圖像處理技術(shù)在河流動力學實驗教學中的應用

婁 廈， 劉宏哲， 鐘桂輝， 劉曙光

（同濟大學土木工程學院，上海200092）

0 引 言

河流動力學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，河流動力學內(nèi)容包括河道水流結(jié)構(gòu)、泥沙運動、河床演變規(guī)律，具有很強的理論性、經(jīng)驗性和學科交叉特性，在水利、環(huán)境、交通等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應用［1-2］。開設(shè)這門課程的目的是使學生學習、了解和掌握河道水流結(jié)構(gòu)、泥沙顆粒特性及運動規(guī)律、河床演變基本原理及分析方法，從而可以運用專業(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、施工、管理工作打下基礎(chǔ)。

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

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

1 圖像處理技術(shù)

圖像處理技術(shù)［6-7］是通過計算機對圖像進行去除噪聲、濾波、增強、復原、分割等處理，而提取圖像特征的方法和技術(shù)。數(shù)字圖像可以進行線性、非線性運算，且在存儲、復制、運算等過程中能夠保持圖像精度，不會發(fā)生圖像質(zhì)量退化。隨著計算機技術(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)學等領(lǐng)域均得到廣泛應用。

本實驗采用的數(shù)字圖像是基于像素點的位圖圖像，通過光線矯正等一系列預處理方法將高清相機拍攝所得出的數(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二維函數(shù)，在任一對空間坐標上的值稱為該點圖像的灰度。通過污染物濃度標定實驗，獲取污染物濃度與圖像灰度的關(guān)系曲線?；谠撽P(guān)系曲線，可獲得不同實驗條件下污染物濃度分布情況?；玖鞒倘鐖D1所示。

圖1 圖像處理流程

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗背景

隨著河流生態(tài)保護意識的增強，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、綠化、生態(tài)修復為一體，構(gòu)建接近于自然狀態(tài)的水、河岸、植被生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)工程建設(shè)和環(huán)境保護的完美結(jié)合，不僅能達到防洪排澇的目的，同時可以促進河道生態(tài)系統(tǒng)的恢復與發(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發(fā)育。同時，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，含植物河道紊動發(fā)育、泥沙起動、物質(zhì)輸運研究對生態(tài)型河道防洪能力計算、生態(tài)護岸護坡設(shè)計及河道植物景觀設(shè)計都具有重要意義。通過多尺度水流紊動及物質(zhì)輸運實驗，模擬植物影響下河道的紊動特征、泥沙起動及污染物擴散過程，通過實驗現(xiàn)象使學生直觀地理解河道水流紊動的發(fā)育，結(jié)合理論公式使學生進一步掌握紊動能量泥沙起動流速和污染物濃度的計算和分析方法。同時在實驗實施過程中，側(cè)重于學生動手能力的培養(yǎng)，鼓勵學生開展自主設(shè)計，開展科研反哺教學，激發(fā)學生對新知識、新技術(shù)的追求欲望，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。

2.2 實驗材料

本實驗在河道模擬系統(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兩種示蹤劑。胭脂紅是《食品添加劑使用衛(wèi)生標準》（GB2760-2007）允許使用的色素［12-13］，滿足本實驗的兩個要求：① 實驗介質(zhì)不會對示蹤劑產(chǎn)生吸附作用；②示蹤劑對環(huán)境無污染。因此，實驗選取紅色食用色素（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）；亮藍具有吸附作用，符合等溫吸附規(guī)律，在動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入含植物河道之后在植物引起的紊動作用下的擴散過程。

（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、黑白色帷幕、LED燈組成的污染物監(jiān)測系統(tǒng)記錄污染物運移過程中的濃度場變化。

