La medición de la topografía de la grava-cama: EvaluaciónEstudio de Aplicación del análisis de la rugosidad de EstadísticaS. Bertin1

y H. Friedrich2

Resumen: En este estudio de dos partes, los experimentos se llevan a cabo para evaluar las técnicas de medición topografía disponibles para los lechos de grava en un canal de laboratorio y estudiar su idoneidad para el análisis estadístico de rugosidad. Los instrumentos disponibles para este estudio incluyen (1) un perfilador acústico cama; (2) un escáner láser de mano; y (3) dos cámaras digitales de consumo que forman un sistema stereophotogrammetric, y se emplea para la obtención de modelos digitales de elevación (DEM) de lechos de grava-trabajados en agua. En la primera parte del estudio, las tres técnicas de medición son revisados y sus viabilidades para el trabajo futuro rugosidad escala de grano evaluados, en base a los conjuntos de datos de elevación obtenidos. Topografías gravelbed Agua-trabajado se miden con las tres técnicas de medición disponibles. El análisis de los DEM se concentra en el uso de probabilidadfunciones de distribución (PDF) y funciones de la estructura de segundo orden de las elevaciones de la cama. Coeficientes de rugosidad se determinan y se utilizan como punto de referencia para la comparación de las tres técnicas de medición. Aunque, visualmente, las diferencias en los DEM obtuvieron con medición diferentese observan las técnicas, los resultados del análisis estadístico elegido no revelan las diferencias visuales en la misma medida. Se muestra que el sistema stereophotogrammetric utilizado, aunque permite teóricamente un proceso de grabación rápida y de alta resolución, carece de detrás en la precisión. Por lo tanto, la segunda parte del estudio identifica y presenta medidas para mejorar la calidad de la stereophotogrammetric obtenidoDEM. Se proporciona una lista de comprobación, destacando las mejoras realizadas en el estudio de seguimiento, con el fin de obtener una stereophotogrammetric de alta calidadDEM. El resumen será útil para otros investigadores que hacen uso de la disposición bajo costo y cámara de consumo de alta calidadequipos, para configurar su propio sistema, no propietaria stereophotogrammetric DOI:.. 10.1061 / (ASCE) HY.1943-7900.0000823 © 2014Sociedad Americana de Ingenieros Civiles.Autor palabras clave: Topografía; Rugosidad cama; Medición de la distancia; Fotogrametría.IntroducciónRugosidad CaracterizaciónCon los avances recientes de la investigación y mejora de la tecnología, el análisis estadístico de las elevaciones de la cama en los ríos de grava-cama se ha convertido en fundamental para definir los parámetros de rugosidad, cuantificar los efectos de blindaje,y por lo tanto, para entender la naturaleza del río flow.Traditionally, parámetros de rugosidad cama escala utilizados en carga de fondo ecuaciones de transporte y de resistencia al flujo se describen utilizando percentiles de la distribución de tamaño de grano (GSD) de la constitución de

sedimentos la cama. El eje partícula intermedia se elige como la basevalor de GSD, a pesar de que se reconoce que el eje corto es el que sobresale en el flujo, y por lo tanto es responsable de la mayor parte de la resistencia al flujo (de Jong 1995; Robert 1990).Un parámetro de rugosidad equivalente se usa comúnmente, tales como k Nikuradse 's S establece en 3. 5D 84, donde Des la longitud del eje intermedio de la partícula de sedimento en el GSD para el que 84% de las partículas son más pequeñas (Clifford et al. 1992). Características GSD se pueden

determinar con técnicas como el análisis granulométricoWolman 's (1954) orFehr' s de los procedimientos de muestreo (1987) línea por númeroo métodos similares, que requieren perturbación de lasuperficie de grava-cama. Discusiones detalladas y comparaciones de losmétodos se pueden encontrar en la obra de Bunte y Abt (2001). Automatizadométodos, como a partir de imágenes en 2D, se hizo más popularen los últimos años (Chang y Chung 2012; Detert y Weitbrecht2012; Graham et al. 2010; Strom et al. 2010) y permitir in situregistrar las características de GSD. Sin embargo, la superposición y enterradopartículas hacen que el uso de técnicas automatizadas que utilizan, fotografías,desafiante.Los complejos arreglos de las partículas en el lecho del río, talesorientaciones tan variados, embalaje y salientes también resaltar ellimitaciones del uso de características GSD como parámetro en carga de fondotransportar y ecuaciones de flujo de resistencia. Incluso el uso de un GSD completo estáno es suficiente para representar completamente la morfología de la superficie y su efectoen el campo de flujo (Nikora et al 1998;. Robert 1988, 1990).Alternativamente, la superficie del río-cama puede ser considerada como una aleatoriacampo de las elevaciones de la superficie ZDX; y; Tth, donde z es la superficiealtura en las coordenadas x e y en el tiempo t. Por lo tanto, la cama puede ser representadocomo DEM. Investigaciones recientes han demostrado que la alta resoluciónDEM, obtenidos utilizando diferentes tecnologías de medición de la topografía,permitido el uso de herramientas estadísticas tales como archivos PDF yfunciones de estructura 2D de segundo orden, para entender la estructurade dunas de arena trabajado con el agua y los lechos de grava y cuantificar la rugosidad

