Name: image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments
Uploaded: 2017-07-20T15:00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af Forskningsforvaltningsorganet via Det Europæiske Unions syvende rammeprogram, støtte til uddannelse og karriereudvikling af forskere (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN), som finansierede ITN (First Level Training Network) HYTECH &quot;Hydrodynamisk Transport i Økologisk Kritiske Heterogene Interfaces&quot; (nummer 316546). Den blev også støttet af Polo Territoriale di Lecco fra Politecnico di Milano. Forsøgene blev udført under et besøg hos SS til Politecnico di Milano som gæstforsker. Forfatterne takker Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc.-studerende ved Politecnico di Milano) og Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (stipendiat fra HYTECH-projektet og Ph.D.-studerende ved Politecnico di Milano) for at støtte Eksperimentel aktivitet og data analyse. Forfatterne takker taknemmeligt prof. Roger Nokes (University of Canterbury, Christchurch, New Zealand) for at give STromle software og konstant rådgivning. Endelig takker forfatterne JoVE-administrerende redaktør og tre anonyme korrekturlæsere for deres tankevækkende kommentarer og forslag, hvilket manuskriptet kunne forbedres betydeligt.

<ol>
	<li>Francis, J. R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+motion+of+solitary+grains+along+the+bed+of+a+water-stream.">Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.</a> Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).</li><li>Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+of+fine+gravel+observed+by+motion-picture+photography.">Bedload transport of fine gravel observed by motion-picture photography.</a> J Fluid Mech. 192, 193-217 (1988).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+motion+and+diffusion+at+weak+bed+load:+accounting+for+unsteadiness+effects+of+entrainment+and+disentrainment.">Particle motion and diffusion at weak bed load: accounting for unsteadiness effects of entrainment and disentrainment.</a> J Hydraul Res. 53 (5), 633-648 (2015).</li><li>Fathel, S. L., Furbish, D. J., Schmeeckle, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+evidence+of+statistical+ensemble+behavior+in+bed+load+sediment+transport.">Experimental evidence of statistical ensemble behavior in bed load sediment transport.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 120 (11), 2298-2317 (2015).</li><li>Lajeunesse, E., Malverti, L., Charru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+in+turbulent+flow+at+the+grain+scale:+experiments+and+modeling.">Bedload transport in turbulent flow at the grain scale: experiments and modeling.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 115, F04001 (2010).</li><li>Tsakiris, A. G., Papanicolaou, A. N., Lauth, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signature+of+bedload+particle+transport+mode+in+the+acoustic+signal+of+a+geophone.">Signature of bedload particle transport mode in the acoustic signal of a geophone.</a> J Hydraul Res. 52 (2), 185-204 (2014).</li><li>Mendes, L., Antico, F., Sanches, P., Alegria, F., Aleixo, R., Ferreira, R. M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+particle+counting+system+for+calculation+of+bedload+fluxes.">A particle counting system for calculation of bedload fluxes.</a> Meas Sci Technol. 27 (12), 125305 (2016).</li><li>Heays, K. G., Friedrich, H., Melville, B. W., Nokes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+dynamic+evolution+of+graded+gravel+beds+using+Particle+Tracking+Velocimetry.">Quantifying the dynamic evolution of graded gravel beds using Particle Tracking Velocimetry.</a> J Hydraul Eng. 140 (7), 04014027 (2014).</li><li>Radice, A., Malavasi, S., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+transport+measurements+through+image+processing.">Solid transport measurements through image processing.</a> Exp Fluids. 41 (5), 721-734 (2006).</li><li>Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-average+characteristics+of+sediment+motion+in+one-dimensional+bed+load.">Double-average characteristics of sediment motion in one-dimensional bed load.</a> Acta Geophys. 56 (3), 654-668 (2008).</li><li>Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+the+Lorenz+curve+to+quantify+statistical+nonuniformity+of+sediment+transport+rate.">Use of the Lorenz curve to quantify statistical nonuniformity of sediment transport rate.</a> J Hydraul Eng. 135 (4), 320-326 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+statistical+properties+of+bed+load+sediment+concentration.">On statistical properties of bed load sediment concentration.