2.3 實驗裝置

本實驗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 河流動力學實驗裝置示意圖

模擬河道長104 cm、高63 cm、寬66 cm，由厚度為1 cm的透明有機玻璃制作而成，沿長度方向依次設(shè)置為進水箱、模擬河道、出水箱。進水箱長21 cm，高63 cm，寬66 cm。進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驗要求時，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)不同的實驗要求，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)矩陣存放于計算機中并對其進行濾波、增強、形態(tài)學操作等處理，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移的時空分布，避免布設(shè)密集的采樣點，對流場影響小，同時圖像處理技術(shù)實時拍攝影像視頻，通過后期計算機處理提取所需數(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，用于拍攝實驗過程和記錄結(jié)果。高像素的單反相機由三腳架支撐，相機離地75 cm，設(shè)置在距離三維模擬河道正前方200 cm處。此外，為避免相機影子在河道中顯現(xiàn)，影響拍攝效果，在相機放置處設(shè)置了黑色帷幕，僅使相機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，封閉實驗室門窗，阻止室外光的照射，采用兩個LED燈，設(shè)置在離地200 cm處。在實驗過程中進行穩(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。實驗步驟如圖3所示。

圖3 河流動力學實驗步驟

3 含植物水流紊動及物質(zhì)輸運實驗示例

河流動力學中的水流紊動及物質(zhì)輸運是一個十分復雜的內(nèi)容，很多學者分別提出了不同的理論，通過復雜的計算公式來說明紊動應力的產(chǎn)生及由此造成的流速變化和污染物紊動擴散，但對于學生來講該部分內(nèi)容過于抽象和理論，難以理解與掌握。

在以學生為中心教學理念的指導下，開展河流動力學實驗教學改革，增設(shè)含植物水流紊動及物質(zhì)輸運實驗，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)應用于實驗教學，優(yōu)化實驗教學內(nèi)容、改革實驗教學模式，強調(diào)實驗的綜合性和設(shè)計性、突出創(chuàng)新性，著重學生動手能力的培養(yǎng)。

3.1 實驗方案設(shè)計

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

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

圖4 河流動力學實驗裝置

3.2 實驗過程觀察

實驗于校水利港口綜合實驗室開展，水利港口綜合實驗室具備本實驗所需的各種儀器設(shè)備，已完成了多項教學和科研實驗［15-16］。實驗過程中，采用含植物河道模擬系統(tǒng)，組織學生自行布設(shè)流速儀和污染物監(jiān)測系統(tǒng)、自主設(shè)計水動力條件及示蹤劑投放方案，引導學生觀察障礙物干擾下的水流特征和示蹤劑擴散規(guī)律，使學生直觀感受到河道障礙物（植物）引起的紊動。通過開展不同的水動力條件和植物特征方案下的實驗（見圖5），觀察示蹤劑在含植物河道中的運移軌跡，探討不同實驗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、泥沙起動及物質(zhì)輸運特征，使學生進一步理解不同空間尺度的紊動發(fā)育及其影響因素，結(jié)合河流動力學專業(yè)知識，引導學生討論引發(fā)水流紊動的原因和含植物水流物質(zhì)輸運的規(guī)律，啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，培養(yǎng)學生的科研思維，為今后獨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)輸運實驗

3.3 實驗結(jié)果分析

在現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上，學生自行開展水動力要素及污染物濃度監(jiān)測。結(jié)合河流動力學理論知識，學生應用監(jiān)測的流速數(shù)據(jù)計算平均流速，獨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和污染物運移的影響（見圖6）。同時，采用理論公式計算雷諾應力和紊動能量的縱向分布，從而加深學生對理論知識的理解和掌握。

學生通過圖像分析技術(shù)，分析指定時間節(jié)點的污染物濃度場，討論多尺度水流紊動的特征以及紊流對于物質(zhì)擴散的影響，鼓勵學生開展水利與環(huán)境學科的交叉研究，利用高新實驗設(shè)備、深度探索河流動力學的規(guī)律，鼓勵學生對新知識、新技術(shù)的追求欲望，進一步激發(fā)學生對科學研究的熱情。

4 結(jié) 語

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

圖6 采用圖像處理技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理

·名人名言·

好的先生不是教書，不是教學生，乃是教學生學。

——陶行知