parámetros (Aberle et al 2010;. Butler et al 2001;. Friedrich2010; Goring et al. 1999; Nikora et al. 1998; Robert y Richards1988). La rugosidad hidráulico puede ser descrito como un scaledependentconjunto de tres coeficientes, la longitudinal, la transversal,y la rugosidad vertical, con la rugosidad de la vertical, representadapor la desviación estándar de la elevación de la cama (Aberle y Nikora2006; Cooper y Tait 2009; Nikora et al. 1998; inteligente et al.2004). Se necesitan tecnologías de medición adecuados para obtenerel campo aleatorio de elevaciones de cama, ZDX; y; Tth, y por lo tanto ser capaz dedefinir las distintas escalas inherentes de grava-cama rugosidad. Másla atención debe ser dada a evaluar las técnicas de mediciónque permiten tal caracterización detallada rugosidad.Técnicas de medición TopografíaPrincipalmente, se han utilizado tres tipos de técnicas de teledetecciónlo largo de los años para obtener DEM de lechos de grava: perfiladores de cama, de láserescáneres y estereofotogrametría. (1997) Laboratorio de Coleman 'sexperimentos con un perfilador acústico cama probaron que este instrumentopuede ser empleado con éxito para medir la topografía sumergidaen una amplia gama de situaciones. La profundidad del agua que van desdeSe emplearon 5 mm a 1000 mm, así como diversas aguas abajoy las distancias de muestreo transversales y frecuencia acústica ajustablepara diferentes precisiones verticales. El perfilador acústico camacomprende una sonda de resonancia, que genera ondas ultrasónicas quereflejar de la cama de sedimentos y son recibidos por la sonda. El tiempode paso de las ondas de sonido se mide electrónicamente y permitedeterminar la distancia de la cama de sedimentos de la sonda.

A diferencia de los perfiladores de cama de infrarrojos, como en Robert (1988), Cama acústicaperfiladores permiten sumergidos medición topografía. Fluyendoel agua puede ser empleado en algunas situaciones, y medicionesson teóricamente afectados por los sedimentos en suspensión de tamaño deel orden de la longitud de onda de sonido o menor. Perfiladores acústicos camapermiten una mayor resolución espacial que los utilizados generalmente 10 mmdistancia de muestreo con perfiladores físicas (de Jong 1995; Nikoraet al. 1998; inteligente et al. 2004). Sin embargo, independientemente del tipoperfilador de la cama, se requiere una cantidad significativa de tiempo para obtenerDEM a escala fina sobre un área más grande.Una muy alta resolución horizontal y vertical de precisión pueden serlogrado mediante el uso de escáneres de tiempo de vuelo láser terrestre (TLSS),también llamado van sistemas (Lidar) de detección y de la luz basado en tierra.Estos escáneres encontrar la distancia de un objeto midiendoel tiempo de ida y vuelta de un pulso de luz láser. Aberle y Nikora(2006), Cooper y Tait (2009) y Goring et al. (1999) realizadomedidas de elevación de cama en canales de laboratorio utilizando drenadosTLSS. Fabricante especificado precisiones verticales varían de0,5 μ m a 0,1 mm. Patrimonio y Hetherington (2007), Hodge et al.(2009b) y Smart et al. (2004) llevaron a cabo encuestas con más de TLSSbancos de grava expuestos en los arroyos naturales. El escaneo láser es el más-amplia gama dispositivo de medición de la topografía precisa en el momento.Sin embargo, los datos TLSS 'requiere postprocesado significativo en elforma de filtrado para eliminar errores sistemáticos (Hodge et al.2009a). Además, a pesar de la existencia de una multitud de escáneres láser,el costo sigue siendo elevado. Hay otra desventaja,

como algunos de los

TLSS no se puede utilizar para medir las topografías sumergidas,debido a un pulso de luz infrarroja absorbida por el agua (Hodge et al.2009a; inteligente et al. 2004).De manera similar a la visión humana, hace uso de estereofotogrametríados imágenes 2D superpuestos para obtener una imagen de profundidad dentro de lacampo de vista común (CFoV) de las dos imágenes. Hoy en día,paquetes de software disponibles comercialmente, tales como OrthoMAX desdeErdas Imagine que, permite la grabación de DEM de alta resolución con la fotografía digitalestereofotogrametría, ya sea de imágenes digitales o películas digitalizadasfotografías. Esos paquetes son a menudo caro y limitado parauso específico. Usando OrthoMAX, experimentos basados en laboratorio fueronllevada a cabo por Butler et al. (2001), Brasington y Smart (2003),y Chandler et al. (2001). DEM de la vista, camas simulados, erantrazada sobre una rejilla ajustable, con una distancia de muestreo tan pequeño como1,5 mm. El uso de puntos de control coordina, Brasington yInteligente (2003) y Chandler et al. (2001) evaluaron la precisión de superficiecon errores estándar de medición vertical de 2 mm y 1,1 mm,respectivamente. Estereofotogrametría tiene la ventaja de serrelativamente fácil de configurar, tanto en laboratorio como en los campos,con la adquisición de datos muy rápida, sin embargo, en general, requiere especialde calibración. Aplicaciones basadas en campo se llevaron a cabo por Butler et al.(1998) y Carbonneau et al. (2003) para medir la topografíade expuestos bancos de grava. Además, Butler et al. (2002) yWestaway et al. (2000; 2001) demostró que la estereofotogrametríapuede manejar a través de la medición de agua, pero una estrategia rigurosa debeser empleado para evaluar la calidad de los DEM. Mientras estereofotogrametría

