CN104776977A - 一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特点是：包括在泥沙物理模型试验水槽外侧设置的全站仪、高速摄像机、设置在泥沙物理模型试验水槽中底床内的微型土压力传感器和孔隙水压力传感器，观测方法包括高速摄像法、双传感器同步探点法、全站仪剖面测量法，高速摄像法用于从泥沙物理模型试验水槽的玻璃边壁拍摄底床动态演变及波浪时程变化，双传感器同步探点法是通过孔隙水压力传感器分离出由波浪产生的动压从而获得底床高程的实际变化，全站仪剖面测量法是在造波完成将水缓慢排出后用全站仪对剖面进行散点扫描进而得到最终地形并进行校正。适合在水槽试验中使用，实现对整个物理模型试验底床动态演变的同步实时观测。

Description

一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法

技术领域

  本发明涉及港口、海岸工程领域物理模型试验，尤其涉及二维水槽波浪作用下底床剖面动态调整的观测方法，具体说是一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法。

背景技术

在海岸工程物理模型试验领域，特别是包含泥沙运动的实验中，地形作为影响波浪运动的重要因素，一直处于动态变化的过程，因此，动态地形数据的获取对于研究试验的作用机理至关重要。传统的地形测量方法主要借助于全站仪，超声测距仪等工具，它们虽然具有精度高的优点，但由于无法在有水体的情况下使用，因此，有很大的局限性，已无法满足现代港工试验的要求。新型的试验测量方法如LIDAR，Profiler等方法，虽然能够实现对地形的动态监测，但无法实现同步观测，操作复杂且造价太高，并不适合在水槽试验中使用。因此，伴随着实验研究的不断深入，一种造价低且可行性强的物理模型试验（特别是泥沙运动试验）观测方法亟待发现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，解决现有技术中无法实现在试验过程中对底床的动态观测、新型的试验测量方法造价高且操作复杂的缺陷，适合在水槽试验中使用，实现对整个物理模型试验底床动态演变的同步实时观测，且操作方便、造价较低。

本发明提供的技术方案是，本发明提供的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，包括布设观测系统和采用观测系统进行的综合观测方法；所述观测系统包括在泥沙物理模型试验水槽外设置的全站仪、高速摄像机、设置在泥沙物理模型试验水槽中底床内的微型土压力传感器和孔隙水压力传感器，所述观测系统进行的综合观测方法包括CCTV（Closed Circuit Television）高速摄像法、双传感器同步探点法、全站仪剖面测量法，其中，所述CCTV高速摄像法采用高速摄像机从泥沙物理模型试验水槽的玻璃边壁拍摄底床动态演变及波浪时程变化，并通过建立图像尺度与实际尺度之间的关系获得图像校正参数，从而得到空间上的实际尺度，所述双传感器同步探点法是将微型土压力传感器与孔隙水压力传感器固定在一起并埋于所述底床下一定深度（保证不被侵蚀），通过孔隙水压力传感器分离出由波浪产生的动压从而获得底床高程的实际变化，所述全站仪剖面测量法是在造波完成将水缓慢排出后用全站仪对剖面进行散点扫描进而得到最终地形，全站仪所得数据用于对高速摄像法和双传感器同步探点法的最终地形进行校正。

如上所述的CCTV高速摄像法，为了提高水体与底床界面、空气与水体界面的可识别度，应在泥沙物理模型试验水槽上方布置均匀强光（如探照灯）或者激光器设备，以减少在界面识别过程中悬移质对底床高程的干扰。

如上所述的CCTV高速摄像法，为了提高测量精度，所述高速摄像机应根据像素大小及精度要求覆盖相应大小的目标范围，所述高速摄像机拍摄有效区域为2-4 m，则其精度（实际长度/像素点数）为0.1-0.3 cm，（如：水平像素点1920，拍摄有效区域为3 m，则其精度约为300/1920=0.156 cm）。

如上所述的CCTV高速摄像法，为了获取时程的地形资料，通常取每半分钟的图片信息，但为了使结果更加准确，可以取每一时刻前一个及后一个波浪周期内高程的最小值作为底床的实际高程，以减少波浪作用下悬移质运动可能造成的误差。此外为获取波高资料，根据波浪周期，一般设定高速摄像机拍摄速度为8-12帧/秒，否则频率太高会导致后期数据量太大不易处理，频率太低会导致波高测量误差增加。

