一種基于自相關(guān)算法的混合沙粒徑及級(jí)配的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混合沙粒徑及級(jí)配的測(cè)量方法，特別適用于粒徑在I-IOmm之間 的泥沙粒徑及級(jí)配測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 泥沙與人類社會(huì)密切相關(guān)，一方面細(xì)沙可以淤灌農(nóng)田，肥沃土地，粗沙可作建筑材 料，另一方面泥沙顆粒會(huì)影響水利水運(yùn)工程的建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)安全，因此泥沙顆粒粒徑的 測(cè)定對(duì)于河道整治，水庫(kù)清淤等都具有重要的指導(dǎo)意義。泥沙粒徑是泥沙最為基本的特性， 是決定泥沙起動(dòng)、輸移與沉降等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的泥沙測(cè)量方法主要有篩分 法、沉降法和激光衍射法。篩分法是最為傳統(tǒng)的泥沙粒徑測(cè)量方法，但需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完 成，耗時(shí)繁瑣；沉降法對(duì)粒徑的范圍有嚴(yán)格要求，適用于〇· 062mm~Imm之間的細(xì)沙；激光 衍射法則同樣只適用于細(xì)沙，對(duì)外部環(huán)境十分敏感，對(duì)水質(zhì)要求嚴(yán)苛，且實(shí)驗(yàn)儀器昂貴，無(wú) 法普及推廣使用。所以發(fā)明一種快捷簡(jiǎn)便，適用粒徑范圍廣，設(shè)備成本低，可實(shí)地實(shí)時(shí)精確 測(cè)量泥沙粒徑及級(jí)配的技術(shù)具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣，設(shè)備成本低，可以在實(shí)地 實(shí)時(shí)精確測(cè)量泥沙粒徑及級(jí)配的方法。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于自相關(guān)算法的混合沙粒徑 及級(jí)配的測(cè)量方法，包括以下步驟，
[0005] (1)選定涵蓋目標(biāo)混合沙尺寸范圍的M組均勻沙，依次得到M組均勻沙的相關(guān)性代 表曲線，并計(jì)算每組均勻沙的平均粒徑，所述M為大于1的整數(shù)；具體包括以下子步驟：
[0006] (1. 1)將沙樣平鋪在黑色平板上，用玻璃平板壓平，移走玻璃板后放置尺寸標(biāo)定 物；
[0007] (1. 2)通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍攝沙樣的圖像；所述數(shù)碼相機(jī)鏡頭與沙樣所在的平面垂 直，所述數(shù)碼相機(jī)的距地距離H固定；
[0008] (1. 3)通過(guò)圖像中的尺寸標(biāo)定物，確定實(shí)際長(zhǎng)度與像素長(zhǎng)度的比例關(guān)系；
[0009] (1. 4)對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，得到灰度圖像；對(duì)灰度圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，將灰 度圖像加大對(duì)比度；
[0010] (1.5)在加大對(duì)比度的灰度圖像上選定目標(biāo)區(qū)域，所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不包括尺寸 標(biāo)定物；將目標(biāo)區(qū)域從初始位置分別向上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八個(gè)方向移動(dòng) 相同的位移S ;當(dāng)向上、下、左、右四個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，步長(zhǎng)為L(zhǎng)，位移步數(shù)為t，位移距離Z = LX t，最大步數(shù)為q且滿足S = qXL ;當(dāng)向左上、左下、右上、右下四個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，步長(zhǎng)為 U立移步數(shù)為t，最大步數(shù)為q/七；位移S大于沙樣的像素長(zhǎng)度，且不超過(guò)灰度圖像的 邊界，分別計(jì)算在八個(gè)方向上每移動(dòng)一步后新的目標(biāo)區(qū)域y與初始目標(biāo)區(qū)域X之間的相關(guān) 性r，相關(guān)性的計(jì)算公式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于自相關(guān)算法的混合沙粒徑及級(jí)配的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟， (1) 選定涵蓋目標(biāo)混合沙尺寸范圍的M組均勻沙，依次得到M組均勻沙的相關(guān)性代表曲 線，并計(jì)算每組均勻沙的平均粒徑，所述M為大于1的整數(shù)；具體包括以下子步驟： (I. 1)將沙樣平鋪在黑色平板（1)上，用玻璃平板（7)壓平，移走玻璃板（7)后放置尺 寸標(biāo)定物（5); (1. 2)通過(guò)數(shù)碼相機(jī)（4)拍攝沙樣的圖像；所述數(shù)碼相機(jī)（4)鏡頭與沙樣所在的平面 垂直，所述數(shù)碼相機(jī)（4)的距地距離H固定； (1.3)通過(guò)圖像中的尺寸標(biāo)定物（5)，確定實(shí)際長(zhǎng)度與像素長(zhǎng)度的比例關(guān)系； (1. 4)對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，得到灰度圖像；對(duì)灰度圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，將灰度圖 像加大對(duì)比度； (1.5)在加大對(duì)比度的灰度圖像上選定目標(biāo)區(qū)域，所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不包括尺寸標(biāo)定物 (5);將目標(biāo)區(qū)域從初始位置分別向上、下、左、右、左上、左下、右上、右下Λ個(gè)方向移動(dòng)相同 的位移S ;當(dāng)向上、下、左、右四個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，步長(zhǎng)為L(zhǎng)，位移步數(shù)為t，位移距離ζ = LXt， 最大步數(shù)為q且滿足S = qXL ;當(dāng)向左上、左下、右上、右下四個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，步長(zhǎng)為， 位移步數(shù)為t，最大步數(shù)為q/萬(wàn)；位移S大于沙樣的像素長(zhǎng)度，且不超過(guò)灰度圖像的邊界， 分別計(jì)算在八個(gè)方向上每移動(dòng)一步后新的目標(biāo)區(qū)域y與初始目標(biāo)區(qū)域X之間的相關(guān)性r，相 關(guān)性的計(jì)算公式為：
