè)壓排進(jìn)行特殊操作的情況下，通過(guò)對(duì)照片數(shù)字圖像處理來(lái)進(jìn)行水面的自動(dòng)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)壓排水柱的高度的自動(dòng)讀取。該方法對(duì)現(xiàn)有的測(cè)壓排直接讀數(shù)手段進(jìn)行了改進(jìn)，并可以實(shí)現(xiàn)批量化處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 測(cè)壓排測(cè)值圖像數(shù)字處理方法

測(cè)壓排是水力學(xué)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量時(shí)均壓強(qiáng)最直觀最實(shí)用的一種方法，它能讀取一定時(shí)間內(nèi)的最大值和最小值用于分析平均值，但測(cè)壓管測(cè)量方法本身具有一定的缺陷，如測(cè)壓管對(duì)流動(dòng)有阻尼不易獲得最大壓力值，布置有一定密度限制且不易更改等，實(shí)際操作中可通過(guò)改進(jìn)測(cè)壓排及連接管材質(zhì)或者加大布置的密度來(lái)改進(jìn)，也會(huì)因此加大數(shù)據(jù)讀取的工作量，而且很難精確；為了改進(jìn)這個(gè)缺點(diǎn)，數(shù)字圖像自動(dòng)處理技術(shù)的應(yīng)用掌握必不可少。自動(dòng)讀取法主要是通過(guò)對(duì)ArcGIS進(jìn)行程序的編寫(xiě)，從而對(duì)測(cè)壓排照片進(jìn)行數(shù)字圖像預(yù)處理，最后達(dá)到可以批量省時(shí)省力處理測(cè)壓排讀數(shù)的過(guò)程。

2.1 方法簡(jiǎn)介測(cè)壓排壓力值是通過(guò)照片或?qū)崟r(shí)攝像對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)并讀數(shù)的，在充分研究測(cè)壓排的圖片特征后，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)壓管水柱與空氣界面亮度值的差異顯著，即玻璃管中有水的部分亮度值較高，而沒(méi)有水的部分亮度值較低。讀取測(cè)壓排水柱的高度就是要確定水柱頂端的位置。所以本方法從水柱頂端的影像作為突破口，利用接觸面的亮度差異設(shè)計(jì)讀取方法，從而提取出頂端的位置點(diǎn)，最后讀取這些點(diǎn)的坐標(biāo)，即可以得到水柱的高度。

以1#、3#、5#表孔工況下斷面1的測(cè)壓排為例（見(jiàn)圖1）。

圖1 測(cè)壓排照片示例

坡度（Slope）在數(shù)字圖像處理技術(shù)中是確定每個(gè)像元和它的鄰近像元之間值的最大的變化率［6］。默認(rèn)的是計(jì)算坡度的變化率（即一個(gè)角度的測(cè)量）。

ArcMap是一個(gè)可用于數(shù)據(jù)輸入、編輯、查詢(xún)、分析等功能的應(yīng)用程序，具有基于地圖的所有功能，實(shí)現(xiàn)如地圖制圖、地圖編輯、地圖分析等功能［7］。它包含一個(gè)復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)制圖和編輯系統(tǒng)，利用其中的SLOPE 函數(shù)，生成坡度數(shù)據(jù)，在生成的坡度影像中大部分區(qū)域的坡度較大，但是在水柱頂管有塊呈帶狀的坡度較大的斑塊，該區(qū)域的坡度都在89度以上。

坡向（Aspect）可以理解為水柱與空氣接觸面的上行方向，與等高線垂直。在ArcMap中計(jì)算中，可以認(rèn)為是每個(gè)像元與其鄰近像元變化率最大的下坡方向［8］。在得到的坡向計(jì)算結(jié)果中，用0到360度的羅盤(pán)方向表示，依照順時(shí)針?lè)较?。?dāng)曲面z=f（x，y）已知時(shí)，通過(guò)公式計(jì)算給定點(diǎn)的坡向。

其中fx是東西方向高程變化率，fy是南北方向高程變化率。計(jì)算中所用到的亮度值情況如圖2所示。

圖2 3×3分析窗口

式中cellsize為像元的大小。

利用坡度計(jì)算，從而提取水柱頂端的位置，達(dá)到批量數(shù)據(jù)處理的目的。

2.2 測(cè)試圖像前期的預(yù)處理因?yàn)樾枰_定的是水柱頂端的位置，所以只將包含水柱頂端的位置裁剪下來(lái)即可。任意截取該工況下數(shù)個(gè)水柱頂端照片，如圖3所示。

