[发明专利]一种河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法

说明书

本发明公开了一种河道泡漩结构识别方法，包括以下步骤：1)通过相机采集获取河道水面的图像数据，进行预处理并计算水面的单帧脉动速度场；2)通过单帧脉动速度场的散度特征确定当前泡漩中心位置；3)采用标准化泡漩速度场模板对泡漩区域散度场进行滤波，并选取合适阈值提取泡漩区域，得到当前泡漩边缘范围。本发明还公开了一种基于上述识别方法的河道泡漩结构识别跟踪方法，以及一种河道通航预警方法。本发明能够很好的应用于大尺度的天然河流泡漩结构识别与跟踪计算，提高了泡漩结构测量分析的过程便捷性和高效性，有助于快速获取河道内的碍航泡漩流态的运动及分布，为船舶航线规划和安全通航提供有力支撑。

技术领域

本发明涉及航运交通技术领域，具体涉及一种河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法。

背景技术

河道泡漩指在河道中，特殊条件下形成的强烈的圆柱状上涌水流和漏斗状竖轴环流。在天然河流的河谷地带和急滩下深槽部位往往因河床地形剧烈变化或纵向比降过大而产生泡漩结构，且在汛期陡涨水期间更甚。这种因水流紊动引起的复杂流态结构具有时间尺度上的瞬时性和空间尺度上的不确定性等特点，难以对其进行监测，且会对船舶航行带来安全隐患，严重时易导致船舶的倾轧撞击及沉没。船舶航行中遇此流态极难操作，驾驶员需要特别注意安全。

目前关于泡漩结构的研究成果主要集中在室内物理模型以及数学模型试验，对野外原型测量与研究还缺乏深入认识，离真正实现天然河流的实时观测仍有一定差距。例如CN201210192207.4曾公开的一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法，该发明将电子测量技术与摄影技术以及计算机技术有机结合，提供了一种水力学物理模型试验研究测量水流泡漩与漩涡流的方式。但实际测量时，需要依靠泡漩水传感器，以及撒落示踪粒子或碎纸片进入流体拍摄跟踪。故只能适用于实验室研究应用。

目前，常用于天然河道原型观测的声学多普勒流速仪、光学雷达等设备因其采用逐点或逐线扫描的方式对目标区域进行测量，难以直接测量大尺度河流中泡漩结构的瞬态运动，无法为碍航流态预警提供数据支撑。

因此，如何更好地实现对航道内碍航的泡漩流态监测识别及运动追踪，快速获取河道内的碍航泡漩流态的运动及分布，并更好地实现对过往船舶的预警，报账通航安全。这项工作对于船舶航线规划和行驶安全具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够实现对河道泡漩的结构识别与运动追踪，使其能够为河流水情预测及预警提供数据支撑，并能够对过往船舶进行通航预警的河道泡漩结构识别跟踪方法及通航预警方法，使其有利于船舶航线规划和安全通航。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种河道泡漩结构识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过相机采集获取河道水面的图像数据，对获取的河流表面流态图像进行预处理，并计算水面的单帧脉动速度场；

2)通过单帧脉动速度场的散度特征确定当前泡漩中心位置；

3)以步骤1)步骤2)为前提条件，完成当前泡漩中心位置定位之后，采用标准化泡漩速度场模板对泡漩区域散度场进行滤波，并选取合适阈值提取泡漩区域，得到当前泡漩边缘范围。

这样，采用本方法能够快速高效地完成对河道泡漩结构的识别，确认其中心位置和边缘范围。能够对天然河流表面图像进行处理，能够较为准确高效地完成泡漩的捕捉和范围提取，对大尺度的天然河流复杂流态测量与分析具有一定的参考价值，为船舶航线规划和安全通航提供支撑。

作为优化，本方法1)步骤中，运用粒子图像测速方法，采用单帧速度场去掉平均流动特征得到能够反映泡漩内部向外扩张的单帧脉动速度场；

具体的计算过程为：先对t₀时刻的瞬时流场流速计算结果u、v分别进行均值滤波，得到该时刻的滤波速度场U、V：