</a> Water Resou. Res. 45 (6), W06501 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistics+and+characteristic+scales+for+bed+load+in+a+channel+flow+with+sidewall+effects.">Statistics and characteristic scales for bed load in a channel flow with sidewall effects.</a> Acta Geophys. 58 (6), 1072-1093 (2010).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scale-based+statistical+analysis+of+sediment+fluxes.">Scale-based statistical analysis of sediment fluxes.</a> Acta Geophys. 60 (6), 1744-1777 (2012).</li><li>Radice, A., Nikora, V., Campagnol, J., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+interactions+between+turbulence+and+bed+load:+Conceptual+picture+and+experimental+evidence.">Active interactions between turbulence and bed load: Conceptual picture and experimental evidence.</a> Water Resour Res. 49 (1), 90-99 (2013).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Nokes, R., Bulankina, V., Lescova, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lagrangian+analysis+of+bed-load+sediment+motion:+database+contribution.">Lagrangian analysis of bed-load sediment motion: database contribution.</a> J Hydraul Res. 51 (5), 589-596 (2013).</li><li>Ballio, F., Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluctuations+and+time+scales+for+bed-load+sediment+motion+over+a+smooth+bed.">Fluctuations and time scales for bed-load sediment motion over a smooth bed.</a> Int J Sediment Res. 30 (4), 321-327 (2015).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F., Rowi&#324;ski, P. M., Marion, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+analysis+of+entrainment+and+deposition+rate+fluctuations+in+weak+bed+load+transport.">An analysis of entrainment and deposition rate fluctuations in weak bed load transport.</a> Hydrodynamic and mass transport at freshwater aquatic interfaces. , 333-342 (2016).</li><li>Papanicolaou, A. N., Diplas, P., Balakrishnan, M., Dancey, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+vision+technique+for+tracking+bed+load+movement.">Computer vision technique for tracking bed load movement.</a> J Comput Civil Eng. 13 (2), 71-79 (1999).</li><li>Ramesh, B., Kothyari, U. C., Murugesan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-bed+particle+motion+over+transitionally-rough+bed.">Near-bed particle motion over transitionally-rough bed.</a> J Hydraul Res. 49 (6), 757-765 (2011).</li><li>Amir, M., Nikora, V., Witz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+experimental+technique+and+its+application+to+study+the+effects+of+particle+density+and+flow+submergence+on+bed+particle+saltation.">A novel experimental technique and its application to study the effects of particle density and flow submergence on bed particle saltation.</a> J Hydraul Res. 55 (1), 101-113 (2017).</li><li>Ettema, R., Garc&#236;a, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+effects+on+sediment+transport+in+rivers.">Ice effects on sediment transport in rivers.</a> Sedimentation Engineering. , 613-648 (2008).</li><li>Knack, I., Shen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sediment+transport+in+ice-covered+channels.">Sediment transport in ice-covered channels.</a> Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).</li><li>Goring, D. G., Nikora, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Despiking+acoustic+Doppler+velocimeter+data.">Despiking acoustic Doppler velocimeter data.</a> J Hydraul Eng. 128 (1), 117-126 (2002).</li><li>Nowak, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+shear+stress+measurement+in+a+turbulent+pipe+flow+using+ultrasound+Doppler+velocimetry.">Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp Fluids. 33 (2), 249-255 (2002).</li><li>McCuen, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microcomputer applications in statistical hydrology. , (1993).</li><li>Lloyd, P. M., Ball, D. J., Stansby, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unsteady+surface-velocity+field+measurement+using+particle+tracking+velocimetry.">Unsteady surface-velocity field measurement using particle tracking velocimetry.</a> J. Hydraul. Res. 33 (4), 519-534 (1995).</li><li>Radice, A., Aleixo, R., Hosseini-Sadabadi, S. A., Sarkar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+image+grabbing+and+processing+for+measurement+of+geophysical+flows.">On image grabbing and processing for measurement of geophysical flows.</a> Proc. HydroSenSoft 2017, International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software. , (2017).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Post-processing+of+particle+tracking+data+for+phenomenological+depiction+of+weak+bed-load+sediment+transport.">Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport.</a> Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , 780-786 (2016).</li></ol>

