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

עבודה זו נתמכה על ידי הסוכנות למחקר, באמצעות תוכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי, תמיכה בהכשרה ופיתוח קריירה של חוקרים (מארי קורי - FP7-PEOPLE-2012-ITN), אשר מימנה את רשת ההדרכה הראשונית (ITN) HYTECH &quot;הידרודינמית תחבורה בממשקים הטרוגניים קריטיים מבחינה אקולוגית&quot; (מס &#39;316546). הוא נתמך גם על ידי פולו טריטוריאלית די לקו של הפוליטניקו די מילאנו. הניסויים בוצעו במהלך ביקור של ס&quot;ס בפוליטניקו די מילאנו כמדען אורח. המחברים מודים לטארסיסיו פאציני, סטפניה גרבי, פרנצ&#39;סקו מוטיני (תלמידי B.Sc בפוליטניקו די מילאנו) וסייד עבאס חוסייני-סאדבאדי (עמית בפרויקט הייטק ותלמיד דוקטורט בפוליטניקו די מילאנו) על תמיכתו פעילות ניסויית וניתוח הנתונים. המחברים מודים בהכרת תודה לפרופ &#39;רוג&#39;ר נוקס (אוניברסיטת קנטרברי, קרייסטצ&#39;רץ&#39;, ניו זילנד) על מתן ה- Sתוכנות treams ועצות מתמיד. לבסוף, המחברים מודים לעורך הניהול של JoVE ושלושה מבקרים אנונימיים על הערותיהם ומעוררי המחשבות שלהם, שבזכותם כתב היד יכול להשתפר בצורה משמעותית.