如上所述的CCTV高速摄像法，通过视频可捕捉到覆盖区域内所有像素点的信息，从而不仅可以计算底床及水体自由表面的高程变化，获得地形和波高的时程演变过程，还可以根据图像色差区分推移质、悬移质运动，信息量十分丰富，并且仪器布置相对于波高仪来讲空间上没有局限性。

如上所述的双传感器同步探点法，为记录岸线侵蚀和沙坝运动的全过程，探点沿底床整体坡度方向布置，波浪破碎点附近以及波浪上爬带需布置较为密集，布置间隔取0.4-0.6m，而在起坡点至破碎点间，探点布置较为稀疏，布置间隔取1.4-1.6m。

如上所述的双传感器同步探点法，为保证记录整个剖面变化过程的同时，减少沙层下动压影响，微型土压力传感器及孔隙水压力传感器布置深度需在所述底床的床面以下1-3倍波高深度之间，由于最大爬高处往往是受侵蚀最严重区域，探头布置深度不宜过浅，约在床面以下2-3倍波高深度范围。

如上所述的双传感器同步探点法，为保证微型土压力传感器与孔隙水压力传感器的两探头采样点相同，并防止在试验过程中位置的滑移或下陷，同一探点上的所述微型土压力传感器及孔隙水压力传感器的两个探头需固定在一块有机玻璃或光滑瓷砖上，且保证所固定的块体密度是水密度2倍以上。

如上所述的双传感器同步探点法，为详细解释波浪运动对泥沙运动的作用规律，所用微型土压力传感器与孔隙水压力传感器设定相同采样频率，以保证研究区域的波形能完整描述。

如上所述的双传感器同步探点法，为在后处理分析中，建立微型土压力传感器与孔隙水压力传感器之间的电信号关系，准确测量微型土压力传感器与孔隙水压力传感器的率定系数。          

如上所述的全站仪剖面测量法，使用测量精度为±1mm的宾得R-202NE全站仪对视频拍摄安置一侧玻璃边壁附近（也在压力传感器安置点附近）的底床纵向地形进行高程测量，测量步长根据实际地形的变化特点和实验要求确定。通常对较规则的简单剖面实验，在波浪影响不到的底床较高区域，测量间隔较大一些（实例取14-16cm）；波浪能够影响但变化平缓、形态简单的剖面，测量间隔适当减小（实例中取9-11cm）；地形变化较复杂的区域，测量间隔较小（实例中取5~8cm）。各段测量间隔都考虑地形特征及具体变化，保证地形剖面的特点得到反映。

如上所述的全站仪剖面测量法，在测量细节方面，由于全站仪利用激光反射来确定目标位置，光的轨迹为直线，在光线被遮挡或异常反射会造成凹陷等地形无法直接测量，结合运用水准尺获得这些数据；另外，激光发射的光线与待测目标点角度较小时会导致照射在目标点的光斑较大，引起测量误差或测量困难，故全站仪的架设选择尽量高的位置，全站仪在测量时，激光光线与水平方向最小夹角超过3°。

本发明与现有技术相比具有如下优点和积极效果：本发明提供的海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，解决现有技术中无法实现在试验过程中对底床的动态观测、新型的试验测量方法造价高且操作复杂的缺陷。本发明适合在水槽试验中使用，实现对整个物理模型试验底床动态演变的同步实时观测。具有操作简单、精度高、结构合理、造价较低等优点。

