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

Detta arbete stöddes av Forskningsstyrelsen genom EU: s sjunde ramprogram, stöd till utbildning och karriärutveckling av forskare (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN), som finansierade ITN-nätverket (Initial Training Network) HYTECH &quot;Hydrodynamisk transport i ekologiskt kritiska heterogena gränssnitt&quot; (nummer 316546). Det stöddes också av Polo Territoriale di Lecco från Politecnico di Milano. Experimenten utfördes under ett besök av SS till Politecnico di Milano som besökande forskare. Författarna tackar Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc.-studenter vid Politecnico di Milano) och Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (medarbetare i Hytta-projektet och doktorand vid Politecnico di Milano) för att stödja Experimentell aktivitet och dataanalysen. Författarna tackar tacksamt Roger Nokes (University of Canterbury, Christchurch, Nya Zeeland) för att ge SMjukvara och konstant rådgivning. Slutligen tackar författarna JoVE-hanteringsredaktören och tre anonyma granskare för deras tankeväckande kommentarer och förslag, tack vare vilket manuskriptet kan förbättras avsevärt.

<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>

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.

Att utforma ett bed-load transportexperiment med partikelvisualisering innefattar flera steg, inklusive valet av experimentella konfigurations- och hårdvaruverktyg, flödesmätning, partikelsåning och visualisering samt bildanalys. Variationer vid varje steg har fördelar och nackdelar. De viktigaste egenskaperna hos protokollet som presenteras i detta manuskript är: (i) användning av ett trycksatt flöde och en fast grov säng, (ii) sådd av ett lågt antal bäddbelastade partiklar som har en kontrasterande färg i den fasta bäddfärgen, Använder naturligt ljus och, (iv) använder flera kameror för att erhålla oberoende spåruppsättningar som ska förenas med varandra. Experimentell metod och databehandling möjliggör spårning av bäddbelastade partiklar för den slutliga mätningen. Det täckta flödet garanterar en optimal syn på de rörliga partiklarna. Den fasta sängen förhindrar dock observation av vissa processer ( t.ex. de som är kopplade till vertica<html> L förskjutningar av sedimentpartiklar i det aktiva belastningsskiktet) och begränsar således tillämpligheten av tekniken till svaga bäddbelastningar. Storleken på de dataprover som erhölls med användning av endast 100 s av film var relativt liten. Samplingsstorleken kan emellertid lätt ökas genom att förlänga experimentell varaktighet för bildförvärv och bearbetning. Matning av ett begränsat antal partiklar kräver en längre experimentell tid än utfodring med en väsentligt högre hastighet; Men det är väl värt ansträngningen på grund av en relativt enkel partikelspårning på grund av den lilla koncentrationen av partiklar i rörelse och användningen av olika färger, vilka båda minskar sannolikheten att spåra misstag. Användningen av naturligt ljus i experimentet undviker behovet av belysningsanordningar; En nackdel är dock att bra belysning beror på väderförhållandena. CFDs med partikelhopplängd och längd avbildad iG &quot;&gt; Figur 4 visar de lägsta värdena som de vanligaste. De största uppmätta värdena för hoplängd och varaktighet var omkring 600 mm respektive 7 s. Detta var signifikant större jämfört med motsvarande värden från litteraturen 4 , 16 , 30 Eftersom mätning av längre spår löper risken för långa partikelhoppar. Fördelen med att använda två kameror är tydlig med tanke på att en enda kamera hade en fokusområde längd på ca 850 mm, vilket inte skulle vara mycket större än hoplängdsvärdena som skall mätas. Mätprotokollet med användning av två kameror i stället säkerställde en tillfredsställande separation mellan processens längdskala och mätfältets storlek, vilket reducerar risken för att förspänna de fenomenologiska resultaten på grund av experimentella begränsningar. Dessutom kan fokusområdet förlängas ytterligare av Ökar antalet kameror placerade längs flamma. Ett alternativt förfarande jämfört med protokollet som beskrivs här är att skapa överlappade bilder före partikelidentifiering och spårning. Vårt protokoll (att utföra spårningen två gånger och länka partikelspår) var att föredra, eftersom bildsammansättningsmetoden skulle ha fördubblat storleken på datafilerna, vilket kräver en minnesförbrukning som inte var överkomlig. Med de behandlingsalgoritmer som beskrivs här kassades flera partikelspår som var kortare än längden på överlappningsområdet, eftersom de förhindrade en fullständig rekonstruktion av sedimentspåren. Tröskelängden på 120 mm var emellertid en storleksordning kortare än de spårlängder som kunde erhållas och förlusten av dessa data var därför acceptabel. Vidare skulle spårförbandet som ses i de nedre 8 fallen i Figur 1 inte möjliggöra en signifikant ökning av spårlängden som skall erhållas. Å andra sidan kan dessa situationer hjälpaVid hämtning av långa spår, såsom situationen i Figur 5, som kan bero på spåravbrott. I ett liknande fall kan en lång spår rekonstrueras genom iterativ samverkan. Det är dock viktigt att komma ihåg att spårningsavbrott som de i Figur 5 är tydligt relaterade till spårningsprocessen snarare än till anslutningsprocessen. Detta manuskript presenterade proof-of-concept-resultat för ett enda experiment för att visa förmågan hos det antagna protokollet. I framtida experiment kommer protokollet att tillämpas på en rad olika hydrodynamiska förhållanden för att uppnå en detaljerad analys av sädbelastningssedimenttransportprocessen. <img alt="Figur 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Figur 5: En situation av spår som går samman i närvaro av avbrott. </Strong&gt; Sammanfogningen av dessa spår i ett enda spår är inte möjligt med det protokoll som beskrivs här. Som nämnts i bildtexten i figur 1 och i steg 8.4 i protokollet är spåren kortare än längden på överlappningsområdet uteslutna. Detta eliminerar korta röda och gröna spåren; Därför kan de återstående långa inte förenas eftersom de inte har någon gemensam punkt. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.</a>

