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

Эта работа была поддержана Исполнительным агентством исследований в рамках 7-й рамочной программы Европейского союза, поддержки обучения и развития карьеры исследователей (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN), которая финансировала Первоначальную учебную сеть (ITN) HYTECH «Гидродинамический транспорт в экологически критических гетерогенных интерфейсах» (номер 316546). Он также был поддержан Полиским территориальным бюро Лекко Политехнического университета Милана. Эксперименты проводились во время визита С.С. в Политехникум Милано в качестве приглашенного ученого. Авторы благодарят Тарчизио Фаццини, Стефанию Херби, Франческо Моттини (студентов из Университета Миланского политехнического университета) и Сейеда Аббаса Хоссейни-Садабади (сотрудник проекта HYTECH и студент Ph.D. в Политехническом университете Милана) за поддержку Экспериментальной деятельности и анализа данных. Авторы с благодарностью выражают благодарность профессору Роджеру Ноксу (Университет Кентербери, Крайстчерч, Новая Зеландия) за предоставление SПрограммное обеспечение и постоянный совет. Наконец, авторы благодарят редактора JoVE и трех анонимных рецензентов за их задумчивые комментарии и предложения, благодаря которым рукопись может быть значительно улучшена.

<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>

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Проектирование эксперимента с переносом нагрузок с визуализацией частиц включает в себя несколько этапов, включая выбор экспериментальной конфигурации и аппаратных средств, измерение расхода, сеяние частиц и визуализацию, а также анализ изображений. Вариации на каждом этапе имеют преимущества и недостатки. Ключевыми характеристиками протокола, представленными в этой рукописи, являются: (i) использование потока под давлением и неподвижного грубого слоя; (ii) посев небольшого количества частиц с загружаемым слоем, имеющим контрастный цвет, к цвету неподвижного слоя; (iii) Используя естественный свет и (iv) использование нескольких камер для получения независимых наборов дорожек, которые должны быть соединены друг с другом. Экспериментальный метод и обработка данных позволяют надежно отслеживать частицы грунта для окончательного измерения. Покрытый поток гарантирует оптимальное видение движущихся частиц. Однако неподвижный слой препятствует наблюдению за некоторыми процессами ( например , связанными с Vertica<html> L перемещений частиц осадка в активном слое нагрузки) и, таким образом, ограничивает применимость метода к слабым нагрузкам на кровать. Размер выборок данных, полученных с использованием только 100 с фильма, был относительно небольшим. Однако размер выборки может быть легко увеличен за счет удлинения экспериментальной продолжительности получения и обработки изображений. Подача ограниченного количества частиц требует более длительного экспериментального времени, чем кормление с существенно более высокой скоростью; Но это стоит усилий из-за относительно простого отслеживания частиц из-за небольшой концентрации движущихся частиц и использования разных цветов, которые уменьшают вероятность отслеживания ошибок. Использование естественного света в эксперименте позволяет избежать необходимости использования осветительных приборов; Однако недостатком является то, что хорошее освещение зависит от погодных условий. CFD длины и продолжительности прыжка частиц, изображенные вG &quot;&gt; Рисунок 4 показывает наименьшие значения как наиболее частые. Наибольшие измеренные значения длины и продолжительности скачка составляли около 600 мм и 7 с соответственно. Это было значительно больше по сравнению с аналогичными значениями из литературы 4 , 16 , 30 , Поскольку измерение длинных дорожек сопряжено с риском прыжков с длинными частицами. Преимущество использования двух камер очевидно, учитывая, что одна камера имела длину зоны фокусировки около 850 мм, что не было бы намного больше, чем измерялось значение длины прыжка. Вместо этого измерительный протокол, использующий две камеры, обеспечил удовлетворительное разделение между шкалами длины процесса и величинами измерительного поля, что уменьшало риск смещения феноменологических результатов из-за экспериментальных ограничений. Кроме того, область фокусировки может быть дополнительно удлинена Увеличивая количество камер, расположенных вдоль лотка. Альтернативная процедура по сравнению с описанным здесь протоколом заключается в создании перекрытых изображений перед идентификацией и отслеживанием частиц. Наш протокол (для выполнения отслеживания дважды и связывания дорожек частиц) был предпочтительным, поскольку метод слияния изображений удвоил бы размер файлов данных, требуя, чтобы потребление памяти было недоступным. С описанными здесь алгоритмами обработки несколько следов частиц, которые были короче длины перекрывающейся области, были отброшены, поскольку они предотвратили полную реконструкцию следов осадка. Однако пороговая длина 120 мм была на порядок меньше, чем длина дорожек, которые могли быть получены, и поэтому потеря этих данных была приемлемой. Более того, соединение треков, показанное в нижних 8 случаях на рисунке 1 , не позволило бы значительно увеличить длину дорожки. С другой стороны, эти ситуации могут помочьВ поиске длинных дорожек, таких как ситуация на рисунке 5, которая может быть вызвана перерывами в треке. В аналогичном случае длинная дорожка может быть восстановлена ​​итерационными операциями присоединения. Однако важно иметь в виду, что прерывания трека, как на рис. 5 , явно связаны с процессом отслеживания, а не с процессом соединения. В этой рукописи представлены результаты доказательной концепции для одного эксперимента, чтобы продемонстрировать возможности принятого протокола. В будущих экспериментах протокол будет применен к ряду различных гидродинамических условий для обеспечения детального анализа процесса переноса осадка на слое. <img alt="Рисунок 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Рисунок 5: Ситуация присоединения трека в присутствии прерываний. </Strong&gt; Объединение этих дорожек в одну дорожку невозможно с описанным здесь протоколом. Как упоминалось в заголовке на фиг. 1 и на шаге 8.4 Протокола, дорожки, длина которых меньше длины перекрывающейся области, исключаются. Это устраняет короткие красные и зеленые дорожки; Поэтому оставшиеся длинные нельзя присоединить, потому что у них нет общей точки. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>

