圖像處理技術(shù)在河流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

婁 廈， 劉宏哲， 鐘桂輝， 劉曙光

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

0 引 言

河流動(dòng)力學(xué)課程是港口航道與海岸工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，河流動(dòng)力學(xué)內(nèi)容包括河道水流結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)動(dòng)、河床演變規(guī)律，具有很強(qiáng)的理論性、經(jīng)驗(yàn)性和學(xué)科交叉特性，在水利、環(huán)境、交通等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1-2］。開設(shè)這門課程的目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)、了解和掌握河道水流結(jié)構(gòu)、泥沙顆粒特性及運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河床演變基本原理及分析方法，從而可以運(yùn)用專業(yè)知識解決工程領(lǐng)域相關(guān)問題，為將來從事水利、環(huán)境、交通相關(guān)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理工作打下基礎(chǔ)。

以往的河流動(dòng)力學(xué)教學(xué)，大多以課堂教學(xué)為主，采用多媒體和板書相結(jié)合的形式，借助多媒體教學(xué)課件的動(dòng)、靜態(tài)等圖片演示效果，結(jié)合課程內(nèi)容形象展示水沙運(yùn)動(dòng)的物理過程［3-4］。然而，授課過程中存在概念抽象、內(nèi)容寬泛、理論復(fù)雜、經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)等諸多問題，尤其是紊流發(fā)育、泥沙起動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)部分是河流動(dòng)力學(xué)課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

我校水利工程系港口航道與海岸工程專業(yè)于2017年開展了河流動(dòng)力學(xué)上海市精品課程建設(shè)工作，秉承以學(xué)生為中心的教育理念，進(jìn)行教學(xué)改革研究，通過改革教學(xué)大綱和教學(xué)方法，實(shí)施課堂教學(xué)－實(shí)驗(yàn)教學(xué)－科研反哺教學(xué)相輔相成的多元協(xié)同機(jī)制［5］。其中，針對河流動(dòng)力學(xué)中紊流發(fā)育、泥沙起動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)部分內(nèi)容，在原有課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，增設(shè)基于圖像處理技術(shù)的含植物水流紊動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革與探索，以提高教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

1 圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)［6-7］是通過計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行去除噪聲、濾波、增強(qiáng)、復(fù)原、分割等處理，而提取圖像特征的方法和技術(shù)。數(shù)字圖像可以進(jìn)行線性、非線性運(yùn)算，且在存儲、復(fù)制、運(yùn)算等過程中能夠保持圖像精度，不會(huì)發(fā)生圖像質(zhì)量退化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)在水利、環(huán)境、工農(nóng)、林木、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)字圖像是基于像素點(diǎn)的位圖圖像，通過光線矯正等一系列預(yù)處理方法將高清相機(jī)拍攝所得出的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。這樣一幅圖像可以理解成一個(gè)二維函數(shù)，在任一對空間坐標(biāo)上的值稱為該點(diǎn)圖像的灰度。通過污染物濃度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲取污染物濃度與圖像灰度的關(guān)系曲線。基于該關(guān)系曲線，可獲得不同實(shí)驗(yàn)條件下污染物濃度分布情況。基本流程如圖1所示。

圖1 圖像處理流程

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

隨著河流生態(tài)保護(hù)意識的增強(qiáng)，追求“人水和諧”的生態(tài)河道建設(shè)越來越受到重視［8-9］。生態(tài)河道是在滿足防洪、排澇、引水等河道基本功能的基礎(chǔ)上，通過人工修復(fù)措施構(gòu)建健康、完整、穩(wěn)定的河道水生態(tài)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的加固堤壩、硬化河床、打撈泥沙等河道整治工程相比，生態(tài)河道集防護(hù)、綠化、生態(tài)修復(fù)為一體，構(gòu)建接近于自然狀態(tài)的水、河岸、植被生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)和環(huán)境保護(hù)的完美結(jié)合，不僅能達(dá)到防洪排澇的目的，同時(shí)可以促進(jìn)河道生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與發(fā)展，改善水質(zhì)，提高河道自凈能力。