Sedan banbrytande arbeten uppstod för några årtionden sedan 1 , 2 , har användningen av bildanalys för studier av flodsedimenttransporter ständigt ökat. Denna teknik visade sig faktiskt sin förmåga att tillhandahålla relativt högupplösande och lågkostnadsdata för detaljerade analyser av fysiska fenomen 3 , 4 , 5 . Med tiden har betydande förbättringar uppnåtts för både hårdvaru- och mjukvaruverktyg. Mätningen av sedimenttransport kan utföras med hjälp av ett Eulerian-tillvägagångssätt som riktar sig till mätning av sedimentflöden eller en Lagrangian som syftar till att mäta banor av enskilda korn när de rör sig. Bildbehandling ger unika möjligheter till partikelspårning i jämförelse med andra euleriska metoder 6 , 7 . Men desPå grund av dessa möjligheter lider tillämpningen av bildanalys på sedimenterad sedimenttransport på grund av några kritiska experimentella begränsningar, när det gäller rumsliga / temporära stödvågar för mätning och storlek av dataprover. Exempelvis är det svårt att samtidigt uppnå en lämplig kombination av ett stort rumsligt område, ett långt försök och en hög mätfrekvens 3 , 4 , 8 utan att kompromissa med kvaliteten och kvantiteten av data. Dessutom kan partikelspårningen utföras manuellt 2 , 4 , vilket kräver en stor mänsklig ansträngning, eller automatiskt 3 , 8 , med möjlighet att spåra fel som gjorts av den programvara som används för analysen. I detta papper presenteras ett protokoll för den experimentella undersökningen av sädbelastningssedimentet trAnsport, där lång varaktighet uppnåddes av den använda kameran, var ett stort synvinkel säkerställt genom simultan användning av två kameror på olika platser och pålitlig automatisk behandling möjliggjordes genom ad hoc- experimentella förhållanden. Den experimentella operationen utformades och bearbetningsverktygen valdes utifrån erfarenheter som upphovsmännen förvärvade i flera forskningsarbeten som behandlade den detaljerade undersökningen av sedimenttransport med bildmetoder 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Ett sedimenttransportexperiment beskrivs, vilket utfördes att frigöra partikelÄr över en fast, grov säng. Partikelmatningen var mycket mindre än transportkapaciteten hos flödet för att upprätthålla en låg koncentration av rörliga korn, varigenom överbelastningen av partiklar som spåras skulle undvikas. Vidare rör de transporterade partiklarna inte kontinuerligt, men intermittent rörelse observerades. Användningen av en fast säng snarare än en rörlig en representerar en förlust av likhet med naturliga förhållanden. En fast säng användes emellertid ofta i sedimenttransportförsök 19 , 20 , 21 under antagandet att resultaten är enklare och förklarande än de från komplicerade scenarier med en mängd olika processer. Användningen av en fast säng förhindrar självfallet att processer för sedimentbegravning och återkomst uppfattas. Å andra sidan, i närvaro av en svag bäddbelastning, sker transporten av sediment i ett ytskikt av en lös bädd, och i detta fall,Användning av en fast säng kan vara tillräcklig. I själva verket presenterade specifika jämförelser mellan egenskaperna hos partikelrörelse i experiment som kördes med de två tillstånden inga signifikanta skillnader 3 , 14 . Slutligen utfördes experimentet som presenterades här med ett trycksatt flöde för att säkerställa ett optimalt tillstånd för partikelvisualisering genom ett transparent täcke. Sedimenttransport med tryckflöde har studerats experimentellt i forskningsprototypning av istäckta floder, vilket visar att samspelet mellan det nära bäddsgränsskiktet och sedimentet är analogt med det för öppet kanalflöde 22 , 23 . I följande avsnitt beskrivs alla metoder och några representativa resultat tillhandahålls.