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Design af et bed-load transport eksperiment med partikel visualisering involverer flere trin, herunder valget af en eksperimentel konfiguration og hardware værktøjer, flow måling, partikel såning og visualisering og billedanalyse. Variationer i hvert trin har fordele og ulemper. Nøgleegenskaberne ved protokollen, der er præsenteret i dette manuskript, er: (i) anvendelse af en trykstrøm og en fast ru seng, (ii) såning af et lavt antal sengelastpartikler med en kontrastfarve til den faste bed farve, (iii) Ved hjælp af naturligt lys og (iv) at bruge flere kameraer til at opnå uafhængige sporsæt, der skal forbindes til hinanden. Forsøgsmetoden og databehandlingen gør det muligt at spore bed-load-partiklerne pålideligt til den endelige måling. Den dækkede strøm sikrer en optimal vision af de bevægelige partikler. Den faste seng forhindrer imidlertid observation af nogle processer ( f.eks . De der er forbundet med vertica<html> L forskydninger af sedimentpartikler inden for det aktive sengelastlag) og begrænser således anvendeligheden af ​​teknikken til svage bedbelastninger. Størrelsen af ​​de data prøver, der blev opnået under anvendelse af kun 100 s af film, var forholdsvis lille. Prøvestørrelsen kan dog let øges ved at forlænge den eksperimentelle varighed af billedoptagelse og -behandling. Fodring af et begrænset antal partikler kræver en længere forsøgstid end fodring med en væsentligt højere hastighed; Men det er værd at indsatsen på grund af en forholdsvis enkel partikelsporing på grund af den lille koncentration af partikler i bevægelse og brugen af ​​forskellige farver, der begge reducerer sandsynligheden for at spore fejl. Anvendelsen af ​​naturligt lys i eksperimentet undgår behovet for belysningsenheder; Imidlertid er en ulempe, at god belysning afhænger af vejrforholdene. CFD&#39;erne med partikelhoplængde og varighed afbildet iG &quot;&gt; Figur 4 viser de laveste værdier som de hyppigste. De største målte værdier for hoplængde og varighed var henholdsvis 600 mm og 7 s. Dette var signifikant større sammenlignet med analoge værdier fra litteraturen 4 , 16 , 30 Da der måles længere spor, er risikoen for lang partikel humle. Fordelene ved at bruge to kameraer er tydeligt, idet et enkelt kamera havde en fokusområde længde på omkring 850 mm, hvilket ikke ville være meget større end hoplængdeværdier, der skal måles. Måleprotokollen ved hjælp af to kameraer i stedet sørgede for en tilfredsstillende adskillelse mellem procesens længdeskalaer og målerfeltets størrelse, hvilket reducerer risikoen for at forspænde de fænomenologiske resultater som følge af eksperimentelle begrænsninger. Desuden kan fokusområdet yderligere forlænges af Øge antallet af kameraer placeret langs flume. En alternativ procedure i forhold til den her beskrevne protokol er at skabe overlappede billeder inden partikelidentifikationen og sporing. Vores protokol (for at udføre sporing to gange og sammenkædning af partikelspor) var foretrukket, da billedfusionsmetoden ville have fordoblet størrelsen af ​​datafilerne, hvilket kræver et hukommelsesforbrug, der ikke var overkommeligt. Med de behandlingsalgoritmer, der er beskrevet her, blev flere partikelspor, der var kortere end længden af ​​det overlappende område, kasseret, fordi de forhindrede en fuldstændig rekonstruktion af sedimentsporene. Tærskelængden på 120 mm var imidlertid en størrelsesorden kortere end de sporlængder, der kunne opnås, og tabet af disse data var derfor acceptabelt. Desuden ville sporforbindelsen set i de nedre 8 tilfælde i figur 1 ikke muliggøre en signifikant forøgelse af den sporlængde, der skal opnås. På den anden side kan disse situationer hjælpeVed hentning af lange spor, som f.eks. Situationen i figur 5, der kunne skyldes sporafbrydelser. I en lignende sag kunne et langt spor rekonstrueres af iterative samlingsoperationer. Det er dog vigtigt at huske på, at sporafbrydelser som dem i figur 5 er tydeligt relateret til sporingsprocessen i stedet for til sammenføjningsprocessen. Dette manuskript præsenterede proof-of-concept resultater for et enkelt eksperiment for at demonstrere mulighederne for den vedtagne protokol. I fremtidige eksperimenter vil protokollen blive anvendt på en række forskellige hydro-dynamiske betingelser for at opnå en detaljeret analyse af bed-load sediment transport processen. <img alt="Figur 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Figur 5: En situation med spor, der går i forbindelse med afbrydelser. </Strong&gt; Tilslutningen af ​​disse spor til et enkelt spor er ikke muligt med protokollen beskrevet her. Som nævnt i billedet i figur 1 og i trin 8.4 i protokollen er sporene kortere end længden af ​​den overlappende region udelukket. Dette eliminerer de korte røde og grønne spor; Derfor kan de resterende lange ikke tilsluttes, fordi de ikke har noget fælles punkt. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>