生態(tài)河道建設(shè)過程中，水生植物作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅為生物提供棲息地和食物來源，還對水流結(jié)構(gòu)和水環(huán)境具有重要影響。水生植物的存在使得河道水流阻力增加，行洪能力降低，改變河道的水流阻力和紊動(dòng)發(fā)育。同時(shí)，水生植物還可以影響泥沙懸浮，緩解水流對河岸的侵蝕，維持河床穩(wěn)定及河流蜿蜒度，影響河流水環(huán)境特征［10-11］。

因此，含植物河道紊動(dòng)發(fā)育、泥沙起動(dòng)、物質(zhì)輸運(yùn)研究對生態(tài)型河道防洪能力計(jì)算、生態(tài)護(hù)岸護(hù)坡設(shè)計(jì)及河道植物景觀設(shè)計(jì)都具有重要意義。通過多尺度水流紊動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，模擬植物影響下河道的紊動(dòng)特征、泥沙起動(dòng)及污染物擴(kuò)散過程，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生直觀地理解河道水流紊動(dòng)的發(fā)育，結(jié)合理論公式使學(xué)生進(jìn)一步掌握紊動(dòng)能量泥沙起動(dòng)流速和污染物濃度的計(jì)算和分析方法。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，側(cè)重于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生開展自主設(shè)計(jì)，開展科研反哺教學(xué)，激發(fā)學(xué)生對新知識、新技術(shù)的追求欲望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)在河道模擬系統(tǒng)中布置一定密度的木棒模擬剛性植物，在底床布置一定級配的泥沙模擬河道底床，通過帶顏色示蹤劑來模擬河道中的污染物。

（1）含植物河道模擬系統(tǒng)。含植物河道模擬系統(tǒng)由河道裝置、供水裝置、植物裝置、底泥裝置組成，其中河道裝置包括溢流水槽、擋水板、有機(jī)玻璃薄板；供水裝置包括供水箱及備用水箱、流量調(diào)節(jié)閥、抽水泵、蠕動(dòng)泵、水管若干。植物裝置包括植物模型（木棒）、模型支座；底泥裝置包括攔沙槽、天然砂、電子天平。

（2）示蹤劑。選擇無吸附作用的胭脂紅和有吸附作用的亮藍(lán)兩種示蹤劑。胭脂紅是《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB2760-2007）允許使用的色素［12-13］，滿足本實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)要求：① 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)不會(huì)對示蹤劑產(chǎn)生吸附作用；②示蹤劑對環(huán)境無污染。因此，實(shí)驗(yàn)選取紅色食用色素（胭脂紅）作為示蹤劑，質(zhì)量濃度為1 g／1 001 g（1 g示蹤劑，1 000 g蒸餾水）；亮藍(lán)具有吸附作用，符合等溫吸附規(guī)律，在動(dòng)水靜水中吸附速率均較快，質(zhì)量濃度為1 g／1 001 g（1 g 示蹤劑，1 000 g 蒸餾水）［14］。

（3）污染物投放裝置。污染物配置及投放裝置由廣口瓶（200 mL、500 mL）、流量調(diào)節(jié)閥、軟木塞、有機(jī)玻璃管、橡膠管、止水夾、膠頭滴管、量筒（100 mL、20 mL）組成，通過控制流量模擬不同濃度污染物進(jìn)入含植物河道之后在植物引起的紊動(dòng)作用下的擴(kuò)散過程。

（4）監(jiān)測儀器。通過流速儀測定含植物水流的流速分布，由單反相機(jī)、黑白色帷幕、LED燈組成的污染物監(jiān)測系統(tǒng)記錄污染物運(yùn)移過程中的濃度場變化。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置由含植物河道模擬系統(tǒng)和污染物監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成（見圖2）。