進(jìn)行坡度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖3 只包含水柱頂端的照片截圖

從圖中可以看出，水柱頂管的坡向?yàn)镹orth，坡向主要在0°～22.5°和337.5°～360°之間。

2.3 測(cè)壓排水位位置確定計(jì)算過(guò)程結(jié)合水柱頂端在坡度圖像和坡向圖像中的特點(diǎn)，提取水柱頂端的圖像。利用柵格計(jì)算工具Raster Calculator［9］，設(shè)置坡度坡向條件，提取水柱頂端區(qū)域，設(shè)置的條件語(yǔ)句為：

Result=con（slope＞89&（（aspect ＞0&aspect ＜20）|（aspect ＞350&aspect ＜360）），1）；

其中，con函數(shù)是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的IF-ELSE結(jié)構(gòu)的地圖代數(shù)函數(shù)［10］。執(zhí)行上述表達(dá)式，并將提取的影像與原測(cè)壓排圖像疊加，得到圖5，從圖中可以看出，水柱頂端在圖像上呈現(xiàn)塊狀分布，但是提取結(jié)果還是存在一些碎點(diǎn)，表明在原圖像上仍有局部點(diǎn)也符合坡度坡向的限定條件。

圖4 生成的坡向影像

圖5 根據(jù)坡度和坡向的限定條件提取得到的結(jié)果與測(cè)壓排原圖疊加

從圖中可以清楚的看到，提取的斑塊正好處于水柱的頂端，說(shuō)明設(shè)置的條件是合理的。

由于提取結(jié)果中存在一些碎點(diǎn)，要將其去除，首先需要統(tǒng)計(jì)每個(gè)有值像元的個(gè)數(shù)，然后將個(gè)數(shù)大于某個(gè)限定值的區(qū)域留下，小于這一限定值的碎點(diǎn)全部去掉。在ArcMap 中，對(duì)于同一個(gè)區(qū)域的一組像元，無(wú)論它們的像元值是否相同，RegionGroup函數(shù)會(huì)給這些像元一個(gè)唯一的值，這個(gè)值就是這一組像元的個(gè)數(shù)［11］。這里用RegionGroup函數(shù)對(duì)提取的結(jié)果進(jìn)行處理：

得到各個(gè)區(qū)域內(nèi)像元個(gè)數(shù)后，把小于設(shè)定限定值的碎點(diǎn)去除，使用SetNull語(yǔ)句：

利用SetNull 函數(shù)檢驗(yàn)當(dāng)前像元［12］并將這些斑塊與原測(cè)壓排的圖像疊加，得到的結(jié)果如圖6，圖像上的碎點(diǎn)已經(jīng)去除，只留下水柱頂端的斑塊。

圖6 去除碎點(diǎn)提取得到的結(jié)果與測(cè)壓排原圖疊加

提出水柱頂端的斑塊后，仍然有一個(gè)問(wèn)題需要解決：在有些水柱頂端有兩個(gè)甚至多個(gè)小的斑塊，而每個(gè)水柱頂端理想狀況下提取的是一個(gè)斑塊，從而讀出一個(gè)讀數(shù)，所以需要將小的斑塊合并成一個(gè)較大斑塊。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)將每個(gè)斑塊向外擴(kuò)張3個(gè)像元即可行之有效地將小的斑塊連接起來(lái)。可以利用Expand函數(shù)處理，增加選定區(qū)域的大小，通過(guò)從周?chē)拔铡毕裨?，這樣與擴(kuò)展區(qū)域相鄰的小區(qū)域會(huì)消失［13］。疊加測(cè)壓排圖像，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 提取得到的結(jié)果與測(cè)壓排原圖疊加