es hasta la fecha, sin duda la técnica más prometedora paradetectar remotamente el comportamiento dinámico de los lechos de grava en la escala de grano,el proceso operativo para obtener DEM es compleja. Esto generalmenterequiere el desarrollo de una metodología única para evaluar cuidadosamentela fiabilidad de las mediciones (Butler et al. 1998). Otrodesventaja es la exploración oblicua desde dos puntos de vista diferentes,lo que provoca que sobresale detrás de sombreado partículas y los resultados endatos erróneos en las zonas afectadas.ObjetivoEl objetivo del estudio 's es comparar los datos de lecho rugosidad recogidoscon lo anterior descrito, más comúnmente utilizado tres mediciónmetodologías (de perfil del lecho acústica, escáner láser, y estereofotogrametría).El estudio se divide en dos partes, que se basan enEl uno al otro. Inicialmente, una cama nivelada fue labrado en agua y una veztotalmente desarrollado, la cama se midió con los tres medicióntécnicas. Los datos de trabajado-agua se utilizan para estudiar la idoneidadde los DEM para realizar análisis estadísticos de la rugosidad de la camay evaluar las diferencias en la rugosidad cuantitativa y cualitativacaracterísticas para la misma área, pero rugosidad de medición diferentemetodología. El análisis se centra en la rugosidad hidráulica,representado por la desviación estándar de las elevaciones de la cama, yPDFs cama-elevación y funciones de la estructura de segundo orden (semivariogramas)de los DEM. Características de rugosidad de agua-trabajado sonen comparación con las características de rugosidad cama nivelada-, comograbado con el perfilador acústico cama.La segunda parte del estudio se presenta la metodologíamejoras que se hicieron para la stereophotogrammetricconfiguración, y cómo esas mejoras a mejorar la calidad de la

más alta resolución DEM stereophotogrammetric publicado hasta el momento.Recogida de datosLa recolección de datos se llevó a cabo en el Laboratorio de Mecánica de Fluidosde la Universidad de Auckland, con un 19 m de largo sedimentos de hambreinclinando canal, con 0,45 m de ancho y 0,5 m de profundidad. Para el presentadoexperimentos, la pendiente de la cama canal de flujo se ajustó a 0,45%. Medicionesse obtuvieron en una sección de prueba ajustable verticalmente, situado10 m aguas abajo de la entrada del canal, que comprende de un lecho fijo conunos 950 mm de longitud y 450 mm de ancho de receso. El rebaje se llenógraduada, redondeado y de color de grava (cada clase de sedimentos, exceptoel más pequeño fue pintado con un color diferente, usando blanco,amarillo, verde, azul y rojo). El uso de partículas de grava pintadasera necesario para un estudio paralelo sobre la formación de agrupaciones y sedimentosde seguimiento. El sedimento tenía una mediana de tamaño del intermedioeje de partículas D50 = 7 mm, un tamaño mínimo de sedimentos de 0,7 mm, untamaño de grava máximo de 50 mm y una desviación estándar geométricade la distribución de grano, calculada comode 2.98. Para permitir la medición topografía, la sección de prueba estaba equipado con unestante horizontal para el perfilador cama acústica, así como una sobrecargabarra de montaje para equipos estereofotogrametría, en que dosSe montaron las cámaras (Fig. 1). La cama enrasada inicial fuecreado por la colocación de sedimentos al azar mezclado en la base deel área de estudio regulable en altura y la superficie se aplanan paraun espesor de 100 mm, en paralelo a la cama canal. La topografía dela cama inicial enrasada manualmente se midió con la acústicaperfilador cama. El lecho de grava se trabajó el agua-y, naturalmente,blindado durante cuatro horas, a una velocidad de flujo constante = ¼ Q 66 L s, monitoreados

por un manómetro precalibrado. La profundidad del agua se mantuvoconstante a 200 mm, y corregida por un vertedero de bordes afilados en elextremo aguas abajo del canal. Se mantuvo un flujo uniforme constantedurante todo el experimento con un número de Froude F ¼ 0. 58.El área utilizada para la comparación directa de la medición de trestécnicas fue de 0,35 m de longitud y 0,3 m de ancho (. Fig 2). Como el láserescáner no podría ser utilizado directamente en el canal de flujo, una bandeja metálica erasumergido en la mezcla nivelada inicialmente, completamente cubiertopor la capa de sedimento, permitiendo que el transporte cuidadoso de la0,35 m de largo y 0,3 m de ancho muestra lecho de grava trabajado-agua parala ubicación, donde se aloja el láser. Mientras trabajadora agua,la capa de sedimento superior erosionado aguas abajo. El experimentofue detenido justo cuando la bandeja comenzó a ser expuesto. A partir de entonces,la topografía cama se midió con el perfilador cama acústico.A continuación, el canal fue drenado para permitir el ingreso de aire estereofotogrametríamedición. Por último, la bandeja metálica se destapó con cuidadoy se trasladó a la ubicación del escáner láser, para llevar a cabo larecopilación de datos escáner láser.Profiler Bed AcústicaLas mediciones de los lechos de grava, sumergidos en maestreado inicial yetapas trabajado-agua final, se llevaron a cabo con un flujo reducidoevaluar para evitar sedimentos en suspensión que podría llevar a los datos erróneos.El perfilador cama acústica se compone de una sonda de resonancia, situado100 mm por encima de la cama de sedimentos, montados en un bastidor por encima de lacanal de flujo, que atraviesa la sección de medición en la dirección de flujo, yun potenciómetro óptico de 256 incrementos por vuelta, que se adjuntapara el eje de una rueda de 200 mm de diámetro, el seguimiento de la ubicación de la sonda