<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

Bildanalys har i allt högre grad använts för mätning av flodflöden på grund av dess förmåga att tillhandahålla detaljerade kvantitativa skildringar till en relativt låg kostnad. Detta manuskript beskriver en applikation av partikelspårnings-velocimetri (PTV) till ett sängbelastningsexperiment med lätt sediment. De viktigaste egenskaperna hos de undersökta sedimenttransportbetingelserna var närvaron av ett täckt flöde och en fast grovbädd ovanför vilken partiklar frigjordes i begränsat antal vid flumeinloppet. Under de applicerade flödesförhållandena var rörelsen hos de enskilda bäddbelastningspartiklarna intermittenta med växlande rörelse- och stillhetsbetingelser. Flödesmönstret kännetecknades preliminärt av akustiska mätningar av vertikala profiler av strömningshastigheten. Under processvisualisering erhölls ett stort synfält med användning av två actionkameror placerade på olika platser längs flamma. Det experimentella protokollet beskrivs med avseende på chanNelkalibrering, experimentrealisering, bildförbehandling, automatisk partikelspårning och efterbehandling av partikelspårdata från de två kamerorna. De presenterade proof-of-concept-resultaten inkluderar sannolikhetsfördelningar av partikelhopplängden och varaktigheten. Resultatet av detta arbete jämförs med de befintliga litteraturen för att visa protokollets giltighet.