式中，i和太i分別表示目標(biāo)區(qū)域移動(dòng)前后的區(qū)域內(nèi)的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值，7和 7則表示這兩個(gè)區(qū)域的所有像素點(diǎn)灰度的平均值； (1. 6)以位移距離為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的相關(guān)性r的值為縱坐標(biāo)，在同一坐標(biāo)系下繪制八個(gè) 移動(dòng)方向的相關(guān)性曲線； (1. 7)確定八條相關(guān)性曲線各自達(dá)到第一次回升頂點(diǎn)時(shí)的位移距離，根據(jù)步驟1. 3得 到的比例關(guān)系，將位移距離轉(zhuǎn)換成實(shí)際長(zhǎng)度； (1.8) 選取八個(gè)方向計(jì)算得到的實(shí)際長(zhǎng)度的平均值作為該組沙樣的平均粒徑； (1.9) 將八個(gè)移動(dòng)方向的相關(guān)性曲線擬合成一條代表該沙樣的相關(guān)性代表曲線； (2) 在同一坐標(biāo)系下繪制M組均勻沙的相關(guān)性代表曲線，作為混合沙的校準(zhǔn)圖； (3) 對(duì)目標(biāo)混合沙重復(fù)步驟I. I -1. 6,繪制其相關(guān)性代表曲線，其中，步驟1. 5中選定P 個(gè)目標(biāo)區(qū)域，每個(gè)目標(biāo)區(qū)域均得到八個(gè)方向的相關(guān)性曲線，將PX8個(gè)相關(guān)性曲線擬合成一 條混合沙的相關(guān)性代表曲線，P為大于1的整數(shù)； (4) 結(jié)合步驟3得到的混合沙的相關(guān)性代表曲線和步驟2得到的混合沙的校準(zhǔn)圖，利用 非線性規(guī)劃方法，得到各組分均勻沙在混合沙圖像中所占的面積比；具體為： 設(shè)計(jì)變量X :X = [X1, χ2,…Xj···，xm]T，Xj為第j組分均勾沙在混合沙圖像中的面積比； 式中Ai= [a i+a。
…\」···\J，a。為對(duì)應(yīng)于第j組分均勻沙的目標(biāo)區(qū)域移動(dòng)了第i 個(gè)步長(zhǎng)時(shí)的相關(guān)性值，h為目標(biāo)混合沙的目標(biāo)區(qū)域移動(dòng)了第i個(gè)步長(zhǎng)時(shí)的相關(guān)性值，η為 M組均勻沙中平均粒徑最小的組分的相關(guān)性代表曲線達(dá)到第一次回升頂點(diǎn)時(shí)的移動(dòng)步長(zhǎng)序 號(hào)； 等式約束條件為：Xl+x2+... +Xm= 1，即所有組分均勻沙在混合沙圖像中所占的面積百 分比的總和為1 ; 不等式約束條件為1，即任意組分的均勻沙在混合沙圖像中的面積百分比在 O~1之間； 求解出各組分均勻沙在混合沙圖像中所占的面積比； (5) 將步驟4得到的面積比轉(zhuǎn)換為質(zhì)量比，具體計(jì)算公式如下：
式中Xj為步驟4得的第j組分均勻沙組分在混合沙圖像中的面積百分比，r」為該組分 均勻沙的平均粒徑，利用式（2)求解出各組分均勻沙在混合沙圖像中的數(shù)量比η?;
把帶入到式（3)中計(jì)算出各組分均勻沙在混合沙中的質(zhì)量百分比yj，即得到該混合 沙的粒徑級(jí)配； (6) 根據(jù)粒徑級(jí)配計(jì)算得到該混合沙的平均粒徑； (7) 根據(jù)粒徑級(jí)配繪制質(zhì)量累積曲線，依據(jù)質(zhì)量累積曲線計(jì)算得出中值粒徑； (8) 對(duì)質(zhì)量累積曲線求導(dǎo)得到質(zhì)量分布曲線。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于自相關(guān)算法的混合沙粒徑及級(jí)配的測(cè)量方法，包括測(cè)量多組均勻沙平均粒徑，建立校準(zhǔn)圖和得到混合沙粒徑和級(jí)配三個(gè)步驟。通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍攝均勻沙圖像，利用自相關(guān)算法做出相關(guān)性曲線，利用相關(guān)性曲線回升計(jì)算平均粒徑并建立混合沙的校準(zhǔn)圖；對(duì)混合沙也經(jīng)自相關(guān)算法做出相關(guān)性代表曲線，加入到校準(zhǔn)圖中利用非線性規(guī)劃解出各組分均勻沙的面積比，將面積比轉(zhuǎn)換為質(zhì)量比后得到級(jí)配，計(jì)算得平均粒徑，繪制質(zhì)量累積曲線和質(zhì)量分布曲線，得到中值粒徑。利用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)野外和實(shí)地的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)通用易得的設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合沙的粒徑與級(jí)配的準(zhǔn)確測(cè)量。
【IPC分類】G06T7-60, G06T7-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104680527
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510075363
【發(fā)明人】成志軒, 劉海江, 劉慧 , 賴富春, 於剛節(jié), 劉騰君, 葉洲騰
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年2月12日