معرفی و بررسی کارایی الگوریتم‌های مختلف پردازش تصویر در تعیین زبری هیدرولیکی به کمک منحنی دانه‌بندی در رودخانه‌های بستر شنی

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)

2 استادیار گروه مهندسی آب دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)

3 عضو هیات علمی دانشگاه خوارزمی

چکیده

اهمیت و نقش زبری بستر در مدل‌های شبیه‌سازی رودخانه بر هیچ یک از متخصصان این حوزه پوشیده نیست. براین اساس، محققان برای تعیین اندازه زبری ذرات بستر، از روش‌های ساده‌ای چون اندازه‌گیری مستقیم با خط‌کش یا کولیس یا دانه‌بندی با الک تا سالیان متمادی استفاده می‌کردند. در سالیان اخیر با پیشرفت تکنولوژی و ترویج دوربینهای عکاسی دیجیتال، الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای مختلفی برای تجزیه و تحلیل خودکار اطلاعات بستر با استفاده از تصاویر دیجیتالی اخذ شده از بستر آبراهه‌ها ارائه شده‌اند، لکن تاکنون در خصوص مقایسه نتایج روش‌های مختلف و صحت‌سنجی آنها به صورت تطبیقی مطالعه‌ای صورت نگرفته و صرفاً محققان مختلف بر روی شکل ظاهری منحنی دانهبندی و نیز قطرهای شاخص ذرات ارزیابی و اظهارنظر کرده‌اند. در این مطالعه، به منظور بررسی قابلیت روش فتوگرامتری در تعیین منحنی دانه‌بندی و زبری بستر، تصویربرداری از بازه‌ای یک کیلومتری از بستر رودخانه کردانِ استان البرز صورت گرفت و منحنی دانه بندی به کمک روش پردازش تصویر با 3 الگوریتم پردازش تصویر مختلف استخراج گردید. در ادامه منحنی دانه بندی حاصله، با منحنی دانه بندی حاصل از آزمایش الکِ مصالح جمع آوری شده از محل بازدید و منحنی دانه بندی حاصله از ذرات جمع‌آوری شده از بستر در داخل آزمایشگاه مقایسه گردیده شد. بر اساس نتایج حاصله می‌توان گفت که ارائه منحنی دانه‌بندی قابل قبول، به معنی دقت خوب روش‌های تصویری نیست و این روش‌ها بعضاً در شمارش ذرات دارای خطای فاحشی هستند که با کوچک شدن میدان تصویر یا افزایش تعداد ذرات ریزدانه داخل تصویر یا وجود ذرات دارای کشیدگی طولی، این خطا محسوس و غیرقابل اغماض خواهد بود. همچنین آنالیز حساسیت روی ضریب زبری، نشان داد که خطا در برآورد منحنی دانه‌بندی می‌تواند موجب خطای غیرقابل اغماض روی ضریب زبری گردد. لذا استفاده از این روش‌ها در تخمین زبری هیدرولیکی بایستی با دقت کافی صورت گیرد.

کلیدواژه‌ها


حسن‌نژاد شریفی، ف.، صمدی، ا.، عزیزیان قطار، ا. (a1395) "ارزیابی عملکرد روش پردازش تصویر در تخمین ضریب زبری مانینگ در لایه سطحی بستر رودخانه‌ها". مجله تحقیقات آب و خاک ایران. 47 (4): 722- 711.

حسن‌نژاد شریفی، ف.، صمدی، ا.، عزیزیان قطار، ا. (b1395). "تحلیل حساسیت روش پردازش تصاویر در برآورد منحنی دانه‌بندی رسوبات سطحی بستر رودخانه نسبت به اندازه سطح رسوبی". مجله پژوهش آب ایران. 23: 142- 133.

زارعی، م.، مهاجری، س. ح.، صمدی، ا. (1396). "ارزیابی نتایج روشهای مختلف پردازش تصویر برای تهیه منحنی دانه­بندی بستر آبراهه­های شنی". شانزدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.