<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>

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תכנון ניסוי התחבורה של מטען עם הדמיית חלקיקים כולל מספר שלבים, כולל בחירת תצורה ניסיונית וכלים לחומרה, מדידת זרימה, זריעת חלקיקים והדמיה, וניתוח תמונה. וריאציות בכל שלב יש יתרונות וחסרונות. המאפיינים העיקריים של הפרוטוקול המוצגים בכתב יד זה הם:) i (שימוש בזרימה בלחץ ובמיטה גסה קבועה,) ii (זריעת מספר נמוך של חלקיקי עומס למיטה בעלי צבע מנוגד לצבע המיטה הקבוע,) iii באמצעות אור טבעי ו, (iv) באמצעות מצלמות מרובות כדי לקבל מסלולים עצמאיים לעקוב להיות מחוברים זה לזה. השיטה הניסויית ועיבוד הנתונים מאפשרים את העברת חלקיקי העומס על מנת לאמוד את המדידה הסופית. הזרימה המכוסה מבטיחה ראייה אופטימלית של החלקיקים הנעים. המיטה קבועה עם זאת, מונע תצפית של כמה תהליכים ( למשל , אלה מקושרים עם vertica<html> • התפשטות של חלקיקי משקע בתוך שכבת העומס הפעילה), ובכך מגבילה את תחולת הטכניקה על עומסי מיטה חלשים. הגודל של דגימות הנתונים שהתקבלו באמצעות רק 100 של הסרט היה קטן יחסית. עם זאת, גודל המדגם יכול בקלות להיות מוגברת על ידי הארכת משך ניסיוני של רכישת התמונה ועיבוד. האכלה מספר מצומצם של חלקיקים דורשת זמן ניסיוני ארוך יותר מאשר האכלה בשיעור גבוה משמעותית; אבל זה שווה את המאמץ בגלל מעקב חלקיקים פשוט יחסית בשל ריכוז קטן של חלקיקים בתנועה ואת השימוש בצבעים שונים, שניהם להפחית את ההסתברות של מעקב אחר טעויות. השימוש באור טבעי בניסוי ימנע את הצורך בהתקני תאורה; עם זאת, החיסרון הוא כי תאורה טובה תלויה בתנאי מזג האוויר. CFDs של אורך הופכה החלקיקים ומשך מתוארG&gt; &quot;איור 4 מציג את הערכים הנמוכים ביותר כמו אלה השכיחים ביותר.הערכים הנמדדים הגדולים ביותר של אורך הופ ומשך היו סביב 600 מ&quot;מ ו 7, בהתאמה, זה היה גדול משמעותית לעומת ערכים מקבילים של הספרות 4 , 16 , 30 , שכן מדידת מסלולים ארוכים יותר עלולה להסתכן בקפיצות חלקיקים ארוכות.היתרון של שימוש בשתי מצלמות ניכר בהתחשב בכך שלמצלמה אחת היה אורך מוקד של כ -850 מ&quot;מ, שלא יהיה גדול בהרבה מערכי אורך הופ שימדדו. פרוטוקול המדידה באמצעות שתי מצלמות במקום, הבטיח הפרדה מספקת בין קשקשי אורך של התהליך לבין אלה של שדה מדידה, ובכך להפחית את הסיכון של biasing התוצאות הפנומנולוגיות בשל מגבלות ניסיוני.כמו כן, ניתן להתמקד גם באזור המיקוד על ידי הגדלת מספר המצלמות להציב לאורך העשן. הליך חלופי לעומת פרוטוקול המתואר כאן היא ליצור תמונות חופפות לפני זיהוי החלקיקים ומעקב. הפרוטוקול שלנו (של ביצוע מעקב פעמיים וקישור מסלולים החלקיקים) היה המועדף כמו מיזוג התמונה שיטה היה להכפיל את הגודל של קבצי הנתונים, הדורש צריכת זיכרון זה לא היה זול. עם אלגוריתמים לעיבוד המתוארים כאן, כמה מסלולים החלקיקים שהיו קצרים מאורך השטח החופף נמחקו כי הם מנעו שחזור מלא של מסלולי משקעים. עם זאת, אורך הסף של 120 מ&quot;מ היה בסדר גודל אחד קצר יותר מאשר אורך המסלול שניתן להשיג, ועל אובדן נתונים אלה היה מקובל לכן. יתר על כן, המסלול שהצטרף לראות את 8 המקרים התחתונים של איור 1 לא יאפשר להגדיל משמעותית אורך המסלול להתקבל. מצד שני, מצבים אלה עשויים לעזורב אחזור של מסלולים ארוכים, כגון המצב בתרשים 5 כי יכול להיות עקב הפרעות המסלול. במקרה דומה, ניתן לשחזר מסלול ארוך על ידי פעולות הצטרפות חוזרות. עם זאת חשוב לזכור כי הפרעות המסלול כמו אלה בתרשים 5 קשורות בבירור לתהליך המעקב ולא לתהליך ההצטרפות. כתב היד הזה הציג תוצאות הוכחה של מושג עבור ניסוי אחד, כדי להדגים את היכולות של הפרוטוקול שאומץ. בניסויים עתידיים, הפרוטוקול יחול על סדרה של תנאים הידרו דינמיים שונים כדי להשיג ניתוח מפורט של העומס המיטה תהליך הובלה. <img alt="איור 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> איור 5: מצב של מסלול הצטרפות לנוכחות של הפרעות. </חזקה&gt; ההצטרפות של מסלולים אלה למסלול אחד אינה אפשרית עם הפרוטוקול המתואר כאן. כפי שצוין ב איור של איור 1 ו בשלב 8.4 של הפרוטוקול, מסלולים קצרים מאורך של האזור החופף אינם נכללים. זה מבטל את המסלולים האדומים וירוקים קצר; לכן, לא ניתן לחבר את שאריתן הארוכות, כי אין להן נקודה משותפת. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

