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 arbeidet ble støttet av Forskningsstyrelsen gjennom Det 7. rammeprogram for Den europeiske union, Støtte til opplæring og karriereutvikling av forskere (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN), som finansierte ITN (Initial Training Network) HYTECH &quot;Hydrodynamisk transport i økologisk kritisk heterogen grensesnitt&quot; (nummer 316546). Den ble også støttet av Polo Territoriale di Lecco fra Politecnico di Milano. Forsøkene ble utført under et besøk av SS til Politecnico di Milano som besøksforsker. Forfatterne takker Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc.-studenter ved Politecnico di Milano) og Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (stipendiat fra Hytta-prosjektet og doktorgradsstudenten ved Politecnico di Milano) for å støtte Eksperimentell aktivitet og dataanalysen. Forfatterne takker takkelig prof. Roger Nokes (University of Canterbury, Christchurch, New Zealand) for å gi STreams programvare og konstant råd. Til slutt takker forfatterne JoVE-administrerende redaktør og tre anonyme korrekturlesere for sine tankevekkende kommentarer og forslag, takket være at manuskriptet kan bli betydelig forbedret.

<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 konkurrerende økonomiske interesser.

Utforming av et bedlasttransporteksperiment med partikkelvisualisering innebærer flere trinn, inkludert valg av eksperimentelle konfigurasjons- og maskinvareverktøy, strømningsmåling, partikkelsåing og visualisering og bildeanalyse. Variasjoner i hvert trinn har fordeler og ulemper. Nøkkelegenskapene til protokollen som presenteres i dette manuskriptet er: (i) bruk av en trykkstrøm og en fast grov seng, (ii) såing et lavt antall sengelastpartikler som har en kontrastfarge til den faste sengerfargen, Ved hjelp av naturlig lys, og (iv) bruk av flere kameraer for å oppnå uavhengige sporsett som skal knyttes til hverandre. Den eksperimentelle metoden og databehandlingen gjør at sengelastpartiklene kan spores pålitelig for den endelige måling. Den dekkede strømmen sikrer en optimal syn på de bevegelige partiklene. Den faste sengen forhindrer imidlertid observasjon av noen prosesser ( f.eks . De som er knyttet til vertica<html> L forskyvninger av sedimentpartikler i det aktive sengelastlaget), og begrenser således bruken av teknikken til svake belastninger. Størrelsen på datasamplene oppnådd ved bruk av kun 100 s av film var relativt liten. Prøvestørrelsen kan imidlertid enkelt økes ved å forlenge eksperimentell varighet av bildeoppkjøp og behandling. Fôring av et begrenset antall partikler krever en lengre eksperimentell tid enn fôring med en vesentlig høyere hastighet; Men det er vel verdt innsatsen på grunn av en relativt enkel partikkelsporing på grunn av den lille konsentrasjonen av partikler i bevegelse og bruken av forskjellige farger, som begge reduserer sannsynligheten for å spore feil. Bruken av naturlig lys i forsøket unngår behovet for belysningsenheter; Imidlertid er en ulempe at god belysning er avhengig av værforholdene. CFDene med partikkelhopplengde og varighet vist iG &quot;&gt; Figur 4 viser de laveste verdiene som de hyppigste. De største målte verdiene for hoplengde og varighet var henholdsvis 600 mm og 7 s. Dette var signifikant større sammenlignet med analoge verdier fra litteraturen 4 , 16 , 30 Siden det måles lengre spor, er risikoen for lang partikkelslag. Fordelen med å bruke to kameraer er tydelig, med tanke på at et enkelt kamera hadde en fokusområde lengde på rundt 850 mm, noe som ikke ville være mye større enn hoplengdsverdiene som skal måles. Måleprotokollen ved hjelp av to kameraer i stedet sørget for en tilfredsstillende separasjon mellom prosessens lengdevekt og de på målefeltet, og reduserer dermed risikoen for å forspenne fenomenologiske resultater på grunn av eksperimentelle begrensninger. Fokusområdet kan også i tillegg bli forlenget av Øker antall kameraer plassert langs flommet. En alternativ prosedyre i forhold til protokollen beskrevet her er å lage overlappede bilder før partikkelidentifikasjon og sporing. Vår protokoll (for å utføre sporing to ganger og å knytte partikkelspor) var foretrukket da bildefusjonsmetoden ville ha doblet størrelsen på datafilene, noe som krever et minneforbruk som ikke var rimelig. Med behandlingsalgoritmene beskrevet her, ble flere partikkelspor som var kortere enn lengden på overlappingsområdet kassert fordi de forhindret en full gjenoppbygging av sedimentsporene. Terskel lengden på 120 mm var imidlertid en størrelsesorden kortere enn sporlengder som kunne oppnås, og tapet av disse dataene var derfor akseptabelt. Videre vil spårforbindelsen sett i de nedre 8 tilfellene i figur 1 ikke muliggjøre en signifikant økning i sporlengden som skal oppnås. På den annen side kan disse situasjonene hjelpeVed gjenvinning av lange spor, slik som situasjonen i figur 5 som kan skyldes sporavbrudd. I et lignende tilfelle kunne et langspor rekonstrueres av iterative sammenføyningsoperasjoner. Det er imidlertid viktig å huske på at sporavbrudd som de i figur 5 er tydelig knyttet til sporingsprosessen i stedet for til sammenkoblingsprosessen. Dette manuskriptet presenterte proof-of-concept-resultater for et enkelt eksperiment for å demonstrere evnen til den vedtatte protokollen. I fremtidige eksperimenter vil protokollen bli anvendt på en rekke forskjellige hydrodynamiske forhold for å oppnå en detaljert analyse av bed-load sediment transport prosessen. <img alt="Figur 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Figur 5: En situasjon av spor som går sammen i forstyrrelser. </Strong&gt; Sammenslåingen av disse sporene i et enkelt spor er ikke mulig med protokollen beskrevet her. Som nevnt i bildeteksten i figur 1 og i protokollens trinn 8.4, er sporene kortere enn lengden på overlappingsområdet utelukket. Dette eliminerer de korte røde og grønne sporene; Derfor kan de resterende lange ikke bli slått sammen fordi de ikke har noe felles poeng. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>