圖8 根據(jù)水柱頂端斑塊提取出的斑塊幾何中心的矢量圖與測(cè)壓排原圖的疊加

為了讀取水柱高度的數(shù)據(jù)，需要確定的是水柱頂端一個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，所以需要確定斑塊的幾何中心，作為讀數(shù)點(diǎn)。由于圖7所示斑塊為柵格圖像格式，不容易提取圖像中心，所以需要將其轉(zhuǎn)化為矢量圖像，可使用Raster to Pogon 工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可得到矢量圖，接著利用Feature to Point 工具，可以直接提取出斑塊幾何中心的點(diǎn)圖層，將其與原測(cè)壓排疊加，結(jié)果如圖8 所示，從圖中可以直觀地看出，提取的幾何中心點(diǎn)基本都位于水柱頂端的位置。

2.4 測(cè)壓排水位值自動(dòng)提取要進(jìn)行模型的集成，首先要利用ModelBuilder為創(chuàng)建模型和復(fù)雜的工作流提供一個(gè)圖形環(huán)境［13-14］。根據(jù)工作流可以將模型可視化。模型存儲(chǔ)在ArcToolbox中，并可以用不同的參數(shù)重新運(yùn)行。可以對(duì)模型進(jìn)行編輯來(lái)改變運(yùn)行環(huán)境，添加或刪除工具或數(shù)據(jù)，或者改變參數(shù)或?qū)傩浴?/p>

在自動(dòng)讀數(shù)工具提取出水柱頂端的點(diǎn)圖層后，需要確定并導(dǎo)出這些點(diǎn)的坐標(biāo)，其中縱坐標(biāo)即為測(cè)壓管的讀數(shù)。接下來(lái)用該工具提取出水柱頂端的點(diǎn)圖層后，確定并導(dǎo)出這些點(diǎn)的坐標(biāo)，其中縱坐標(biāo)即為測(cè)壓排的讀數(shù)。通過(guò)Calculate Geometry 命令即可自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)，并將結(jié)果導(dǎo)入excel表格中，根據(jù)圖片模擬值與真實(shí)值的比例關(guān)系建立線性方程求得兩者的比例大小。設(shè)方程為：

將照片中最右邊兩個(gè)點(diǎn)的實(shí)際讀數(shù)和在ArcMap 中讀數(shù)（17.20，1.17），（17.25，1.25）代入式（5）中，得到a=0.63，b=16.46。將輸出點(diǎn)在ArcMap中讀數(shù)代入式（5），即得到各個(gè)點(diǎn)的實(shí)際讀數(shù)。

以上步驟可以進(jìn)行批量化處理

總結(jié)操作流程如圖9所示。

3 測(cè)壓排水位自動(dòng)提取效果驗(yàn)證

通過(guò)上述處理過(guò)程，在ArcMap中導(dǎo)出圖例中11根水柱的讀數(shù)，與人工讀數(shù)可做一對(duì)比，如表1所示。

圖9 測(cè)壓排讀數(shù)自動(dòng)讀取的程序流程圖

表1 自動(dòng)讀取法的讀數(shù)與人口讀取的結(jié)果的對(duì)照表

利用水柱頂端兩邊亮度值的差異設(shè)計(jì)自動(dòng)讀數(shù)的方法，可以提取測(cè)壓排水柱頂端的點(diǎn)來(lái)得到水柱的高度，從直接讀數(shù)和自動(dòng)讀數(shù)的結(jié)果對(duì)比看來(lái)，讀數(shù)普遍偏大一些，誤差來(lái)源可能主要與照片的變形以及自動(dòng)讀取水位的位置有關(guān)，但相對(duì)誤差控制在0.460%～1.667%之間。

4 結(jié)論

該處理方法的特點(diǎn)如下：（1）無(wú)需對(duì)試驗(yàn)中的單個(gè)測(cè)壓管進(jìn)行額外的人工處理，如采取添加指示標(biāo)志等方法，可直接使用原始實(shí)測(cè)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀??；（2）因?yàn)槭抢脠D像中測(cè)壓管水柱與空氣的接觸面進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，所以較人為讀數(shù)而言客觀性更強(qiáng)，是切實(shí)可行并且高效的；（3）相對(duì)于傳感器的高成本而言，該方法使用普通的數(shù)碼照相機(jī)即可實(shí)現(xiàn)時(shí)均壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)成本較低，且若進(jìn)行攝像采樣并利用該技術(shù)對(duì)之進(jìn)行逐幀處理，還可得到各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)變化過(guò)程；（4）通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該方法能夠批量處理以節(jié)省時(shí)間提高準(zhǔn)確度，在模型試驗(yàn)中有一定的應(yīng)用前景。