应用数字图象技术研究卵石的几何形态

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1、应用数字图象技术研究卵石的几何形态摘要：通过数字图像处理技术，可以得到卵石的特征直径、扁平指标、三轴形状参数和圆度系数等几何参数，为研究河床卵石的几何形态提供了新手段。应用该技术对嘉陵江卵石形态的研究表明，卵石扁平指标沿程减小，球度系数沿程增大。根据c/b和b/a对卵石进行了分类，卵石在上游以盘形和棱形为主，在下游则以球形为主。研究成果有利于深入了解卵石推移质的运动机理。关键词：图象处理形状系数基金项目1引言　　卵石的几何形状往往直接或间接地反映了其运动的历史。例如，粒径的大小与移动介质及流动速度

2、有关，形状和圆度则涉及移动介质、移动距离及移动强度。根据卵石的几何特征，对卵石的来源以及如何受力冲刷、移动和沉积经过都可以得到一个概括的轮廓，对合理计算推移质输沙率具有重要的作用。　　卵石的实际形态非常复杂。根据三个相互垂直的最长轴、中间轴和最短轴(分别以a、b、c表示)的长度和平面投影特征，可以定义多个形状参数，见表1，从而能够比较完整地描述卵石的形态[1]。表1表示卵石形状的参数Definitionofshapefactors参数σ1=L/2σ2=c/σ3=a+b/2cσ4=意义最大投影面(a

3、b面)的圆度(L=周长，S=面积)三轴形状系数扁平指标球度系数　　卵石形状参数的获取，过去一般采用现场手工直接量测三个特征轴的方法，或先对卵石拍照然后进行人工处理，不仅费时费力，而且量测精度低[2]。本文基于数字图象技术，开发了一种具有较高效率和精度的获取卵石形状参数的新方法，并应用所开发的系统对嘉陵江卵石的几何形态和沿程变化规律进行了研究。2应用数字图象技术量测卵石几何形状的基本原理　　数字图象技术用于对卵石形状的量测，是通过摄像机记录卵石的图象，然后将图象的光强信息经模数(A/D)转换器转变为

4、数字信息[3]。数字图象信息的处理由配备有图象处理硬件和软件的计算机担任。系统的硬件组成如图1。该系统对摄像机、录像机、计算机的性能无特殊要求，计算机配备的图象卡可使用价格在千元左右的黑白卡。　　系统软件的平台为soNormalstyle="TEXT-ALIGN:left"align=left>　　图象卡把录象带上的模拟信号离散化为数字信号时，要产生一个象素的系统误差。在实际处理中，可尽量增加卵石样本在视野中的大小，以有效控制系统误差。本文采用圆、正方形、矩形和椭圆等标准形状的图形，对系统的量测误

5、差进行了检验。图1河床卵石的图象处理系统示意图Sketchofgravelimageprocessingsystem图形的几何形状由摄象机摄取到录象带中，用图象卡采集到内存并用相应的程序进行分析计算，量测结果与实际值相差很小，相对误差不超过5%，说明该量测方法和量测系统是可靠的。同时，该方法可将多个卵石样本简单排列进行录象一并处理，无需逐一量测，因此效率比较高。3嘉陵江卵石形态的变化规律　　通过野外查勘，沿嘉陵江干流自上而下对河道卵石进行了样本录象、称重。应用数字图象处理系统，对野外录象资料进行分

6、析，得到了嘉陵江卵石形状特征参数的特征值及沿程变化规律。表2给出了具体的结果，表中数据为采样点卵石样本的算术平均值。3.1卵石形态参数的沿程变化规律　　参数σ1表示卵石颗粒最大投影面的形状，对于标准图形，如等边三角形、正方形、等边五角形及圆形，σ1的值分别为1.29、1.13、1.08和1.00。从表2可以看出，在合川时σ1接近1，表明此处卵石的最大投影面接近圆形；而在王正沟，σ1约为1.15，介于三角形与正方形之间，和圆形相差较远。可以看出，从上游到下游，参数σ1和扁平指标σ3逐渐减小，三轴形状

7、系数σ2与球度系数σ4则单调递增。这说明卵石经过沿程磨损，变得越来越趋于圆球状。图2到图5分别给出了嘉陵江卵石4个形状参数的沿程变化规律。表2嘉陵江卵石的几何特征参数ShapefactorsofgravelintheJialingRiver形状参数采样点主河道长度[4～6](km)σ1σ2σ3σ4王正沟21.1490.3513.0210.592青泥河751.1100.4382.3620.656广元3631.0910.4692.1850.688亭子口5131.0840.5212.0150.708合川

8、10171.0600.5861.7510.745图2形状系数(σ1)的沿程变化规律Variationofσ1alongtheriver图3形状系数(σ2)的沿程变化规律Variationofσ2alongtheriver图4形状系数(σ3)的沿程变化规律Variationofσ3alongtheriver图5形状系数(σ4)的沿程变化规律Variationofσ4alongtheriver　　图中曲线所对应的回归方程如下σ1=L+11.6/-0.445+0.903(L+11.6)+