附图说明

图1为本发明中泥沙物理模型试验水槽内布置双传感器的示意图；

图2为本发明中泥沙物理模型试验水槽一侧设置高速摄像机的俯视图；

图3为本发明实例中视频校正网格示意图；

图4为本发明实例中将微型土压力传感器与孔隙水压力传感器安装在一块有机玻璃上的示意图；

图5为图4的仰视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本发明一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法的实施例，包括布设观测系统和采用观测系统进行的综合观测方法；泥沙物理模型试验水槽1包括水泥底座5、玻璃边壁4及内部的底床2，所述底床2由沙子堆积而成，形成一定坡度，试验时，在泥沙物理模型试验水槽1内加入一定量的水，图1中SWL下面的一条水平横线即为净水位。所述观测系统包括在泥沙物理模型试验水槽1外设置的全站仪及高速摄像机6、设置在泥沙物理模型试验水槽1底床2内的微型土压力传感器3-2机水压力传感器3-1，观测系统进行的综合观测方法包括CCTV（Closed Circuit Television）高速摄像法、双传感器同步探点法、全站仪剖面测量法。其中，所述CCTV高速摄像法采用高速摄像机6泥沙物理模型试验水槽1玻璃边壁4拍摄底床2动态演变及波浪时程变化，并通过建立图像尺度与实际尺度之间的关系获得图像校正参数，从而得到空间上的实际尺度。所述双传感器同步探点法是将微型土压力传感器3-2与孔隙水压力传感器3-1固定在一起并埋于所述底床2下一定深度，通过孔隙水压力传感器3-1分离出由波浪产生的动压从而获得底床高程的实际变化。所述全站仪剖面测量法是在造波完成将水缓慢排出后用全站仪对剖面进行散点扫描进而得到最终地形，全站仪所得数据用于对高速摄像法和双传感器同步探点法的最终地形进行校正。

如上所述的CCTV高速摄像法，为了提高水体与底床2界面、空气与水体界面的可识别度，应在泥沙物理模型试验水槽1上方布置均匀强光的探照灯或者激光器设备，以减少在界面识别过程中悬移质对底床2高程的干扰。

如上所述的CCTV高速摄像法，为了提高测量精度，所述高速摄像机6应根据像素大小及精度要求覆盖相应大小的目标范围，所述高速摄像机6拍摄有效区域为2-4 m，则其精度（实际长度/像素点数）为0.1-0.3 cm，（如：水平像素点1920，拍摄有效区域为3 m，则其精度约为300/1920=0.156 cm）。

如上所述的CCTV高速摄像法，为了获取时程的地形资料，通常取每半分钟的图片信息，但为了使结果更加准确，可以取每一时刻前一个及后一个波浪周期内高程的最小值作为底床2的实际高程，以减少波浪作用下悬移质运动可能造成的误差。此外为获取波高资料，根据波浪周期，一般设定高速摄像机拍摄速度为8-12帧/秒，否则，频率太高会导致后期数据量太大不易处理，频率太低会导致波高测量误差增加。

如上所述的CCTV高速摄像法，通过视频可捕捉到覆盖区域内所有像素点的信息，从而不仅可以计算底床2及水体自由表面的高程变化，获得地形和波高的时程演变过程，还可以根据图像色差区分推移质、悬移质运动，信息量十分丰富，并且仪器布置相对于波高仪来讲空间上没有局限性。

如上所述的双传感器同步探点法，为记录岸线侵蚀和沙坝运动的全过程，探点沿底床2整体坡度方向布置，波浪破碎点附近以及波浪上爬带需布置较为密集，布置间隔取0.4-0.6m，而在起坡点至破碎点间，探点布置较为稀疏，布置间隔取1.4-1.6m。

如上所述的双传感器同步探点法，为保证记录整个剖面变化过程的同时，微型土压力传感器3-2及孔隙水压力传感器3-1布置深度需在所述底床2的床面以下1-3倍波高深度之间，由于最大爬高处往往是受侵蚀最严重区域，探头布置深度不宜过浅，约在底床2的床面以下2-3倍波高深度范围。

上所述的双传感器同步探点法，为保证微型土压力传感器3-2与孔隙水压力传感器3-1的两探头采样点相同，并防止在试验过程中位置的滑移或下陷，如图4、图5所示，同一探点上的微型土压力传感器3-2及孔隙水压力传感器3-1的两个探头需固定在一块有机玻璃3-3或光滑瓷砖上（微型土压力传感器3-2、孔隙水压力传感器3-1及有机玻璃3-3组成的一体结构称之为双传感器3），保证所固定的有机玻璃3-3或光滑瓷砖的密度是水密度2倍以上。使用时，一块有机玻璃3-3或光滑瓷砖上只需要一个微型土压力传感器3-2和一个孔隙水压力传感器3-1即可，但是，因孔隙水压力传感器3-1容易损坏，为了减少更换仪器可能造成的麻烦，本实施例中在一块有机玻璃3-3（或光滑瓷砖）上固定了一个微型土压力传感器3-2和两个孔隙水压力传感器3-1，其中，有一个孔隙水压力传感器3-1为备用。