מאז עבודות חלוציות הופיע לפני כמה עשורים 1 , 2 , השימוש של ניתוח תמונה לחקר תחבורה משקע הנהר גדל בהתמדה. טכניקה זו אכן הוכיחה את יכולתו לספק נתונים ברזולוציה גבוהה יחסית בעלות נמוכה עבור ניתוחים מפורטים של תופעות פיזיות 3 , 4 , 5 . עם הזמן, שיפורים משמעותיים הושגו עבור חומרה הן כלי תוכנה. המדידה של הובלה משקעים יכולה להתבצע באמצעות גישה Eulerian שמכוונת מדידה של שטפי משקע, או אחד Lagrangian אחד שמטרתו למדוד מסלולים של דגנים בודדים כשהם נעים. עיבוד תמונה מציעה אפשרויות ייחודיות עבור מעקב החלקיקים בהשוואה לשיטות Eulerian אחרים 6 , 7 . עם זאת, desPite את הפוטנציאלים האלה, היישום של ניתוח תמונה למשקעים העומסים על עומס המיטה סובל ממגבלות ניסיוניות קריטיות, במונחים של סולמות תמיכה מרחבית / טמפורלית למדידה וגודל של דגימות נתונים. לדוגמה, קשה להשיג בו זמנית שילוב נכון של מרחב מרחבי גדול, משך זמן ארוך של ניסוי ותדר מדידה גבוה 3 , 4 , 8 , מבלי לפגוע באיכות ובכמות הנתונים. בנוסף, מעקב החלקיקים יכול להתבצע באופן ידני 2 , 4 , אשר דורש מאמץ אנושי גדול, או באופן אוטומטי 3 , 8 , עם אפשרות של שגיאות מעקב שנעשו על ידי התוכנה המשמשת לניתוח. מאמר זה מציג פרוטוקול לחקירה הניסויית של משקע למיטה trAnsport, שם משך זמן ארוך הושג על ידי סוג של מצלמה בשימוש, שדה גדול של נוף היה מובטחת על ידי שימוש בו זמנית של שתי מצלמות במקומות שונים, ועיבוד אוטומטי אמין התאפשרה על ידי תנאי ניסוי אד הוק . פעולת הניסוי תוכננה וכלי העיבוד נבחרו על בסיס הניסיון שנרכש על ידי המחברים במספר עבודות מחקר העוסקות בחקירה מפורטת של הובלה משקעים בשיטות תמונה 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . ניסוי תחבורה משקע מתואר, כי בוצע שחרור חלקיקEs מעל מיטה גסה קבועה. האכלה החלקיקים היה הרבה פחות קיבולת התחבורה של הזרם כדי לשמור על ריכוז נמוך של גרגרים נעים, ובכך למנוע את הצפיפות של חלקיקים להיות במעקב. יתר על כן, חלקיקים מועברים לא זז ברציפות, אבל תנועה לסירוגין נצפתה. השימוש במיטה קבועה ולא במיטלטל מייצג אובדן דמיון לתנאי הטבע. עם זאת, מיטה קבועה שימשה לעתים קרובות בניסויים הובלה משקעים 19 , 20 , 21 תחת ההנחה כי התוצאות פשוטות יותר להסביר מאשר אלה מתרחישים מורכבים עם מגוון של תהליכי משחק. השימוש במיטה קבועה כמובן מונע תהליכים של קבורה משקעים reappence מלהיות שנצפו. מאידך, בנוכחות עומס מיטה חלש, הובלת המשקעים מתרחשת בשכבה שטחית של מיטה רופפת, ובמקרה זה,השימוש במיטה קבועה עשוי להיות הולם. למעשה, השוואות ספציפיות בין המאפיינים של תנועת החלקיקים בניסויים לרוץ עם שני התנאים לא הציגו הבדלים משמעותיים 3 , 14 . לבסוף, הניסוי המוצג כאן בוצע עם זרימה בלחץ כדי להבטיח מצב אופטימלי להדמיה החלקיקים דרך כיסוי שקוף. הסדימנט התחבורה עם זרימה בלחץ נבדק באופן ניסיוני במחקר אב טיפוס קרח מכוסה נהרות, מראה כי האינטראקציה בין שכבת הגבול ליד המיטה ואת המשקע מקביל לזה של ערוץ פתוח 22 , 23 . בסעיפים הבאים, כל השיטות מתוארות ותוצאות נציג מסוימות מסופקות.

<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

ניתוח תמונה שימש יותר ויותר למדידת זרימת הנהרות בשל היכולות שלה כדי לספק תיאורים כמותיים מפורטים במחיר נמוך יחסית. כתב יד זה מתאר יישום של velocimetry מעקב החלקיקים (PTV) לניסוי לטעון את המיטה עם משקעים קלים. המאפיינים העיקריים של תנאי הובלה משקעים שנחקרו היו נוכחות של זרימה מכוסה של מיטה מחוספסת קבועה שממנה חלקיקים שוחררו במספר מצומצם על פתחי הכניסה. תחת תנאי זרימה מיושמת, התנועה של חלקיקים בודדים עומס המיטה היה לסירוגין, עם לסירוגין תנועה ודממה תנאי. דפוס הזרימה היה מאופיין מראש על ידי מדידות אקוסטיות של פרופילים אנכיים של מהירות הזרם. במהלך ההדמיה התהליך, שדה ראייה גדול הושג באמצעות שתי מצלמות פעולה להציב במקומות שונים לאורך העשן. פרוטוקול הניסוי מתואר במונחים של צ&#39;אןכיול nel, מימוש הניסוי, עיבוד תמונה מראש, מעקב אחר החלקיקים אוטומטי, שלאחר עיבוד של נתונים מסלול החלקיקים של שתי המצלמות. התוצאות המוצגות של הוכחת המושג כוללות הסתברות הסתברות של אורך הופכת החלקיקים ומשך הזמן. ההישגים של עבודה זו מושווים לאלה של הספרות הקיימת כדי להוכיח את תקפות הפרוטוקול.