en la dirección aguas abajo. Con una onda de sonido de frecuencia f ¼2 MHz que proporciona una precisión vertical teórica de 0,37 mm(Ver Tabla 1). Los autores adquirieron cama con elevación longitudinal 2Dperfiles y posteriormente DEM se obtuvieron con un muestreodistancia de 2,45 mm aguas abajo (basado en el número de incrementosen el potenciómetro y el tamaño de la rueda) y 2,54 mm transversal(0,1 pulgadas en la escala utilizada), en representación de la red física sobreque se realizaron las mediciones.Escáner láserLa topografía de la cama final de trabajado-agua, exclusivamente en la zonadelimitada por los bordes de la bandeja metálica, se midió con unInition MVT CLS60 escáner láser de mano, disponible en la Universidadde Auckland sistemas automatizados de laboratorio. Debidoel brazo corto del láser, no se podía utilizar directamente encimacanal y requiere el transporte de la muestra de grava-cama.Una vez transportados, la muestra se explora verticalmente desde una distanciade 100 mm por lo que varias bandas superpuestas. El teóricoprecisión vertical se cuantifica como 0,05 mm (fabricanteespecificado), y los datos se graban en una cuadrícula espacial no uniforme.La fusión de las franjas superpuestas fue operado automáticamentepor el software del instrumento 's, con el proceso se repite hasta que tenga éxitose obtuvo fusión. Por último, los datos se guarda como un archivo ASCIIpresentar y se leyó directamente en MATLAB. Los datos no uniformenube se transforma en una rejilla uniforme con 1,45 mm de muestreodistancia (Tabla 1). La cuadrícula de marcos alemanes se correspondía con el número de escaneadopuntos, que fueron restringidos por las capacidades del software del instrumento s.

Las mediciones se llevaron a cabo en condiciones no sumergida. Sin embargo,pruebas preliminares mostraron que las condiciones de humedad, por ejemplo, con húmedosuperficies de las partículas, no tienen ningún efecto perjudicial sobre la precisión del láser 's(Ver Tabla 2).EstereofotogrametríaStereophotogrammetric mediciones del agua expuestacama trabajado se llevaron a cabo con dos consumidor digital Nikon D90cámaras, con una lente de 18 mm y una distancia entre píxeles de 5,5 μ m (12,3 megapíxeles).Las dos cámaras se fijaron en un marco de 1 m por encima de lacanal, alineado mecánicamente con una línea de base 280 mm entre lacámaras, utilizando una barra de montaje. Los ajustes para ambas cámaras eranajustar manualmente para ser idénticos (velocidad de obturación de 1,3 s, F / 22 abertura,ISO 200) y se centró de forma manual en el lecho de grava. El CFoVde las dos cámaras, elegidos para ser más grande que la sección de prueba, que se defineel área sobre la cual se extrajo la información de profundidad. Inicialmente,imágenes estéreo del tablero de ajedrez de calibración fueron tomadas en diversosposiciones dentro del canal de flujo hidráulico, que abarcan todos los grados de libertad

y la mayoría de las cámaras CFoV '(Zhang 1998). Usando MATLABy Bouguet y Perona 's caja de herramientas de calibración (1998) de la cámara,los parámetros intrínsecos de las dos cámaras (longitud focal, principalespunto, el sesgado entre otros), y los parámetros extrínsecos de laconfiguración estéreo (traslación y rotación entre las dos cámaras)se determinaron. Distorsión de la lente radial y tangencial de lados cámaras se modelan mediante una orden sexto polinomio. La calibracióndatos habilitado las fotografías del lecho de grava que se rectifiquea la geometría epipolar, puntos donde correspondientes entrelas imágenes izquierda y derecha están en las mismas líneas de exploración, después de la distorsiónse elimina. De las imágenes rectificadas de la cama de grava y lacalculado rango de búsqueda disparidad, la programación dinámica simétricaestereofotogrametría (SDPS) algoritmo permite obtener unmapa de las elevaciones de la superficie de cama, también llamado mapa de disparidad, dentrola CFoV (farb Gimel '2002). Una nube de puntos se extrae, con toma de muestrasdistancia entre puntos de datos medidos que representan el píxel

tamaño en las imágenes de grava-cama, tomada con la Nikon D90s de unadistancia de 1 m. Finalmente, los datos se transfieren a una rejilla uniformecon una distancia de muestreo de 1 mm (Tabla 1). La mejor precisión verticalalcanzable por la instalación en estas condiciones se calculócomo 1 mm.Mejora de configuración StereophotogrammetricDespués de un examen visual de la DEM obtenido, y la confirmacióna través del análisis de ortoimágenes del SDPS, los resultadosobtenido con sterephotogrammetry en la primera parte del estudiono fueron satisfactorios, como se muestra en la sección Resultados. Así, el trabajoque se hizo para obtener mejores DEM por medios fotogramétricos.Los siguientes se realizaron mejoras, que pueden ser utilizados como unlista de comprobación para obtener DEM de alta calidad. En primer lugar, la mediciónsección necesita ser iluminada tan uniformemente y de la mejor manera posible.Además de colocar fuentes de luz estratégicamente, cualquier reflexiónrebotando en el objeto medido puede influir negativamente en la