如上所述的双传感器同步探点法，为详细解释波浪运动对泥沙运动的作用规律，所用微型土压力传感器3-2与孔隙水压力传感器3-1设定相同采样频率，以保证研究区域的波形能完整描述。

如上所述的双传感器同步探点法，为在后处理分析中，建立微型土压力传感器3-1与孔隙水压力传感器3-1之间的电信号关系，准确测量微型土压力传感器3-2与孔隙水压力传感器3-1的率定系数。          

如上所述的全站仪剖面测量法，使用测量精度为±1mm的宾得R-202NE全站仪对视频拍摄安置一侧玻璃边壁4附近（也在双传感器3安置点附近）的地形剖面进行高程测量，测量步长根据实际地形的变化特点和实验要求确定。通常对较规则的简单剖面实验，在波浪影响不到的较高区域，测量间隔较大一些（实例取14-16cm）；波浪能够影响但变化平缓、形态简单的剖面，测量间隔适当减小（实例中取9-11cm）；地形变化较复杂的区域，测量间隔较小（实例中取5~8cm）。各段测量间隔都考虑地形特征及具体变化，保证地形剖面的特点得到反映。

如上所述的全站仪剖面测量法，在测量细节方面，由于全站仪利用激光反射来确定目标位置，光的轨迹为直线，在光线被遮挡或异常反射会造成凹陷等地形无法直接测量，结合运用水准尺获得这些数据；另外，激光发射的光线与待测目标点角度较小时会导致照射在目标点的光斑较大，引起测量误差或测量困难，故全站仪的架设选择尽量高的位置，全站仪在测量时，激光光线与水平方向最小夹角超过3°。

如图1所示，为本发明在泥沙物理模型试验水槽1内布置双传感器3的示意图，因泥沙物理模型试验水槽1很长，图1仅为含有底床2部分的局部示意图；

如图2所示，为本发明实例中泥沙物理模型试验水槽1一侧设置高速摄像机6的俯视图，因泥沙物理模型试验水槽1很长，图2仅为含有底床2部分的局部示意图；本实施例中所用视频监控系统为韩国HD IP Box Camera配以FUJIFILM 8-80 mm F1.6镜头，设定拍摄帧数为10fps，所得每帧图片像素为1680×1920。高速摄像机6并排设置在泥沙物理模型试验水槽1的同一侧，每台高速摄像机6镜头覆盖泥沙物理模型试验水槽1的两块玻璃边壁4（水平长度：1.5 m × 2），高速摄像机6后部配以遮光布以减少外来光线所造成的玻璃反射干扰，在泥沙物理模型试验水槽1上部安装强光源（约100W-150W）或红光（波长650nm左右）激光以增强界面可识别度。高速摄像机6高度应足够低以保证只拍摄泥沙物理模型试验水槽1的玻璃边壁4现象，避免视频中出现泥沙物理模型试验水槽1内物体干扰。此外，高速摄像机6应尽量水平且位于拍摄目标的水平中心垂线上，以减少图像扭曲所造成的误差，提高精度。

图3所示为CCTV高速摄像法的图像校正原理。如图3所示，在试验开始前在玻璃边壁4上粘贴校正网格7（网格水平间距20 cm，垂直间距10 cm），校正网格7越密精度越高，校正网格7的交叉点为校正点8，通过分析该校正图片的像素点位置与实际尺寸的关系，通过拟合即可建立图像坐标系上所有像素点与实际尺寸的关系。

图4所示为双传感器同步探点法基本布置图，微型土压力传感器3-2量程50Kpa，直径16mm，厚度4.8mm，满量程输出约300                                                ，准精度误差≤0.3F.S，超载能力120%，桥路电阻为350，可在饱和水介质中工作，采用美国UEI数据采集系统，采样频率可控；孔隙水压力传感器3-1量程10Kpa，直径20mm，误差千分之一，采样频率可控。