صادقی، س.ح. و قره‌محمودلی، س. (1392). "تحلیل دقت دانه‌بندی رسوبات بستر با استفاده از پردازش تصاویر حاصل از دوربین‌های با قدرت تفکیک مختلف". نشریه علمی- پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز. 5 (2): 124- 115.

صمدی، ا. و عزیزیان، ا. (1394). "ارزیابی اثر توان تفکیک‌های مختلف تصویر بر نحوه استخراج منحنی دانه‌بندی مصالح سطحی بستر رودخانه به روش پردازش تصویر". نخستین کنگره ملی آبیاری و زهکشی ایران. دانشگاه فردوسی مشهد. مشهد. ایران. 23-24 اردیبهشت.

عبد شریف اصفهانی، م.، کرباسی، م.، رجبی هشجین، م. و کیاسالاری، ا. (1384). "معرفی روش عکس‌برداری شبکه‌ای از بستر رودخانه در تعیین دانه‌بندی لایه محافظ یک بستر درشت‌دانه (مطالعه موردی: رودخانه کرج)".‌ پنجمین‌کنفرانس هیدرولیک ایران. دانشگاه شهید باهنر. کرمان. 19- 17 آبان.

عزیزیان، ا.، مرشدی، ف. و آرین، ا. (1391). "استفاده از تکنیک پردازش تصویر جهت استخراج منحنی دانه‌بندی مصالح سطحی بستر رودخانه". نهمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه. دانشگاه شهید چمران. اهواز. ایران. 5- 3 بهمن.

سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور. (1394). راهنمای تعیین ضریب زبری هیدرولیکی رودخانه‌ها، نشریه شماره 688، سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور.

Adams, R.D. (2013). “Tool for Automated Image Based Grain Sizing”, MSc Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, Brigham Young University.

American Society for Testing and Materials (ASTM). (2006). “Standard test method for sieve analysis of fine and coarse aggregates”. C136 / C136M: 14.

Aquaveo LLC. (2013). “Hydraulic Toolbox”. Provo, Utah.

Beggan, C., and Hamilton, C.W. (2010). “New image processing software for analyzing object size-frequency distributions, geometry, orientation, and spatial distribution”. Computers & Geosciences. 36: 539–549.

Bergendahl, B.S., and Arneson, L.A. (2014). “FHWA Hydraulic Toolbox”, v.4.2, Desktop Reference Guide, FHWA, Lakewood, CO.

Buffin-Bélanger, T., and Roy, A.G. (1998). “Effects of a pebble cluster on the turbulent structure of a depth-limited flow in a gravel-bed river”, Geomorphology, 25: 249-267.

Buscombe, D., Rubin, D.M., and Warrick, J.A. (2010). “A universal approximation of grain size from images of noncohesive sediment”. Journal of Geophysical Research, 115(F02015).

Butler, J.B., Lane, S.N., and Chandler, J.H. (2001). “Automated extraction of grain-size data from gravel surfaces using digital image processing”, J. Hydraul. Res., 39: 519–529.

Carbonneau, P.E., Lane, S.N., and Bergeron, N.E. (2004). “Catchment-scale mapping of surface grain size in gravel bed rivers using airborne digital imagery”. WRR 40(W07202).

Chang, F.J., and Chung, Ch.H. (2012). “Estimation of riverbed grain-size distribution using image processing techniques”. Journal of Hydrology, 440-441: 102–112.

Chung, Ch.H., and Chang, F.J. (2013). “A refined automated grain sizing method for estimating river-bed grain size distribution of digital images”. Journal of Hydrology, 486: 224–233.

Detert, M., and Weitbrecht, V. (2012). “Automatic object detection to analyze the geometry of gravel grains – a free stand-alone tool”. River Flow 2012, R.M. Muños, ed., Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-62129-8, 595-600.