Siden banebrydende værker har dukket op for nogle årtier siden 1 , 2 , er brugen af ​​billedanalyse til undersøgelsen af ​​flodsedimenttransport steget konstant. Denne teknik viste sig faktisk at kunne levere relativt høj opløsning og billige data til detaljerede analyser af fysiske fænomener 3 , 4 , 5 . Med tiden er der opnået betydelige forbedringer for både hardware- og softwareværktøjer. Måling af sedimenttransport kan udføres ved hjælp af en Eulerian-tilgang, der retter sig mod måling af sedimentflusser, eller en Lagrangian, der har til formål at måle baner af individuelle korn, når de bevæger sig. Billedbehandling giver unikke muligheder for partikelsporing i sammenligning med andre Eulerian-metoder 6 , 7 . Men desPå baggrund af disse potentialer lider anvendelsen af ​​billedanalyse på bed-load sedimenttransport af nogle kritiske eksperimentelle begrænsninger, hvad angår rumlige / tidsmæssige understøttelsesskalaer for måling og størrelse af dataprøver. For eksempel er det vanskeligt at opnå samtidig en passende kombination af et stort rumligt område, lang varighed af et forsøg og høj målefrekvens 3 , 4 , 8 uden at gå på kompromis med kvaliteten og mængden af ​​data. Derudover kan partikelsporing udføres manuelt 2 , 4 , hvilket kræver en stor menneskelig indsats, eller automatisk 3 , 8 , med muligheden for at spore fejl lavet af den software, der anvendes til analysen. Dette papir præsenterer en protokol til forsøgsundersøgelsen af ​​bed-load sediment trAnswering, hvor lang varighed blev opnået ved den anvendte type kamera, sikredes et stort synsfelt ved samtidig anvendelse af to kameraer på forskellige steder, og pålidelig automatisk behandling blev muliggjort ved ad hoc eksperimentelle forhold. Forsøgsoperationen blev udformet, og forarbejdningsværktøjerne blev udvalgt ud fra erfaringer erhvervet af forfatterne i adskillige forskningsværker, der beskæftiger sig med den detaljerede undersøgelse af sedimenttransport med billedmetoder 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Et sedimenttransporteksperiment beskrives, som blev udført, frigivelse af partikelEr over en fast, grov seng. Partikeltilførslen var meget mindre end transportkapaciteten af ​​strømmen for at opretholde en lav koncentration af bevægelige korn, hvilket således forhindrer overbelastning af partikler, der skal spores. Desuden bevægede de transporterede partikler ikke kontinuerligt, men intermitterende bevægelse blev observeret. Anvendelsen af ​​en fast seng i stedet for en bevægelig er et tab af lighed med naturlige forhold. Imidlertid blev en fast seng ofte anvendt i sedimenttransporteksperimenterne 19 , 20 , 21 under antagelse af, at resultaterne er enklere og forklarende end dem fra komplicerede scenarier med en række forskellige processer. Anvendelsen af ​​en fast seng forhindrer selvfølgelig, at processer til nedbringelse af sedimentbegravelse og genopståelse overholdes. På den anden side finder sedimenttransporten sted i et overfladisk lag af en løs seng i nærvær af en svag sengelast, og i dette tilfælde,Brugen af ​​en fast seng kan være tilstrækkelig. Faktisk frembragte specifikke sammenligninger mellem egenskaberne af partikelbevægelse i forsøg, der kørte med de to betingelser, ikke nogen signifikante forskelle 3 , 14 . Endelig blev eksperimentet, der blev præsenteret her, udført med en trykstrøm for at sikre en optimal tilstand for partikelvisualisering gennem et gennemsigtigt dække. Sedimenttransport med trykstrøm er blevet eksperimentelt undersøgt i prototypeprøvning af isdækkede floder, hvilket viser, at interaktionen mellem det nærliggende bundlag og sedimentet er analogt med det for åbne kanalstrøm 22 , 23 . I de følgende afsnit beskrives alle metoder og der gives nogle repræsentative resultater.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="635">
	<tbody>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Laser distance sensor</td>
			<td style="width:111px;">METRICA</td>
			<td style="width:119px;">PREXISOX2</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the flume slope</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Two-component polyester resin</td>
			<td style="width:111px;">Gelson</td>
			<td style="width:119px;">MS 65213</td>
			<td style="width:191px;">Used to glue sediment particles onto steel plates</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Water-resistant spray paint</td>
			<td style="width:111px;">Any</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Used to paint the fixed bed</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Ultrasonic Velocity Profiler</td>
			<td style="width:111px;">Signal Processing</td>
			<td style="width:119px;">DOP 2000</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the water velocity profiles</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Camera</td>
			<td style="width:111px;">Go-Pro</td>
			<td style="width:119px;">Hero 4 Black</td>
			<td style="width:191px;">Used to acquire movies of bed-load particle motion</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Streams</td>
			<td style="width:111px;">University of Canterbury</td>
			<td style="width:119px;">2.01</td>
			<td style="width:191px;">Used for particle identification and tracking</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">MatLab</td>
			<td style="width:111px;">MathWorks</td>
			<td style="width:119px;">R14</td>
			<td style="width:191px;">Used to develop ad hoc codes for a variety of operations</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Plexiglas</td>
			<td style="width:111px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Transparent acrylic material</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments

Billedanalyse er i stigende grad brugt til måling af flodstrømme på grund af dets evne til at levere detaljerede kvantitative afbildninger til en relativt lav pris. Dette manuskript beskriver en anvendelse af partikelsporings-velocimetri (PTV) til et bed-load-eksperiment med letvægtssediment. Nøgleegenskaberne ved de undersøgte sedimenttransportbetingelser var tilstedeværelsen af ​​en overdækket strøm og en fast, grov seng, over hvilken partikler blev frigivet i begrænset antal ved flumeindgangen. Under de anvendte strømningsbetingelser var bevægelsen af ​​de individuelle sengelastpartikler intermitterende med skiftende bevægelses- og stillhedsbetingelser. Strømningsmønstret blev foreløbigt kendetegnet ved akustiske målinger af vertikale profiler af strømstrømshastigheden. Under processen visualisering blev der opnået et stort synsfelt ved anvendelse af to action-kameraer placeret på forskellige steder langs flume. Den eksperimentelle protokol er beskrevet i form af chanNelkalibrering, eksperimentrealisering, billedforbehandling, automatisk partikelsporing og efterbehandling af partikelspordata fra de to kameraer. De præsenterede proof-of-concept resultater inkluderer sandsynlighedsfordelinger af partikelhoplængden og varigheden. Resultaterne af dette værk sammenlignes med eksisterende litteratur for at demonstrere protokollens gyldighed.