proceso de medición. Por lo tanto, como un primer paso, las fuentes de luz fuerael canal se cambió de inicialmente de cuatro luces de inundación para dos 1 mlas luces de neón de largo, que se colocaron detrás de una hoja disipativo,dando como resultado una iluminación homogénea de la zona de medición.En segundo lugar, las gravas pintadas fueron reemplazados por grava naturalpartículas, lo que elimina cualquier reflejo rebotando en el lecho de grava.El tercer cambio fue para redimensionar la CFoV, mediante la reducción de la distanciadesde las cámaras al lecho de grava. Este cambio no es responsableen su propia para la reducción de las estrías y el ruido en los DEM, peroconducido a una precisión vertical mejorada de 0,34 mm (véase la Tabla 1). EnAdemás, la resolución de la medición aumentó a aproximadamente30. 8 millones de puntos = m * 2, Equivalente a 0,18 mm Tamaño de píxel en lasuperficie de grava-cama. En cuarto lugar, se utilizó un tablero de ajedrez modificado.El tablero de ajedrez utilizado anteriormente estaba hecha de plástico, y erauna causa de la reflexión de la luz. No siempre permitía esquina correcta

reconocimiento durante el proceso de calibración que lleva a inexactaparámetros de calibración. Por último, la barra de montaje de sujeción de monturalas cámaras se ajustó para permitir un más rápido y más precisoproceso de calibración. Barra de montaje de las cámaras podría ser giradaa los 90 °, permitiendo fotografías del tablero de ajedrez que se adopten conel tablero montado sobre un trípode fuera del canal.Un programa MATLAB sencilla fue desarrollado para evaluar laexactitud de la etapa de calibración, basado en el error de reproyección.Utilizando los resultados de la calibración (que se resumen en las matrices de proyecciónde las dos cámaras), las esquinas estimados del tablero de ajedrez,originalmente en las coordenadas mundo en 3D, se puede reproyectado sobre laImágenes de calibración 2D. Las esquinas estimados se comparan conlas esquinas reales detectadas con la detección de esquina subpixelalgoritmo disponible con MATLAB. El error de reproyección, en píxeles,se define como la diferencia entre los ángulos reales y elesquinas estimado. Una disminución en la reproyección de error muestra quelos parámetros de calibración (tanto intrínsecos y extrínsecos) son mejoresestimado. A falta de una evaluación externa de la calidad del DEM,Se llevó a cabo una evaluación interna de la etapa de calibración paracontrastar dos DEM obtenidos con estereofotogrametría.Datos Post-procesamientoEl mismo procedimiento de post-tratamiento de los datos se aplicó a todos losDEM obtenidos en la primera parte del estudio. El DEM obtuvocon la configuración stereophotogrammetric mejorado (Fig. 5), formandola segunda parte del estudio, no presentó picos superficiales yno era necesario el procedimiento de post-procesamiento de datos siguientes. Datospost-procesamiento consistió en la eliminación de picos de medición y

interpolación de lagunas. Pinchos, que se encontraban fuera del mínimo /elevaciones máximas de cama, como se encuentra con el perfilador acústico camaDEM _ 2 mm, se eliminaron. Los datos de la cama de perfiles, lo que representauna topografía de la superficie y sin picos erróneos, se utilizó comopunto de referencia. Picos menores, debido a la

imprecisión de medición yruido, se detecta automáticamente como puntos de datos que se encuentran fueraelevación de sus cuatro vecinos, lo que permite un umbral _3 mm.El umbral de 3 mm es específico a la mezcla de sedimentos utilizadoy se obtuvo a través de las pruebas manuales. Las brechas generadaspor la eliminación de los picos se rellena automáticamente por el promedioelevación de los cuatro puntos de datos vecinos.Antes de analizar los DEM estadísticamente, un algoritmo de eliminar la tendenciase aplicó en cada DEM. Detrending Surface tiene como objetivo eliminartendencias escala mayor que la escala de cereales, tales como laderas de cama, quepodría oscurecer DEM propiedades y estadísticas de rugosidad de grano sesgo.Esto también elimina cualquier desviación de los instrumentos de medicióna partir de un posicionamiento paralelo a la cama sedimento. De acuerdocon Andreas y Trevino (1997), y Goring et al. (1999), unade segundo orden biquadratic la eliminación de filtro se aplica, ya que estoreducción de la varianza de la serie original de datos más. Eldiferencia en la varianza entre las señales original y sin tendenciafue significativa, y superó el cuadrado de la mediciónresoluciones. Por último, todos los DEM se normalizaron a tener una cama mediaelevación igual a cero, y se hace girar para alinear los DEM conla dirección del flujo.Análisis estadístico de rugosidadAnálisis estadístico rugosidad sirve como base para la comparación

de las técnicas de medición empleadas y si el obtenidoDEM (Fig. 4) orden de que se utilizará para futuros estudios sobre la grava-camacaracterización de rugosidad. Inicialmente, se obtuvieron los PDF, lo que representala distribución de elevaciones de la superficie. Parámetros como asimetría,curtosis, y la desviación estándar de elevaciones de la superficie eranextraído de las superficies sin tendencia. Al igual que en el trabajo anterior

por Aberle y Nikora (2006), Cooper y Tait (2009), y Nikoraet al. (1998), la altura vertical de rugosidad se calculó utilizando ladesviación estándar de la elevación de la cama s.Además, generalizada funciones de estructura 2D de segundo ordenZ

se utilizaron, definido por Nikora et al. (1998) en forma discreta comode la siguiente manera:

donde Dx ¼ ndx y Dy ¼ MDY; dx y dy son los intervalos de muestreoen las direcciones longitudinal y transversal, respectivamente; n ¼1; 2; 3; :::; N y m ¼ 1; 2; 3; :::; M. Las variables N y Mson el número de muestras en las mismas dos direcciones. La relaciónen la ecuación. (1) se utiliza para representar el 1D de segundo orden generalizadafunciones de estructura, así como mapas de isopletas (parcelas de contorno) de laFunciones de estructura 2D. Para permitir una comparación directa entre eldiversas técnicas de medición, las funciones de estructura se normalizaroncon los 2s nivel de saturación trazada como proporciones de el nivel de saturación.y los contornos de D fueronEl carácter irregular de los perfiles de grava-cama se adapte al uso de generalizadofunciones de estructura para investigar las propiedades fractales dela superficie de la cama, que proporciona información acerca de la inherenteescalas de rugosidad presentes en la superficie de grava-cama. A gravelbed

función de la estructura de elevación tiene tres regiones: (1) una región de la ampliacióncon pendiente uniforme en pequeños retardos, (2) una región de saturación agrandes retardos, donde la pendiente es cero, y (3) con una región de transiciónen el medio, donde la pendiente disminuye (Butler et al 2001;. Goringet al. 1999; Nikora et al. 1998; Robert y Richards 1988).En pequeños desfases espaciales, la región de escala puede ser equipado por un poderfunción de la forma DðΔxÞ α Dx[Higo. 7 (a)] y DðΔyÞ αDy2H

y

2H

x

[Higo. 7 (b)]. Butler et al. (2001) y Robert (1988) mostróque cuando se representa en escala log-log, el uso de una función de potencia permitela determinación de la Hurst direccional exponentes HyH

, Lo que representa un método básico para estimar la dimensión fractalde serie de los datos a lo largo de los sentidos descendente y transversal,respectivamente. Lechos de grava presentan un comportamiento mixto fractal, cuando dosbandas lineales están presentes, que están separadas por zonas de transición enla función de estructura de 1D. Grandes exponentes de Hurst se asociancon la rugosidad de las partículas individuales, mientras más pequeño Hurstexponentes se asocian con rugosidad bedform y escalas mayores(Butler et al 2001;. Robert 1988).y

ResultadosModelos Digitales de ElevaciónAmbos, los maestreado iniciales y camas finales trabajado con el agua, eran medicioncon el perfilador acústico cama sobre la sección receso completa(Fig. 3). La cama enrasada manualmente [fig. 3 (a)] se componede granos de diferentes tamaños con enterrado partículas más grandes. La superficiees plana y uniforme, con elevaciones de cama entre -12. 3 mm y

7,2 mm, y los sedimentos distribuidos al azar. En contraste, lacama trabajado-agua [fig. 3 (b)] presenta una superficie heterogénea,con una mayor gama de elevaciones de cama, de -24. 4 mm a 29,7 mm.La superficie, compuesto de cereales secundarios, con pequeñas partículas de rellenolos agujeros entre ellos, presenta la evidencia de blindaje. EnHigo. 3 (b), los bordes de la bandeja metálica son claramente visibles, definiendola región sobre la cual se llevaron a cabo los análisis estadísticos.Los DEM de la cama trabajado-agua varían notablemente, incluso después dedespiking (. Fig 4). Con el perfilador acústico cama, aparece la superficiealisar con poco ruido [fig. 4 (a)]. Los errores son visiblesconcentrado en los bordes de las partículas, donde la elevación importantecambios se producen rápidamente. El escáner láser 's DEM [fig. 4 (b)] estánsimilares a los obtenidos con el perfilador cama acústico. Aunque,Teóricamente, la mayor resolución del escáner de láser debe x

permitir que los bordes de las partículas a ser más

representativa, esto es

no observado, debido al ruido de medición. El DEM obtuvo con

estereofotogrametría [fig. 4 (c)] es de menor calidad, a pesar de

la

más alta resolución. No todas las partículas de grava son

importantes así

capturado. Inspecciones detalladas también muestran gran

ruido, incluso después de

despiking, lo cual incitará a los autores a investigar la causa de

el ruido aún más, lo que dio lugar a los cambios metodológicos

realizado en la configuración fotogramétrico presenta en la

sección 'Mejora

Configuración Stereophotogrammetric '. Los cambios dieron

lugar a una disminución de la

error reproyección. El DEM obtenido presenta en la figura. 5

utilizado

resultados de la calibración con una desviación estándar de error

reproyección

de 0,2 píxeles, en comparación con el error de reproyección para

el DEM de

Higo. 4 (c) con una desviación estándar de 1,15 píxeles. La ción

DEM

contiene todas las características dominantes de pequeña escala

de la superficie de grava-cama y

exposiciones reducen sustancialmente el ruido de medición. En consecuencia,los disminuidos resultados de error de reproyección en un atractivo visualDEM (Fig. 5), representa en una muy fina rejilla, con 0,18 mm de muestreodistancia.Funciones de distribución de probabilidadPDFs se generaron para permitir una comparación estadística de la texturaparámetros para las diversas técnicas de medición, tales como la asimetría,curtosis, rango de elevaciones, y la rugosidad verticaleslongitud. Además, es una herramienta útil para comparar maestreado inicialy camas trabajado-agua final y el estudio de la influencia de blindaje.La superficie de lecho enrasado inicial fue grabado por la acústicacama perfilador solamente.De acuerdo con estudios anteriores, por ejemplo, Aberle y Nikora(2006) y Cooper y Tait (2009), la cama maestreado inicial es negativasesgada [Fig. 6 (a)], mientras que las camas de agua son trabajado-positivamentesesgadas [Figs. 6 (b - d)], para las tres técnicas de medición.Los archivos PDF de la figura. 6 también visualizar el aumento de la geométricarugosidad durante el desarrollo de la capa de armadura, es decir, el aumento