圖2 河流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

模擬河道長104 cm、高63 cm、寬66 cm，由厚度為1 cm的透明有機(jī)玻璃制作而成，沿長度方向依次設(shè)置為進(jìn)水箱、模擬河道、出水箱。進(jìn)水箱長21 cm，高63 cm，寬66 cm。進(jìn)水箱下部管口通過橡膠管與穩(wěn)定水頭水箱相連，另外一側(cè)的下部管口與水泵相連。出水口設(shè)有200目的金屬濾網(wǎng)和金屬透水插板，既保證水流能通過又保證泥沙不漏出。3個(gè)區(qū)域連接處均設(shè)有止水橡膠，防止水滲漏。外部水源將水注入穩(wěn)定水頭水箱，待水流加入到滿足實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，停止加水，開啟水泵，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)打開。隔板為穩(wěn)定水流的裝置，為可拆卸式組裝，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置不同的高度（6、11、16、21、26、31、36、41、46、51 cm），即可控制水頭。

污染物監(jiān)測系統(tǒng)由拍照系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取污染物濃度數(shù)據(jù)。將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)矩陣存放于計(jì)算機(jī)中并對其進(jìn)行濾波、增強(qiáng)、形態(tài)學(xué)操作等處理，再通過污染物濃度與灰度級曲線間接地將濃度由灰度級求出。數(shù)字圖像處理技術(shù)可以非侵入式地獲得污染物運(yùn)移的時(shí)空分布，避免布設(shè)密集的采樣點(diǎn)，對流場影響小，同時(shí)圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)拍攝影像視頻，通過后期計(jì)算機(jī)處理提取所需數(shù)據(jù)，極大地增加了采樣頻率，也能在減少工作量的同時(shí)又能保證精度要求。

拍照系統(tǒng)設(shè)置在模擬河道正前方，用于拍攝實(shí)驗(yàn)過程和記錄結(jié)果。高像素的單反相機(jī)由三腳架支撐，相機(jī)離地75 cm，設(shè)置在距離三維模擬河道正前方200 cm處。此外，為避免相機(jī)影子在河道中顯現(xiàn)，影響拍攝效果，在相機(jī)放置處設(shè)置了黑色帷幕，僅使相機(jī)鏡頭從黑色帷幕中探出。照明系統(tǒng)用于提供穩(wěn)定單一光源，封閉實(shí)驗(yàn)室門窗，阻止室外光的照射，采用兩個(gè)LED燈，設(shè)置在離地200 cm處。在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行穩(wěn)定不間斷地照明，盡量減少雜光光線變化引起的拍照色差。實(shí)驗(yàn)步驟如圖3所示。

圖3 河流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟

3 含植物水流紊動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)示例

河流動(dòng)力學(xué)中的水流紊動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)是一個(gè)十分復(fù)雜的內(nèi)容，很多學(xué)者分別提出了不同的理論，通過復(fù)雜的計(jì)算公式來說明紊動(dòng)應(yīng)力的產(chǎn)生及由此造成的流速變化和污染物紊動(dòng)擴(kuò)散，但對于學(xué)生來講該部分內(nèi)容過于抽象和理論，難以理解與掌握。

在以學(xué)生為中心教學(xué)理念的指導(dǎo)下，開展河流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，增設(shè)含植物水流紊動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，將含植物河道模擬系統(tǒng)、流速儀、圖像處理技術(shù)等科研設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的綜合性和設(shè)計(jì)性、突出創(chuàng)新性，著重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

組織學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場觀測，調(diào)查校園內(nèi)河道植物的生長特點(diǎn)。鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀和小組討論，分析河道水流特性和污染物特點(diǎn)。最終，由學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)河道植物特征、水流方案、污染物排放系統(tǒng)（見圖4），組合多種實(shí)驗(yàn)方案，開展獨(dú)立監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器布設(shè)、實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識與科研實(shí)踐相結(jié)合，對課堂內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充與延伸，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣和科學(xué)思維，培養(yǎng)科研儲備軍。