Resultater præsenteret i dette afsnit er til et forsøg, hvor flumehældningen blev sat til nul (hældningsværdier blev beregnet med ± 0,05% nøjagtighed). Det anvendte sediment blev fremstillet af PBT-partikler, som var kvasfæriske, med en størrelse d = 3 mm og en densitet p p = 1.270 kg / m 3 . Forsøget blev kørt med en strømningshastighed Q = 9,7 × 10 -3 m 3 / s, hvilket resulterer i en bulk hastighed U = 0,31 m / s. For hastighedsmålingerne med UVP blev en 2 MHz probe anvendt ved 81 ° hældning. Hastighedsdata blev erhvervet ved 20 Hz i 250 s. En repræsentativ hastighedsprofil er afbildet i figur 2 . Det blev taget ved kanalaksen og ved 4,5 m fra flumeindgangen, hvor strømmen var fuldt udviklet. Nogle værdier relateret til ugyldige elevationsmålinger blev fjernet. En asymmetriC-profilen skyldtes den forskellige ruhed af plastdækslet og sedimentlejet. Tegningerne viser også den del af profilen, der anvendes til estimeringen af ​​forskydningshastigheden, idet man opnår u s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Partikel Reynolds-tallet ( Re p = u s × d / v , med v som kinematisk viskositet af vand) var derfor lig med 78, hvilket indikerer et overgangsmæssigt groft regime. Visualiseringen af ​​sedimenttransport blev udført med to kameraer placeret på 3,5 m og 4,3 m fra flumeindgangen. Kameraerne betjenes med en frekvens på 30 fps og med en opløsning på 1.920 x 1.080 pixel. Faktoren for korrektion af billedforvrængning var k = 0,6. Efter fjernelse af forvrængning var billedkalibreringen 1 pixel = 0,5 mm. Længden af ​​overlapning var fra 760,15 til 880,11 mm (hvor sidstnævnte var længden af ​​fokusområdet for granenSt kamera fra sin opstrøms kant). Tærskelintensiteten for partikelidentifikation blev sat til 80, og den forventede blobestørrelse varierede fra 0,5 til 8 mm. Søgningsvinduet til partikelsporing var som følger: 1 mm opstrøms og 7 mm nedstrøms, 4 mm lateralt. Søgningsvinduet til genopkobling af afbrudte spor var som følger: 1 mm opstrøms og 31 mm nedstrøms, 16 mm lateralt langs 4 følgende rammer. Tærskelværdien af ​​kvadratroden af ​​den gennemsnitlige kvadratiske forskel mellem x og y- værdier mellem to spor, der skal tilsluttes, blev sat til 10 mm. Partikelsporene målt ved hjælp af en delmængde på 3.000 billeder fra hvert kamera (svarende til 100 s varighed) er afbildet i figur 3 . Databasen forstod 37 og 34 spor fra henholdsvis opstrøms og nedstrøms kamera. En overlapning af sporene opnået af de to kameraer er først foreslået og derefter det resulterende fulde sæt af tStativer vises. Det er tydeligt, at overlapningen i den centrale del af måleområdet var tilfredsstillende. 12 links blev opnået ved enden 59 spor. Det længste spor spændte hele observationsvinduet med en samlet længde på ca. 1,6 m (mere end 530 partikelstørrelser, 15,2 strømningsdybder eller 5,3 flumebredder), hvilket er meget stort i sammenligning med andre litteraturstudier, hvor lignende analyser blev udført 3 , 4 , 5, 8. Ved at tage en lagrangisk ramme anvendes nøgleindikatorerne for partikelkinematik her i form af egenskaber af partikel humle. Under en intermitterende bed-load-transport som den i dette forsøg er disse humle bevægelser adskilt af hvileperioder. At identificere humle inden for et fuldspor til en enkelt partikel er identifikationen af ​​partikelbevægelse og stilhedEt nødvendigt foreløbigt skridt. I dette arbejde anvendte vi et kriterium 30, der betragter en partikel i bevægelse på et bestemt tidspunkt, hvis dets x position på det pågældende tidspunkt er større end alle de foregående og lavere end alle de følgende. Et samlet antal 98 humle blev opnået fra de 59 målte partikelspor. Figur 4 viser den opnåede kumulative frekvensfordeling (CFD) for hoplængden og varigheden. <img alt="Figur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Figur 2: Målt hastighedsprofil. (Top) Den gennemsnitlige vertikale profil for strøm-vis hastighedskomponenten. (Nederst) Estimationen af ​​forskydningshastigheden ved at tilpasse en logaritmisk ligning til profilens nedre del. Bemærk, at en lodret akse, der starter fra toppen af ​​kanalen og orienteret nedad, anvendes i den første plot, represe<html> Nting resultatet af måling med UVP. En akse fra kanalbunden og rettet opad anvendes i stedet i det andet plot efter behov for at estimere forskydningshastigheden ved ligningstilpasning. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a> <img alt="Figur 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Figur 3: Planlægning af målte partikelspor. (Top) Sporene fra de to kameraer (opstrøms kamera i rødt og nedstrøms i sort). (Nederst) Prøven af ​​sammenføjede spor (skift farve for klarhed og nogle spor fremhævet af en tykkere linje). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / filer / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Figur 4: Kumulativ Frekvensfordeling (CFD) af Hoplængde (Top) og Varighed (Nederst). Inden for hvert spor i figur 3 blev partiklen mærket til hver gang øjeblikkeligt at repræsentere, hvis partiklen var i bevægelse eller i ro på det øjeblik. Partikelhopper blev derefter ekstraheret fra sporene som portioner mellem partikelinddragelse (overgang fra stillhed til bevægelse) og disentrainment (overgang fra bevægelse til stilhed). De prøver, der blev opnået for hoplængder og varigheder, blev brugt til at oprette de her omhandlede distributioner. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a> Supplerende kodefiler : join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Please</a>Klik her for at downloade denne fil.