de partículas de elevaciones más altas con respecto a la media-camanivel, que sobresalen en el flujo. Una gama más amplia de las elevaciones de la camase observa para una cama trabajado-agua [Figs. 6 (b - d)], en comparación conel rango más estrecho para una cama nivelada [fig. 6 (a)]. Como muestra la tabla 2,después de que el lecho de grava nivelada inicialmente-de trabajo de agua, la asimetríacoeficiente y la desviación estándar de la elevación de cama, s, Aumentar,y caracterizar el engrosamiento de la superficie de grava-cama.No se observó ningún cambio significativo en el valor de curtosis.Para DEM escáner láser, estadísticas similares para la limpieza seca y húmeda

se obtienen superficies, lo que indica una buena reproducibilidad de laresultados. Aunque, estadísticamente, el DEM obtenido con la inicial

stereophotogrammetric configuración, resulta en una asimetría reducida ylongitud de rugosidad, las estadísticas no varían en la medida, ya que elZ

deficiencias DEM visibles sugerirían. Las estadísticas de laDEM obtenido con la configuración stereophotogrammetric mejorado,como se obtiene en la segunda parte del estudio, no se presentan, comoel lecho de grava trabajado-agua estudiada es diferente. [Figs. 6 (b - d)]muestran que la gama de elevaciones de cama es similar para los tres DEM,pero la distribución de las elevaciones de la cama en los diferentes rangos varía.El DEM obtenidos con el perfilador acústico cama presenta lamás bajo de clasificación en las elevaciones de la cama, con la fracción más pequeña deelevaciones de la cama alrededor del nivel media cero-cama. Ruido presente en

los DEM obtenidos con el escáner láser y el stereophotogrammetric inicialconfiguración hace que más partículas se distribuyan alrededorlos cero partículas medias y menos en las elevaciones bajas y altas.Estructura de segundo orden FuncionesLa investigación anterior mostró que el valor del exponente de Hurst esinversamente proporcional al grado de complejidad e irregularidadde la superficie de grava-cama (Aberle y Nikora 2006; Cooper y Tait2009; Nikora et al. 1998). Para este estudio, la cama tiene un enrasadamás pequeño exponente de Hurst que la cama trabajado de agua, lo que sugiere

que la superficie-cama nivelada, con numerosas elevaciones cama más pequeña,es más complejo e irregular que la cama trabajado-agua,que comprende una mayor gama de elevaciones de cama (. Fig 7). Este

correlaciona bien con los experimentos anteriores de Aberle y Nikora(2006), donde los exponentes de Hurst de las camas maestreado artificial

Tal como se presenta por Aberle y Nikora (2006) y Friedrich (2010),el uso de mapas de isopletas de funciones de estructura 2D ofrece útilesinformación sobre la superficie de conformación mecanismos durante la armaduradesarrollo de la capa. Las líneas de contorno en pequeños desfases espaciales son circularespara la cama enrasada [. figura 8 (a)], lo que indica isotropía de la superficieestructura y una organización al azar, mientras que las curvas de nivel decamas trabajado con el agua se caracterizan relativamente pequeños desfases espaciales(Dx Dy ¼ ≃ D) por una forma elíptica [Figs. 8 (b - d)]. Este hallazgo

está de acuerdo con el trabajo previo de Aberle y Nikora (2006),Cooper y Tait (2009), y Goering et al. (1999). Geometricallythe forma elíptica de las líneas de contorno en general refleja la elípticaforma de las partículas dominantes y una estructura superficial anisotrópicode la cama. En este estudio, las partículas giran a alinear su eje largoa través de la dirección del flujo [Figs. 8 (b - d)], como se observa también por Goringet al. (1999).50

Sin embargo, el análisis de la función estructura muestra que el láserexposiciones DEM escáner ligeramente diferentes características de rugosidad

que los otros DEM. Los índices de rugosidad horizontales para el láserDEM escáner sugieren que las características de grano son ligeramente más largos enla dirección del flujo, mientras que los otros DEM se caracterizan por

un Dx ligeramente menor0

de Dy(Tabla 2). El mapa isopletaderivado del escáner láser DEM también requiere grandes retardos(Dx ¼ Dy = 2 · D50

0

) Para llegar a ser claramente elíptica. Los autores asumenestas observaciones son causadas por la medición inherenteel ruido de la técnica láser, pero no tienen una comprensión claraen esta etapa en la forma en que la medidas del escáner láser intrínsecaprocedimientos afectan a las características de rugosidad, como se analiza conla función de estructura.DiscusiónLas tres tecnologías de medición empleados en este estudio, teóricamentepermitir medidas de elevación de granos escala de agua trabajadoscamas en un canal de laboratorio. En su trabajo, Lane et al. (1994)estima que entre 4.000 y 10.000 puntos = m(Equivalentea 10 mm a la distancia de muestreo de 16 mm) son necesarios para estudiarla morfología de una corriente proglacial trenzado en la escala de grano.En la primera parte del estudio de laboratorio de los autores, utilizando sedimentoscon D¼ de 7 mm, DEM con resoluciones entre 160 000 y1.000.000 puntos = m50