התוצאות המוצגות בסעיף זה הן עבור ניסוי שבו המדרון העגום נקבע לאפס (ערכי המדרון חושבו בדייקנות של 0.05%). המשקע בשימוש נעשתה של חלקיקים PBT שהיו מעין-כדורית, עם מ&quot;מ גודל d = 3 וכן עמ &#39;צפיפות ρ = 1270 ק&quot;ג / מ&#39; 3. הניסוי היה מופעל עם קצב זרימה Q = 9.7 × 10 -3 m 3 / s וכתוצאה מכך מהירות בתפזורת U = 0.31 m / s. עבור מדידות המהירות עם UVP, בדיקה 2 מגהרץ שימש ב 81 ° היצר. מהירות הנתונים נרכשו ב 20 הרץ עבור 250 s. באיור 2 מופיע פרופיל המהירות המייצגת. היא צולמה בציר הערוץ ובגובה 4.5 מ &#39;מפרץ האפונים, שם התפתח הזרימה במלואה. ערכים מסוימים הקשורים למדידות גובה לא חוקיות הוסרו. אסימטריהC פרופיל נבעה מחספוס שונים של מכסה פלסטיק ומיטה משקע. המגרשים גם להראות את החלק של הפרופיל המשמש להערכת מהירות הגזירה, קבלת u S = 25.9 ± 1.3 מ&quot;מ / s. מספר ריינולדס החלקיקים (Re p = u ים × ד / ν, עם ν כמו צמיגות קינמטיקה של מים) היה אפוא שווה 78, המציין משטר transitionally מחוספס. הדמיה של הובלה משקעים בוצעה עם שתי מצלמות להציב ב 3.5 מ &#39;ו 4.3 מ&#39; מפרץ הכניסה. המצלמות פעלו בתדירות של 30 fps ועם רזולוציה של 1,920 x 1,080 פיקסלים. הגורם לתיקון עיוות התמונה היה k = 0.6. לאחר הסרת עיוות, כיול התמונה היה 1 פיקסל = 0.5 מ&quot;מ. אורך החפיפה היה בין 760.15 ל 880.11 מ&quot;מ (כאשר האחרון היה אורך של אזור המיקוד של אשוחSt מן הקצה במעלה שלה). עוצמת הסף לזיהוי חלקיקים הוגדרה ל -80, וגודל הכתם הצפוי נע בין 0.5 ל -8 מ&quot;מ. חלון החיפוש עבור מעקב החלקיקים היה כדלקמן: 1 מ&quot;מ במעלה הזרם 7 מ&quot;מ, 4 מ&quot;מ רוחבית. חלון החיפוש עבור חיבור מחדש של מסלולים שנקטעו היה כדלקמן: 1 מ&quot;מ במעלה הזרם 31 מ&quot;מ במורד, 16 מ&quot;מ רוחבית לאורך 4 המסגרות הבאות. ערך הסף של השורש הריבועי של ההפרש הריבועי הממוצע של ערכי x ו- y בין שני מסלולים שיצטרפו נקבע ל -10 מ&quot;מ. רצועות החלקיקים נמדדים באמצעות תת קבוצה של 3,000 תמונות מכל מצלמה (המקביל ל -100 S משך) מתוארים באיור 3 . מסד הנתונים הבין 37 ו 34 מסלולים מן במעלה במורד הזרם המצלמה, בהתאמה. חפיפה של המסלולים המתקבלים על ידי שתי המצלמות מוצע הראשון ולאחר מכן את הסט מלא של tמדפים מוצגים. נראה כי החפיפה בחלק המרכזי של אזור המדידה הייתה משביעת רצון. 12 קישורים התקבלו בסוף 59 מסלולים. המסלול הארוך ביותר כלל את כל חלון התצפית באורך כולל של כ -1.6 מ &#39;(יותר מ -530 מידות חלקיקים, 15.2 עומק זרימה או רוחב של 5.3), שהוא גדול מאוד בהשוואה למחקרי ספרות אחרים שבהם בוצעו ניתוחים דומים 3 , 4 , 5 , 8 . על ידי לקיחת מסגרת Lagrangian, האינדיקטורים העיקריים של קינמטיקה החלקיקים מוחלים כאן במונחים של תכונות של חלקיקים כשות. תחת התחבורה לסירוגין במיטה כמו אחד בניסוי זה, אלה כשות הם תנועות מופרדים על ידי תקופות מנוחה. כדי לזהות כשות בתוך מסלול מלא עבור חלקיק אחד, זיהוי תנועת החלקיקים והדממה הואצעד ראשוני הכרחי. בעבודה זו, אנו מיישמים קריטריון 30 אשר רואה חלקיק בתנועה ברגע מסוים, אם x המיקום שלה באותו רגע הוא גדול יותר מאשר כל אלה הקודם נמוך מכל אלה. מספר כולל של 98 כשות הושג מתוך 59 מסלולים חלקיקים נמדדים. איור 4 מתאר את התפלגות זרם התדרים המצטברת (CFD) למשך האורך והמשך. <img alt="איור 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> איור 2: פרופיל מהירות מדידה. (למעלה) פרופיל אנכי ממוצעים בזמן של רכיב מהירות הזרם. (תחתון) אמידת מהירות הגזירה על ידי התאמת משוואה לוגריתמית לחלק התחתון של הפרופיל. שים לב כי ציר אנכי החל העליון של הערוץ מכוונת כלפי מטה משמש העלילה הראשונה, represe<html> Nting התוצאה מן המדידה עם UVP. ציר מקרקעית הערוץ ומכוון כלפי מעלה משמש במקום זאת במגרש השני, לפי הצורך, כדי לאמוד את מהירות הגזירה על ידי התאמת המשוואה. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> איור 3: תצוגת תוכנית של מסלולי חלקיקים נמדדים. (למעלה) המסילה של שתי המצלמות (מצלמה במעלה הזרם באדום ומורד במורד השחור). (תחתון) המדגם של רצועות הצטרפו (שינוי צבע לבהירות וכמה מסלולים מודגשת על ידי קו עבה). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; איור 4: התפלגות התדר המצטברת (CFD) של אורך הופ (למעלה) ומשך (למטה). בתוך כל מסלול של איור 3 , החלקיק היה מתויג בכל רגע כדי לייצג אם החלקיק היה בתנועה או במנוחה באותו רגע. חלקיקים של חלקיקים הוצאו אז מן המסלולים כמו חלקים בין entryment החלקיקים (המעבר מדממה לתנועה) ואת חוסר איזון (המעבר מתנועה לדממה). הדגימות שהתקבלו עבור אורך הופ ומשכים שימשו כדי ליצור את ההפצות המתוארות כאן. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> קוד משלים קבצים: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">בבקשה</a>לחץ כאן להורדת קובץ זה.