Siden banebrytende arbeider dukket opp for noen tiår siden 1 , 2 , har bruken av bildeanalyse for studier av elvesedimenttransport stadig økt. Denne teknikken viste faktisk sin evne til å gi relativt høyoppløselige og lave kostnader for detaljerte analyser av fysiske fenomen 3 , 4 , 5 . Med tiden har det blitt oppnådd betydelige forbedringer for både maskinvare- og programvareverktøy. Måling av sedimenttransport kan utføres ved hjelp av en Eulerian-tilnærming som retter seg mot måling av sedimentfluss, eller en Lagrangian som mål å måle baner av individuelle korn når de beveger seg. Bildebehandling gir unike muligheter for partikkelsporing i forhold til andre Eulerian-metoder 6 , 7 . Imidlertid desPå grunn av disse potensialene, har anvendelsen av bildeanalyse til bed-load sedimenttransport lider av noen kritiske eksperimentelle begrensninger, når det gjelder romlige / temporale støtteskalaer for måling og størrelse av dataprøver. For eksempel er det vanskelig å oppnå samtidig en passende kombinasjon av et stort romområde, lang varighet av et eksperiment og høy målefrekvens 3 , 4 , 8 uten å gå på kompromiss med kvaliteten og mengden av data. I tillegg kan partikkelsporingen utføres manuelt 2 , 4 , som krever en stor menneskelig innsats, eller automatisk 3 , 8 , med mulighet for å spore feil som er gjort av programvaren som brukes til analysen. Dette papiret presenterer en protokoll for den eksperimentelle undersøkelsen av bed-load sediment trAnswering, hvor lang varighet oppnåddes ved bruk av kameraet, ble det sikret et stort synsfelt ved samtidig bruk av to kameraer på forskjellige steder, og pålitelig automatisk behandling ble muliggjort ved ad hoc eksperimentelle forhold. Den eksperimentelle operasjonen ble utformet og bearbeidingsverktøyene ble valgt ut fra erfaringer oppnådd av forfatterne i flere forskningsverk som omhandler den detaljerte undersøkelsen av sedimenttransport med bildemetoder 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Et sedimenttransportforsøk er beskrevet, som ble utført for å frigjøre partiklerEr over en fast, grov seng. Partikkelfôringen var mye mindre enn transportkapasiteten til strømningen for å opprettholde en lav konsentrasjon av bevegelige korn, og dermed unngås overbelastning av partikler som skal spores. Videre beveget de transporterte partiklene ikke kontinuerlig, men intermitterende bevegelse ble observert. Bruk av en fast seng i stedet for en bevegelig en representerer et tap av likhet med naturlige forhold. Imidlertid ble en fast seng ofte brukt i sedimenttransporteksperimenter 19 , 20 , 21 under antagelse at resultatene er enklere og forklarende enn de fra kompliserte scenarier med en rekke virkemåteprosesser. Bruken av en fast seng forhindrer åpenbart at prosesser for sedimentbegravelse og gjenfødelse blir observert. På den annen side, i nærvær av en svak sengelast, foregår transport av sediment i et overflatisk lag av en løs seng, og i dette tilfelle,Bruk av en fast seng kan være tilstrekkelig. Faktisk presenterte spesifikke sammenligninger mellom egenskapene til partikkelbevegelse i eksperimenter som kjørte med de to tilstandene ingen signifikante forskjeller 3 , 14 . Til slutt ble eksperimentet presentert her utført med en trykkstrøm for å sikre en optimal tilstand for partikkelvisualisering gjennom et gjennomsiktig deksel. Sedimenttransport med trykkstrøm har blitt eksperimentelt studert i forskningspototyping av isdekket elver, som viser at samspillet mellom det nærliggende grenselaget og sedimentet er analogt med det for åpen kanalstrøm 22 , 23 . I de følgende avsnittene er alle metoder skissert og noen representative resultater er gitt.