Поскольку первые разработки появились несколько десятилетий назад 1 , 2 , использование анализа изображений для изучения переноса речных осадков постоянно возрастало. Этот метод действительно доказал свою способность предоставлять сравнительно высокие разрешения и недорогие данные для детального анализа физических явлений 3 , 4 , 5 . Со временем значительно улучшились как аппаратные, так и программные средства. Измерение переноса осадка может быть выполнено с использованием эйлерова подхода, который предназначен для измерения потоков осадка или лагранжева, который направлен на измерение траекторий отдельных зерен при их движении. Обработка изображений предлагает уникальные возможности для отслеживания частиц по сравнению с другими эйлеровыми методами 6 , 7 . Однако, desЭти возможности потенциально связаны с применением анализа изображений для переноса осадка на носителе с некоторыми критическими экспериментальными ограничениями с точки зрения пространственных / временных шкал поддержки для измерения и размера выборок данных. Например, трудно достичь одновременно соответствующей комбинации большой пространственной области, большой продолжительности эксперимента и высокой измерительной частоты 3 , 4 , 8 без ущерба для качества и количества данных. Кроме того, отслеживание частиц может выполняться вручную 2 , 4 , что требует большого человеческого усилия или автоматически 3 , 8 с возможностью отслеживания ошибок, создаваемых программным обеспечением, используемым для анализа. В настоящей работе представлен протокол для экспериментального исследования осадка слоя грунта trАнспорт, где долгий срок был достигнут по типу используемой камеры, большое поле зрения обеспечивалось одновременным использованием двух камер в разных местах, и надежная автоматическая обработка стала возможной благодаря специальным экспериментальным условиям. Экспериментальная операция была разработана, и инструменты обработки были отобраны на основе опыта, накопленного авторами в нескольких исследовательских работах, посвященных подробному исследованию переноса осадков методами изображения 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Описан эксперимент по переносу осадков, который был выполнен с выпуском частицНа неподвижной, грубой кровати. Подача частиц была намного меньше, чем пропускная способность потока, чтобы поддерживать низкую концентрацию движущихся зерен, что позволяет избежать скопления частиц, подлежащих отслеживанию. Кроме того, транспортируемые частицы не двигались непрерывно, но наблюдалось прерывистое движение. Использование неподвижного слоя, а не подвижного, представляет собой потерю сходства с природными условиями. Однако неподвижный слой часто использовался в экспериментах по переносу осадков 19 , 20 , 21 в предположении, что результаты являются более простыми и объяснительными, чем результаты сложных сценариев с различными действующими процессами. Использование неподвижного слоя, очевидно, предотвращает наблюдение за процессами захоронения осадков и их повторного появления. С другой стороны, при наличии слабого слоя нагрузки перенос осадка происходит в поверхностном слое рыхлого слоя, и в этом случае,Использование неподвижного слоя может быть адекватным. Фактически, конкретные сравнения свойств движения частиц в экспериментах, проведенных с двумя условиями, не выявили существенных различий 3 , 14 . Наконец, эксперимент, представленный здесь, выполнялся с помощью сжатого потока, чтобы обеспечить оптимальное условие визуализации частиц через прозрачную крышку. Экспериментально исследован перенос осадочных отложений с потоком под давлением в исследовательских прототипирующих ледяных реках, показывающих, что взаимодействие между приповерхностным пограничным слоем и осадком аналогично взаимодействию потока с открытым каналом 22 , 23 . В следующих разделах описаны все методы и представлены некоторые репрезентативные результаты.