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

כתב היד מציג פרוטוקול להולכת ניסויי הובלה של משקעים למיטה, שבהם החלקיקים הנעים עוקבים אחר ניתוח תמונה. מתקן הניסוי, ההליכים להפעלת מימוש ועיבוד נתונים, ולבסוף כמה תוצאות הוכחה של מושג מוצגים כאן.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

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

לייעל ארובות הגדרות גז לקידום Microalgae צמיחה בphotobioreactors באמצעות הדמיות מחשב

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

מעקב מיקרוביאלית זיהום בסביבות קמעונאיות באמצעות פלורסנט אבקה - קמעונאות מעדני סביבת דוגמא

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

ניסויי שדה לאקולוגית אבקה: המקרה של<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

ליפיד הפקת וניתוח שיטה לאפיון קרקע חיידקים בניסויים עם דוגמאות רבות

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

פרוטוקול מעקב וידאו מסך ההרתעה Chemistries עבור דבורים דבש

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

מעקב אחר הסתננות עומק קבלה באמצעות offset רב בצילום מואץ אוספת הנאספים יחד עם מערך הקרקע אנטנת רדאר חודר

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

שיטות מבוססות-תמונה סקרים Macroinvertebrates בנתיק ואת הגידול שלהם כשניסחתי את הסקר המצלמה טיפה על צדפת הים האטלנטי

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

ניסויי חקר הקשר בין גודל החלקיקים מתאן וספיחה מתוקף פצלי

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

בידוד וניתוח של הקהילות מיקרוביאלית בקרקע, Rhizosphere ושורשים בניסויים עשב רב שנתי

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

שילוב נתוני מעקב אחר עיניים באמצעות ניתוח של תוכן וידאו מחינם-צפייה בסרטון וידאו של טיול בסביבה של פארק עירוני

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