<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

Bildeanalyse har i økende grad blitt brukt til måling av elvemengder på grunn av sin evne til å gi detaljerte kvantitative avbildninger til en relativt lav pris. Dette manuskriptet beskriver en applikasjon av partikkelsporings-velocimetri (PTV) til et bed-load-eksperiment med lettvekts sediment. Nøkkelegenskapene ved de undersøkte sedimenttransportbetingelsene var tilstedeværelsen av en dekket strøm og en fast grov seng over hvilken partikler ble frigjort i begrenset antall ved luftinntaket. Under de påførte strømningsbetingelser var bevegelsen av de enkelte sengelastpartiklene intermittent med vekslende bevegelses- og stillhetsbetingelser. Strømningsmønsteret ble foreløpig preget av akustiske målinger av vertikale profiler av strømningsvis hastighet. Under prosessvisualisering ble et stort synsfelt oppnådd ved bruk av to handlingskameraer plassert på forskjellige steder langs flommen. Den eksperimentelle protokollen er beskrevet i form av chanNelkalibrering, eksperimentrealisering, bildeforbehandling, automatisk partikkelsporing og etterbehandling av partikkelspordata fra de to kameraene. De presentert proof-of-concept-resultatene inkluderer sannsynlighetsfordelinger av partikkelhopplengden og varigheten. Resultatene av dette arbeidet er sammenlignet med eksisterende litteratur for å demonstrere protokollets gyldighet.