Resultaten som presenteras i det här avsnittet är för ett experiment där flumhöjden sattes till noll (lutningsvärdena beräknades med ± 0,05% noggrannhet). Det sediment som användes gjordes av PBT-partiklar som var kvas-sfäriska, med en storlek d = 3 mm och en densitet ρ p = 1 225 kg / m 3 . Experimentet kördes med en flödeshastighet Q = 9,7 x 10 -3 m 3 / s resulterar i en bulkhastigheten U = 0,31 m / s. För hastighetsmätningarna med UVP användes en 2 MHz sond vid 81 ° lutning. Hastighetsdata förvärvades vid 20 Hz i 250 s. En representativ hastighetsprofil är avbildad i figur 2 . Det togs vid kanalaxeln och vid 4,5 m från flumeinloppet, där flödet var fullt utvecklat. Vissa värden relaterade till ogiltiga elevationsmätningar avlägsnades. En asymmetriC-profilen berodde på den olika grovheten hos plastlocket och sedimentbädden. Plottorna visar också den del av profilen som används för uppskattning av skjuvhastigheten, vilket ger dig s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Partikel Reynolds-talet ( Re p = u s × d / v , med v som den kinematiska viskositeten hos vatten) var därför lika med 78, vilket indikerar en övergångs grov regim. Visualiseringen av sedimenttransport utfördes med två kameror placerade vid 3,5 m och 4,3 m från flumeinloppet. Kamerorna drivs med en frekvens av 30 fps och med en upplösning på 1 920 x 1 080 pixlar. Faktorn för korrigering av bildförvrängning var k = 0,6. Efter avlägsnande av förvrängning var bildkalibreringen 1 pixel = 0,5 mm. Längden på överlappning var från 760,15 till 880,11 mm (där den senare var längden på fokusområdet av granenSt kamera från dess uppströms kant). Tröskelintensiteten för partikelidentifiering sattes till 80 och den förväntade blobstorleken varierade från 0,5 till 8 mm. Sökfönstret för partikelspårning var följande: 1 mm uppströms och 7 mm nedströms, 4 mm i sidled. Sökfönstret för återkoppling av avbrutna spår var följande: 1 mm uppströms och 31 mm nedströms, 16 mm sidledes längs 4 efterföljande ramar. Gränsvärdet för kvadratroten av den genomsnittliga kvadrerade skillnaden mellan x och y- värden mellan två spår som ska förenas sattes till 10 mm. Partikelspåren som mäts med en delmängd av 3 000 bilder från varje kamera (motsvarande 100 s varaktighet) är avbildade i figur 3 . Databasen omfattade 37 respektive 34 spår från respektive uppströms och nedströms kamera. En överlappning av spåren som erhållits av de två kamerorna föreslags först och sedan den resulterande fulla uppsättningen av tRack visas. Det är uppenbart att överlappningen i den centrala delen av mätområdet var tillfredsställande. 12 länkar erhölls vid slutet 59 spår. Det längsta spåret sträckte sig över hela observationsfönstret med en total längd på ca 1,6 m (mer än 530 partikelstorlekar, 15,2 flödesdjup eller 5,3 flödesbredder), vilket är mycket stort i jämförelse med andra litteraturstudier där liknande analyser utfördes 3 , 4 , 5, 8. Genom att ta ett lagrangiskt ramverk tillämpas nyckelindikatorerna för partikelkinematik här när det gäller egenskaper hos partikelhops. Under en intermittent sänglasttransport som den som är i det här experimentet är dessa humle separerade rörelser av viloperioder. För att upptäcka humle inom ett helt spår för en enda partikel är identifieringen av partikelrörelse och stillhetEtt nödvändigt preliminärt steg. I detta arbete tillämpade vi ett kriterium 30 som betraktar en partikel i rörelse vid ett visst ögonblick om dess x- position vid det ögonblicket är större än alla tidigare och lägre än alla följande. Ett totalt antal 98 humle erhölls från de 59 uppmätta partikelspåren. Figur 4 visar den erhållna kumulativa frekvensfördelningen (CFD) för hoplängden och varaktigheten. <img alt="Figur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Figur 2: Mäthastighetsprofil. (Top) Den genomsnittliga vertikala profilen för den strömvisa hastighetskomponenten. (Bottom) Uppskattningen av skjuvhastigheten genom att passa en logaritmisk ekvation till profilens nedre del. Observera att en vertikal axel från början av kanalen och orienterad nedåt används i den första ploten, represe<html> Nting resultatet från mätningen med UVP. En axel från kanalens botten och riktad uppåt användes istället i det andra diagrammet, vid behov för att uppskatta skjuvhastigheten genom ekvationskonfiguration. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.</a> <img alt="Figur 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Figur 3: Planvy av mätpartiklar. (Överst) Spåren från de två kamerorna (uppströms kamera i rött och nedströms i svart). (Bottom) Provet av sammanfogade spår (ändra färg för tydlighet och vissa spår markerade med en tjockare linje). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Figur 4: Kumulativ frekvensfördelning (CFD) med hopplängd (topp) och längd (längd). Inom varje spår i figur 3 märktes partikeln vid varje ögonblick omedelbart för att representera om partikeln var i rörelse eller i vila vid det ögonblicket. Partikelhoppar extraherades sedan från spåren som portioner mellan partikelintagning (övergång från stillhet till rörelse) och disentrainment (övergång från rörelse till stillhet). Proverna som erhölls för hopplängder och varaktigheter användes för att skapa de fördelningar som visas här. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.</a> Kompletterande kodfiler : join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Please</a>Klicka här för att ladda ner den här 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 presenterar ett protokoll för ledning av sedimenttransportförsök med sänglast, där de rörliga partiklarna spåras genom bildanalys. Den experimentella anläggningen, förfarandena för körförverkligande och databehandling, och slutligen presenteras några proof-of-concept-resultat här.

Bildbaserad Lagrangian Particle Tracking i Bed-load Experiments

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

Optimera Rökgas inställningar för att främja Mikroalger Tillväxten i Photobioreactors via datorsimuleringar

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

Spårning mikrobiell förorening i butiksmiljöer med fluorescerande pulver - En Retail Delicatessen Miljö Exempel

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

Fältförsök pollinering Ecology: fallet<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 lipid extraktions- och analysmetod för karakterisering av markmikrober i experiment med många prov

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

Video Tracking Protocol to Screen Deterrent Chemistries for Honey Bees

Video Tracking Protocol till Screen Deterrent Chemistries för honungsbinnar

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

Spårning Infiltration främre djup med Time-lapse multi offset samlar samlas in med Array antenn marken penetrerande 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 för Image-baserad undersökningar av bentiska Macroinvertebrates och deras livsmiljö som exemplifieras av undersökningen släpp kameran för den atlantiska havet pilgrimsmussla

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

Experimentell studie av förhållandet mellan partikelstorlek och metan Sorption kapacitet i skiffer

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 och analys av mikrobiella samhällen i jord, odlingsbädden och rötter i perenna gräs experiment

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

Kombinera Eye-tracking data med en analys av video innehåll från Free-Visa en video av en promenad i en urban Park miljö

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