以上内容均取自山东省海洋工程重点实验室底床演变物理模型试验实例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，包括布设观测系统和采用观测系统进行的综合观测方法；所述观测系统包括在泥沙物理模型试验水槽外设置的全站仪、高速摄像机、设置在泥沙物理模型试验水槽中底床内的微型土压力传感器和孔隙水压力传感器，所述观测系统进行的综合观测方法包括CCTV高速摄像法、双传感器同步探点法、全站仪剖面测量法，其中，所述CCTV高速摄像法采用高速摄像机从泥沙物理模型试验水槽的玻璃边壁拍摄底床动态演变及波浪时程变化，并通过建立图像尺度与实际尺度之间的关系获得图像校正参数，从而得到空间上的实际尺度，所述双传感器同步探点法是将微型土压力传感器与孔隙水压力传感器固定在一起并埋于所述底床下一定深度，通过孔隙水压力传感器分离出由波浪产生的动压从而获得底床高程的实际变化，所述全站仪剖面测量法是在造波完成将水缓慢排出后用全站仪对剖面进行散点扫描进而得到最终地形，全站仪所得数据用于对高速摄像法和双传感器同步探点法的最终地形进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，在所述泥沙物理模型试验水槽上方布置均匀强光的探照灯或者激光器设备。

3.根据权利要求1或2所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的CCTV高速摄像法，所述高速摄像机拍摄有效区域为2-4 m，其实际长度/像素点数的值为0.1-0.3 cm。

4.根据权利要求3所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的CCTV高速摄像法，为了获取时程的地形资料，取每半分钟的图片信息，并且，取每一时刻前一个及后一个波浪周期内高程的最小值作为底床的实际高程，设定高速摄像机拍摄速度为8-12帧/秒，通过视频可捕捉到覆盖区域内所有像素点的信息。

5.根据权利要求1或2所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的双传感器同步探点法，为记录岸线侵蚀和沙坝运动的全过程，探点沿底床整体坡度方向布置，波浪破碎点附近以及波浪上爬带的探点布置间隔取0.4-0.6m，而在起坡点至破碎点间，探点布置间隔取1.4-1.6m，所述微型土压力传感器及孔隙水压力传感器布置深度在所述底床的床面以下1-3倍波高深度之间，同一探点上的所述微型土压力传感器及孔隙水压力传感器的两个探头固定在一块有机玻璃或光滑瓷砖上，且所述有机玻璃或光滑瓷砖的密度是水密度2倍以上。

6.根据权利要求5所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的双传感器同步探点法中，所述微型土压力传感器与孔隙水压力传感器设定相同的采样频率。

7. 根据权利要求6所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，为在后处理分析中，建立微型土压力传感器与孔隙水压力传感器之间的电信号关系，准确测量微型土压力传感器与孔隙水压力传感器的率定系数。

8.根据权利要求1或2所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的全站仪剖面测量法，使用测量精度为±1mm的宾得R-202NE全站仪对视频拍摄安置一侧玻璃边壁附近的底床纵向地形进行高程测量，测量步长根据实际地形的变化特点和实验要求确定，对较规则的简单剖面实验，在波浪影响不到的底床较高区域，测量间隔取14-16cm；波浪能够影响但变化平缓、形态简单的剖面，测量间隔取9-11cm；地形变化较复杂的区域，测量间隔取5~8cm。

9.根据权利要求7所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的全站仪剖面测量法，使用测量精度为±1mm的宾得R-202NE全站仪对视频拍摄安置一侧玻璃边壁附近的底床纵向地形进行高程测量，测量步长根据实际地形的变化特点和实验要求确定，对较规则的简单剖面实验，在波浪影响不到的底床较高区域，测量间隔取14-16cm；波浪能够影响但变化平缓、形态简单的剖面，测量间隔取9-11cm；地形变化较复杂的区域，测量间隔取5~8cm。

10.根据权利要求8所述的一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法，其特征在于，所述的全站仪剖面测量法，在测量细节方面，无法直接测量的地形，结合运用水准尺获得这些数据；全站仪在测量时，激光光线与水平方向最小夹角超过3°。