Watch this Scientific Journal Video about Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments at JoVE.com

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Manuskriptet præsenterer en protokol for ledning af bed-load sediment transport eksperimenter, hvor de bevægelige partikler spores ved billedanalyse. Den eksperimentelle facilitet, procedurerne for løbende realisering og databehandling, og endelig vises nogle proof-of-concept resultater her.

Image-baseret Lagrangian Particle Tracking i Bed-load eksperimenter

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

Research

JoVE Journal

Environment

Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

Optimer Røggas indstillinger for at fremme mikroalger Vækst i fotobioreaktorer via computersimuleringer

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

Tracking Microbial Contamination in Retail Environments Using Fluorescent Powder - A Retail Delicatessen Environment Example

Sporing mikrobiel forurening i Retail Miljøer med fluorescerende Powder - En Retail Delicatessen Environment Eksempel

Cross contamination of foodborne pathogens in the retail environment is a significant public health issue contributing to an increased risk for foodborne ...

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

Field Eksperimenter af Bestøvning Økologi: Sagen om<em&gt; Lycoris sanguinea</em&gt; Var.<em&gt; sanguinea</em

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify ...

A Lipid Extraction and Analysis Method for Characterizing Soil Microbes in Experiments with Many Samples

En lipidekstraktions- og analysemetode til karakterisering af jordmikrober i forsøg med mange prøver

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial ...

Video Tracking Protocol to Screen Deterrent Chemistries for Honey Bees

Video Tracking Protocol til Screen Deterrent Chemistries for honningbier

The European honey bee, Apis mellifera L., is an economically and agriculturally important pollinator that generates billions of dollars annually. Honey ...

Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar

Sporing Infiltration forreste dybde ved hjælp af Time-lapse multi offset samler indsamlet med Array antenne jorden gennemtrængende Radar

A Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array was used to collect data during an infiltration ...

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Metoder til Image-baserede undersøgelser af bentiske Macroinvertebrates og deres levesteder, eksemplificeret ved slip kamera undersøgelse til Atlanten havet kammusling

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

Experimental Study of the Relationship Between Particle Size and Methane Sorption Capacity in Shale

Eksperimentel undersøgelse af forholdet mellem partikelstørrelse og metan Sorption kapacitet i skifer

The amount of adsorbed shale gas is a key parameter used in shale gas resource evaluation and target area selection, and it is also an important standard ...

Isolation and Analysis of Microbial Communities in Soil, Rhizosphere, and Roots in Perennial Grass Experiments

Isolering og analyse af mikrobielle samfund i jord, rhizosfære og rødder i flerårig græs eksperimenter

Plant and soil microbiome studies are becoming increasingly important for understanding the roles microorganisms play in agricultural productivity. The ...

Combining Eye-tracking Data with an Analysis of Video Content from Free-viewing a Video of a Walk in an Urban Park Environment

Kombination af Eye-tracking data med en analyse af videoindhold fra Free-visning af en video af en tur i et Urban Park miljø

As individuals increasingly live in cities, methods to study their everyday movements and the data that can be collected becomes important and valuable. ...