<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

Анализ изображений все чаще используется для измерения речных потоков из-за его возможностей по предоставлению подробных количественных изображений при относительно низкой стоимости. В этой рукописи описывается применение велоциметрии частиц (PTV) к эксперименту с нагрузкой с легким осаждением. Ключевыми характеристиками исследованных условий переноса осадков были наличие закрытого течения и неподвижного грубого слоя, над которым частицы были выпущены ограниченным числом на входе в лоток. В условиях приложенного потока движение отдельных частиц загрузочной жидкости было прерывистым, с чередованием условий движения и неподвижности. Структура потока была предварительно охарактеризована акустическими измерениями вертикальных профилей скорости потока. Во время визуализации процесса было получено большое поле обзора с использованием двух камер-исполнителей, расположенных в разных местах вдоль лотка. Экспериментальный протокол описывается в терминах chanКалибровка nel, реализация эксперимента, предварительная обработка изображения, автоматическое отслеживание частиц и последующая обработка данных треков частиц с двух камер. Представленные результаты доказательной концепции включают в себя распределение вероятностей длины и продолжительности прыжка частиц. Достижения этой работы сравниваются с достижениями существующей литературы, чтобы продемонстрировать обоснованность протокола.

Результаты, представленные в этом разделе, представляют собой эксперимент, в котором наклон лотка был установлен на ноль (значения наклона вычислялись с точностью ± 0,05%). Использованный осадок состоял из частиц PBT, которые были квазисферическими, с размером d = 3 мм и плотностью ρ p = 1270 кг / м 3 . Эксперимент проводился с расходом Q = 9,7 × 10 -3 м 3 / с, в результате чего объемная скорость U = 0,31 м / с. Для измерений скорости с UVP использовался зонд с частотой 2 МГц при наклоне 81 °. Данные скорости были получены при 20 Гц в течение 250 с. Репрезентативный профиль скорости показан на рисунке 2 . Он был взят на оси канала и на расстоянии 4,5 м от входа в лоток, где поток был полностью разработан. Некоторые значения, связанные с недопустимыми измерениями высоты, были удалены. АсимметричныйC в результате разной шероховатости пластиковой крышки и слоя осадка. На графиках также показана часть профиля, используемая для оценки скорости сдвига, получая u s = 25,9 ± 1,3 мм / с. Таким образом, число частиц Рейнольдса ( Re p = u s × d / ν , с ν как кинематическая вязкость воды) было равно 78, что указывает на переходный режим. Визуализацию переноса осадка проводили с двумя камерами, расположенными на расстоянии 3,5 м и 4,3 м от входа в лоток. Камеры работали на частоте 30 кадров в секунду и с разрешением 1920 х 1080 пикселей. Коэффициент коррекции искажения изображения был k = 0,6. После устранения искажения калибровка изображения составляла 1 пиксель = 0,5 мм. Длина перекрытия составляла от 760,15 до 880,11 мм (где последняя была длиной фокусной области пихтыЙ камерой с ее верхней стороны). Пороговая интенсивность идентификации частиц была установлена ​​равной 80, а ожидаемый размер блоба колебался от 0,5 до 8 мм. Окно поиска для отслеживания частиц было следующим: 1 мм вверх по течению и 7 мм ниже по потоку, 4 мм в поперечном направлении. Окно поиска для повторного соединения прерываемых дорожек было следующим: 1 мм вверх по течению и 31 мм вниз по течению, 16 мм в поперечном направлении вдоль 4 следующих кадров. Пороговое значение квадратного корня из среднеквадратичной разности значений x и y между двумя соединяемыми дорожками было установлено равным 10 мм. Трассы частиц, измеренные с использованием подмножества 3000 изображений с каждой камеры (соответствующие длительности 100 с), показаны на рисунке 3 . База данных постигла 37 и 34 дорожки от камеры вверх и вниз по потоку соответственно. Сначала предлагается перекрытие треков, полученных двумя камерами, а затем полученный полный набор tОтображаются стойки. Очевидно, что перекрытие в центральной части измерительной области было удовлетворительным. 