Detert, M., and Weitbrecht, V. (2013). “User guide to gravelometric image analysis by BASEGRAIN”, In: Advances in River Sediment Research, S. Fukuoka, H. Nakagawa, T. Sumi, H. Zhang, eds., Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-1-138-00062-9, 1789-1795.

Fehr, R. (1987). “Einfache Bestimmung der Korngrössenverteilung von Geschiebematerial mit Hilfe der Linienzahlanalyse (Simple detection of grain size distribution of sediment material using line-count analysis)”. Schweizer Ingenieur undArchitekt 105(38); 1104–1109. (In German)

Ferreira, T., and Rasband, W.S. (2012).  “ImageJ, User Guide”, IJ 1.46r, U.S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA, imagej.nih.gov/ij/docs/ guide/, 2010-2012.

Graf, W. and Altinakar, M. (1998). Fluvial Hydraulics, Wiley, New York.

Graham, D.J., Reid, I., and Rice, S.P. (2005a). “Automated sizing of coarse grained sediments: Image-processing procedures”.  Mathematical Geology, 37(1): 1-28.

Graham, D.J., Rice, S.P., and Reid, I. (2005b). “A transferable method for the automated grain sizing of river gravels”. Water Resources Research, 41, W07020.

Heritage, G.L., and Milan, D.J. (2009). “Terrestrial Laser scanning of grain roughness in a gravel-bed river”. Geomor. 113, 4–11.

Mohajeri, H., Grizzi, S., Righetti, M., Romano, G.P., and Nikora, V. (2015). “The structure of gravel-bed flow with intermediate submergence: a laboratory study”. Water Resources Research, 51(11): 9232-9255.

Nikora V.I., Goring D.G. and Biggs B.F. (1998). "On gravel-bed roughness characterization". Water Resources Research. 34, 517-527.

Nikora, V., Goring, D., McEwan, I., and Griffiths, G. (2001). “Spatially Averaged Open-Channel Flow over Rough Bed”, Journal of Hydraulic Engineering, 127: 123–133.

Nikora, V., McEwan, I., McLean, S., Coleman, S., Pokrajac, D., and Walters, R. (2007). “Double-averaging concept for rough-bed open-channel and overland flows: Theoretical background”, Journal of Hydraulic Engineering. 133(8): 873-883.

Parker, G. (1991). “Selective sorting and abrasion of river gravel. II: Applications”. J. of Hyd. Eng., 117(2): 150-171.

Penders, C.A. (2010). “Determining Mean Grain-size In High Gradient Streams with Autocorrelative Digital Image Processing”, Master of Science Thesis, Appalachian State University, Boone, North Carolina, US.

Rasband, W.S. (2012). “ImageJ”, U.S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA, 1997–2012.

Rice, S.P. (1999). “The nature and controls on downstream fining within sedimentary links”. J. of Sed. Res., 69(1): 32–39.

Sadeghi, S.H.R., Khaledi Darvishan, A.A.V., and Vafakhah, M. (2007). “Study on Channel Hydraulic Characteristics on Morphometric Variations of Bed Materials”, Journal of Hydraulics, 2: 1-10. (In Farsi)

Stähly, S., Friedrich, H., and Detert, M. (2017). “Size Ratio of Fluvial Grains’ Intermediate Axes Assessed by Image Processing and Square-Hole Sieving”, Journal of Hydraulic Engineering, American Society of Civil Engineers, 143(6): 06017005-1 to 06017005-6.

Strom, K.B., Kuhns, R.D., and Lucas, H.J. (2010). “Comparison of Automated Image-Based Grain Sizing to Standard Pebble-Count Methods”, Journal of Hydraulic Engineering, 136: 461–473.

Webb, R.H., and Leake, S.A. (2006). “Ground-water surface-water interactions and long-term change in riverine riparian vegetation in the southwestern United States”, Journal of Hydrology, 320: 302-323.

Weichert, R., Wickenhäuser, M., Bezzola, G.R., and Minor, H.-E. (2004). “Grain size analysis for coarse river beds using digital imagery processing”. Proc. RF 2004, Naples, Italy, 753–760.