Resultatene som presenteres i denne delen er for et eksperiment hvor flumehellingen ble satt til null (hellingverdier ble beregnet med ± 0,05% nøyaktighet). Det brukte sedimentet ble laget av PBT-partikler som var kvas-sfæriske, med en størrelse d = 3 mm og en tetthet p p = 1.270 kg / m 3 . Forsøket ble kjørt med en strømningshastighet Q = 9,7 x 10-3 m 3 / s, noe som resulterte i en massehastighet U = 0,31 m / s. For hastighetsmålinger med UVP ble en 2 MHz sonde brukt ved 81 ° helling. Hastighetsdata ble anskaffet ved 20 Hz i 250 s. En representativ hastighetsprofil er avbildet i figur 2 . Det ble tatt på kanalaksen og på 4,5 m fra luftinnløpet, hvor strømmen var fullt utviklet. Noen verdier knyttet til ugyldige forhøyningsmålinger ble fjernet. En asymmetriC-profilen skyldes den forskjellige ruheten av plastlokket og sedimentplaten. Plottene viser også delen av profilen som ble benyttet for estimeringen av skjærhastigheten, og oppnådde u s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Partikkel Reynolds-tallet ( Re p = u s × d / v , med v som kinematisk viskositet av vann) var derfor lik 78, hvilket indikerer et overgangssjikt regime. Visualiseringen av sedimenttransport ble utført med to kameraer plassert på 3,5 m og 4,3 m fra luftinntaket. Kameraene drives med en frekvens på 30 fps og med en oppløsning på 1,920 x 1,080 piksler. Faktoren for korreksjon av bildeforvrengning var k = 0,6. Etter fjerning av forvrengning var bildekalibreringen 1 piksel = 0,5 mm. Lengden på overlappingen var fra 760,15 til 880,11 mm (hvor sistnevnte var lengden av fokusområdet av granenSt kamera fra sin oppstrøms kant). Terskelintensiteten for partikkelidentifikasjon ble satt til 80 og den forventede blokkstørrelsen varierte fra 0,5 til 8 mm. Søkevinduet for partikkelsporing var som følger: 1 mm oppstrøms og 7 mm nedstrøms, 4 mm lateralt. Søkevinduet for gjenkobling av avbrutt spor var som følger: 1 mm oppstrøms og 31 mm nedstrøms, 16 mm lateralt langs 4 følgende rammer. Terskelverdien av kvadratroten av den gjennomsnittlige kvadratiske forskjellen mellom x og y verdier mellom to spor som skal knyttes sammen, ble satt til 10 mm. Partikkelsporene målt ved hjelp av en delmengde på 3000 bilder fra hvert kamera (tilsvarende 100 s varighet) er vist i figur 3 . Databasen inneholdt 37 og 34 spor fra henholdsvis oppstrøms og nedstrøms kamera. En overlapping av sporene som er oppnådd av de to kameraene er først foreslått og deretter det resulterende hele settet av tStativer vises. Det er tydelig at overlappingen i den sentrale delen av måleområdet var tilfredsstillende. 12 koblinger ble oppnådd på slutten 59 spor. Det lengste sporet spenner over hele observasjonsvinduet med en total lengde på ca 1,6 m (mer enn 530 partikkelstørrelser, 15,2 strømningsdybder eller 5,3 flammebredder), som er veldig stor i forhold til andre litteraturstudier hvor lignende analyser ble utført 3 , 4 , 5 , 8 . Ved å ta et lagrangisk rammeverk, brukes nøkkelindikatorene for partikkelkinematikk her når det gjelder egenskaper hos partikkelhopp. Under en intermittent bedlasttransport som den som er i dette eksperimentet, er disse humle bevegelsene separert av hvileperioder. For å oppdage humle innenfor et fullt spor for en enkeltpartikkel, er identifikasjon av partikkelbevegelse og stillhetEt nødvendig foreløpig trinn. I dette arbeidet brukte vi et kriterium 30 som vurderer en partikkel i bevegelse på et bestemt tidspunkt dersom x- stillingen sin er større enn alle tidligere og lavere enn alle de følgende. Et totalt antall 98 humle ble oppnådd fra de 59 målte partikkelsporene. Figur 4 viser den oppnådde kumulative frekvensfordeling (CFD) for hoplengden og varigheten. <img alt="Figur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Figur 2: Målt hastighetsprofil. (Topp) Den gjennomsnittlige vertikale profilen for strøm-vis hastighetskomponenten. (Bunn) Estimeringen av skjærhastigheten ved å tilpasse en logaritmisk ligning til profilens nedre del. Legg merke til at en vertikal akse som starter fra toppen av kanalen og orienteres nedover, blir brukt i den første plottet, represe<html> Nting resultatet av måling med UVP. En akse fra kanalbunnen og rettet oppover brukes i stedet i den andre plottet, etter behov for å estimere skjærhastigheten ved likestilling. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a> <img alt="Figur 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Figur 3: Planvisning av målte partikkelspor. (Topp) Sporene fra de to kameraene (oppstrøms kamera i rødt og nedstrøms i svart). (Bunn) Utvalget av sammenføyde spor (skiftende farge for klarhet og noen spor fremhevet av tykkere linjer). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Figur 4: Kumulativ Frekvensfordeling (CFD) med hopplengde (topp) og varighet (bunn). Innenfor hvert spor i figur 3 ble partikkelen merket til hver gang øyeblikkelig å representere dersom partikkelen var i bevegelse eller i ro på det tidspunktet. Partikkelhoppene ble deretter ekstrahert fra sporene som porsjoner mellom partikkelinntak (overgang fra stillhet til bevegelse) og disentrainment (overgang fra bevegelse til stillhet). Prøvene oppnådd for hoplengder og varigheter ble brukt til å opprette fordelingene som er avbildet her. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a> Supplerende kodefiler : join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Vennligst</a>Klikk her for å laste ned denne filen.

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 presenterer en protokoll for ledelse av bedlast-sedimenttransportforsøk hvor de bevegelige partikler spores av bildeanalyse. Forsøksfasiliteten, prosedyrene for løpebesøkelse og databehandling, og til slutt noen proof-of-concept-resultater, presenteres her.

Bildebasert lagrangisk partikkelsporing 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

Optimalisere Røykgass Innstillinger for å fremme Mikroalger Vekst i fotobioreaktorer via datasimulering

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 mikrobiell forurensning i Retail miljø Ved hjelp av fluorescerende pulver - En Retail Delicatessen Miljø 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

Feltforsøk av Pollinering Økologi: tilfelle av<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 lipidekstraksjons- og analysemetode for karakterisering av jordmikrober i eksperimenter 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 sporing protokoll til Screen Deterrent Kjemikalier for honning bier

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 infiltrasjon foran dybde med Time-lapse multi forskyvning samler samlet med Array antenne bakken gjennomtrengende 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 for avbildningsbasert undersøkelser av bunnlevende Macroinvertebrates og deres leveområder eksemplifisert ved Drop kameraet undersøkelsen for den atlantiske havet kamskjell

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

Eksperimentelle studier av forholdet mellom partikkelstørrelse og metan absorpsjon kapasitet 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 av mikrobielle samfunn i jord, Rhizosphere og røtter i staude gresset 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

Kombinere eye-tracking data med en analyse av video innhold fra Free-visning en video av en tur i en 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. ...