12 ссылок были получены в конце 59 треков. Самый длинный след охватывал все окно наблюдения общей длиной около 1,6 м (более 530 размеров частиц, 15,2 глубины потока или 5,3 ширины ствола), что очень велико по сравнению с другими литературными исследованиями, где были проведены аналогичные анализы 3 , 4 , 5 , 8 . Принимая лагранжеву структуру, ключевые показатели кинематики частиц здесь применяются в терминах свойств хмеля частиц. Под перемежающимся транспортным средством с загружаемым слоем, как и в этом эксперименте, эти прыжки являются движениями, разделенными периодами отдыха. Чтобы обнаружить прыжки в полной траектории для одной частицы, идентификация движения частиц и неподвижностиНеобходимый предварительный шаг. В этой работе мы применили критерий 30, который рассматривает движущуюся частицу в определенный момент, если ее положение x в этот момент больше всех предыдущих и ниже всех следующих. Общее количество 98 прыжков было получено из 59 измеренных треков частиц. На рисунке 4 изображено полученное распределение накопленной частоты (CFD) для длины и продолжительности скачка. <img alt="фигура 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Рисунок 2: Измеренный профиль скорости. (Верхний) Усредненный по времени вертикальный профиль потоковой составляющей скорости. (Снизу) Оценка скорости сдвига путем подгонки логарифмического уравнения к нижней части профиля. Обратите внимание, что вертикальная ось, начинающаяся с верхней части канала и ориентированная вниз, используется на первом участке,<html> Nt результат измерения с помощью UVP. Ось от дна канала и направленная вверх вместо этого используется во втором графике, если это необходимо для оценки скорости сдвига путем подгонки уравнения. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> <img alt="Рисунок 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Рисунок 3: Вид плана измеряемых треков частиц. (Вверх) Треки с двух камер (верхняя камера в красном и нижнем по потоку в черном). (Снизу) Образец соединенных дорожек (изменение цвета для четкости и некоторых дорожек, выделенных более толстой линией). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Рисунок 4: Кумулятивное распределение частот (CFD) длины хопа (сверху) и продолжительности (снизу). Внутри каждой дорожки, показанной на фиг. 3 , частица была помечена в каждый момент времени для представления, если частица находилась в движении или находилась в состоянии покоя в этот момент. Затем хребты частиц извлекались из треков в виде порций между увлечением частиц (переход от неподвижности к движению) и дисцентрацией (переход от движения к неподвижности). Образцы, полученные для длин и продолжительности скачка, были использованы для создания распределений, изображенных здесь. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> Файлы дополнительного кода: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Пожалуйста</a>Нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

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

В рукописи представлен протокол для проведения экспериментов по переносу осадка на грунт, где движущиеся частицы отслеживаются анализом изображения. Здесь представлены экспериментальные установки, процедуры реализации и обработки данных и, наконец, некоторые результаты доказательной концепции.

Лагранжианское отслеживание частиц на основе изображений в экспериментах с нагрузочной нагрузкой

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

Оптимизация дымовых Настройки Газовые поощрять микроводорослей рост в фотобиореакторы через компьютерных вычислений

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

Отслеживание микробного загрязнения в предприятиях розничной торговли использованием флуоресцентных Powder - Розничная Деликатесы Окружающая среда Пример

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

Полевые эксперименты опыления экологии: Дело<em&gt; Lycoris SANGUINEA</em&gt; Вар.<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

Метод липидной экстракции и анализа для характеристики микробов почвы в экспериментах со многими образцами

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

Протокол отслеживания видеосигнала для фильтров сдерживающих устройств для медоносных пчел

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

Отслеживание инфильтрат, который собирает Передние глубины с помощью покадровой мульти смещение собраны с помощью массива антенна георадара

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

Методы для проведения обследований на основе образа бентических макробеспозвоночных и среды их обитания, подтверждается падение камеры обследования для Атлантический морской гребешок

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

Экспериментальное исследование взаимосвязи между размера частиц и сорбционная емкость метана в сланца

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

Изоляция и анализ микробных сообществ в почве, ризосфере и корни в экспериментах многолетние травы

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

Объединение глаз отслеживания данных с анализом видео-контент от свободного просмотра видео прогулка в городском парке окружающей среды

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