同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，思考河流動(dòng)力學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)前沿問題，開展科研反哺教學(xué)，將國內(nèi)外最新科研成果和技術(shù)引入教學(xué)活動(dòng)中，通過理論知識與科研活動(dòng)的結(jié)合，為學(xué)生提供體驗(yàn)式、多元化的學(xué)習(xí)氛圍。以科學(xué)研究為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。

圖4 河流動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)過程觀察

實(shí)驗(yàn)于校水利港口綜合實(shí)驗(yàn)室開展，水利港口綜合實(shí)驗(yàn)室具備本實(shí)驗(yàn)所需的各種儀器設(shè)備，已完成了多項(xiàng)教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)［15-16］。實(shí)驗(yàn)過程中，采用含植物河道模擬系統(tǒng)，組織學(xué)生自行布設(shè)流速儀和污染物監(jiān)測系統(tǒng)、自主設(shè)計(jì)水動(dòng)力條件及示蹤劑投放方案，引導(dǎo)學(xué)生觀察障礙物干擾下的水流特征和示蹤劑擴(kuò)散規(guī)律，使學(xué)生直觀感受到河道障礙物（植物）引起的紊動(dòng)。通過開展不同的水動(dòng)力條件和植物特征方案下的實(shí)驗(yàn)（見圖5），觀察示蹤劑在含植物河道中的運(yùn)移軌跡，探討不同實(shí)驗(yàn)條件下單株植物后方引起的小尺度渦旋和植物群整體引起的大尺度渦旋，分析含植物水流的紊動(dòng)、泥沙起動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)特征，使學(xué)生進(jìn)一步理解不同空間尺度的紊動(dòng)發(fā)育及其影響因素，結(jié)合河流動(dòng)力學(xué)專業(yè)知識，引導(dǎo)學(xué)生討論引發(fā)水流紊動(dòng)的原因和含植物水流物質(zhì)輸運(yùn)的規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，為今后獨(dú)立解決工程問題打下基礎(chǔ)。

圖5 不同植物特征和底床形式下的物質(zhì)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上，學(xué)生自行開展水動(dòng)力要素及污染物濃度監(jiān)測。結(jié)合河流動(dòng)力學(xué)理論知識，學(xué)生應(yīng)用監(jiān)測的流速數(shù)據(jù)計(jì)算平均流速，獨(dú)立分析植物阻力作用下河道水流流速再分布過程及其對泥沙起動(dòng)和污染物運(yùn)移的影響（見圖6）。同時(shí)，采用理論公式計(jì)算雷諾應(yīng)力和紊動(dòng)能量的縱向分布，從而加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握。

學(xué)生通過圖像分析技術(shù)，分析指定時(shí)間節(jié)點(diǎn)的污染物濃度場，討論多尺度水流紊動(dòng)的特征以及紊流對于物質(zhì)擴(kuò)散的影響，鼓勵(lì)學(xué)生開展水利與環(huán)境學(xué)科的交叉研究，利用高新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、深度探索河流動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，鼓勵(lì)學(xué)生對新知識、新技術(shù)的追求欲望，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情。

4 結(jié) 語

我校水利工程系港口航道與海岸工程專業(yè)秉承以學(xué)生為中心的教育理念，進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革與研究工作。河流動(dòng)力學(xué)中增設(shè)的含植物水流紊動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，通過現(xiàn)場觀察與思考、理論計(jì)算與分析、自主設(shè)計(jì)與實(shí)施的過程，加強(qiáng)學(xué)生對課本內(nèi)容的理解，使學(xué)生掌握相關(guān)理論知識。在此基礎(chǔ)上，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立解決問題能力，激發(fā)學(xué)生對新知識、新技術(shù)的追求欲望，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。同時(shí)，融合了科研中的前沿科學(xué)問題，開展科研反哺教學(xué)，將最新的科研成果和技術(shù)引入教學(xué)活動(dòng)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和拓展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，有效提高了教學(xué)水平，對人才培養(yǎng)模式改革和探索起到了一定的推動(dòng)作用。

圖6 采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

·名人名言·

好的先生不是教書，不是教學(xué)生，乃是教學(xué)生學(xué)。

——陶行知