(Equivalente a 1 mm a 2,54 mm de muestreodistancia) se obtuvieron. Para el 0,35 m de longitud y 0,3 m de ancho mediciónventana, esto equivale a aproximadamente 16.771 puntos de datos

para DEM obtenidos con el perfilador acústico cama. DEM conalrededor de 49,646 y 105,000 puntos de datos se obtuvieron para el láserescáner y configuración stereophotogrammetric inicial, respectivamente. Elanálisis estadístico de los autores mostraron que la resolución de la medidano es el único parámetro clave cuando se compara la calidad de laDEM. La configuración stereophotogrammetric inicial tuvo el mayorresolución de la medida, con estadísticas que muestran sólo un menor de edaddesviación de los otros DEM, pero la observación visual de laDEM mostró deficiencias sustanciales [fig. 4 (c)]. Los problemas fueronencontrado con el reflejo de las partículas de grava pintadas, causandoimprecisiones en la creación del mapa de las elevaciones de la superficie de cama,y por lo tanto resulta en los picos de la DEM. En comparación con la otrados técnicas de medición, estereofotogrametría requiere unaproceso de grabación de múltiples etapas (calibración de las cámaras, creandomapa de profundidad, la extracción de nube de puntos), con errores de varias etapasacumulando. Imprecisiones de calibración para la stereophotogrammetric inicialDEM [fig. 4 (c)] impidió la rectificación correcta de lagrava-cama pares estéreo a la geometría epipolar. Con estereofotogrametría,el tiempo de grabación fue el más rápido de todas las técnicasuna vez que se calibraron las cámaras, que requiere 30 minutos(Para obtener fotografías de la de tablero de ajedrez y extraer la calibraciónparámetros en MATLAB). Resultados de la calibración podrían entonces ser2

utilizado para rectificar todas las imágenes del lecho de grava adquirida con elmisma configuración, es decir, cuando se hicieron cambios en las cámarasparámetros de la geometría o configuración.El escáner láser es teóricamente la medición más precisa

instrumento para este estudio, con una precisión vertical teóricode 0,05 mm. El escaneo láser habilitado una encuesta rápida de la mediciónventana. Sin embargo, el tamaño de este último fue restringido por labrazo láser. El escaneo láser también requiere el transporte de lamuestra de grava para la ubicación del láser, y requirió la fusiónde las áreas exploradas, como a toda la ventana de medición no podíaescanear a la vez. Se encontraron picos durante la fusión

proceso, el cual tuvo que ser retirado de forma automática, pero la mediciónruido se mantuvo, reduciendo la calidad del DEM final. El restanteruido de medición, específico de la técnica de escaneo láserempleado en este estudio, se piensa que es responsable de lalas diferencias observadas en las características de rugosidad, como los obtenidos poranálisis de función de estructura.Por último, el perfilador acústico cama mide la elevación de camacon una precisión vertical teórico de 0,37 mm. Era el más2

 

equipos de medición sencilla de usar y fue el único

técnica en el estudio de los autores que permitió la medición de lalecho de grava sumergida. Durante trabajadora agua, los sedimentos de tamañosmás de 2 mm fueron transportados en suspensión, por lo que requierepara detener el experimento durante las mediciones, para asegurar que no suspendidapartículas de sedimento fueron recogidas por la grabación. Eltiempo de grabación fue la más larga de las tres técnicas estudiadas,que puede ser un inconveniente significativo cuando DEM sucesivas tienenser obtenido de los procesos de evolución.Visualmente, DEM obtenidos con el perfilador acústico y la camaescáner láser parecía muy adecuado para el análisis estadístico de rugosidad,mientras que el DEM obtenido con el stereophotogrammetric inicialconfiguración mostró una evidente falta de precisión topográfica. Siguiendoel estudio visual de los DEM, los DEM sometió estadísticaanálisis de rugosidad. La longitud de rugosidad vertical, tal como se expresacon la desviación estándar de las elevaciones de cama s, Es similar para lostodos los DEM (véase el cuadro 2). Se encontró sZ¼ 5. 36 _ 0. 4. Como se observavisualmente, bordes de los granos no fueron representados con precisión en elDEM obtenidos con el perfilador acústico cama, lo que resulta en más planatapas de grava y por lo tanto sobreestiman la desviación estándar de la camaelevación. El escáner láser permite una buena reproducibilidad de loslos resultados de los ensayos sobre una superficie de grava-cama seca y húmeda,como se ve en la Tabla 2.Resultados estadísticos de los archivos PDF y de segundo orden generalizadafunciones de estructura, tal como se presenta en las figuras. 6-8, muestran un buen acuerdopara las diferentes DEM. Diferencias estadísticas observadas ende segundo orden análisis funciones de estructura son la hipótesis de

derivarse de la presencia de ruido de medición que queda en Laserscanningy DEM stereophotogrammetric.Estudio de evaluación de los autores destacan que un visual detalladavalidación de los DEM es crucial para los estudios de grava-cama, ya que la mayoríade medición de ruido y artefactos DEM erróneas es detectable.La validación cuantitativa de la calidad del DEM sólo puede hacersemediante la comparación de las elevaciones de cama obtenidos con una verdad tierra,que a menudo es prácticamente inviable, como en los autores presentadosestudio. En este estudio, el escáner láser era

teóricamente el másinstrumento preciso, pero el ruido en el DEM impidió usar eldatos por láser escáner como una verdad tierra. Otros estudios evalúan el errorrazón de una técnica de medición mediante la comparación de varios registrosentre sí, al igual que se hizo en los estudios que emplean estereofotogrametría(Butler et al 1998;. Carbonneau et al 2003;. Chandleret al. 2001).El DEM stereophotogrammetric inicial obtenida fue decalidad inferior (Fig. 4c) y solicite pruebas adicionales para obtenerDEM de alta calidad, como la literatura de investigación mostraron que bajo costomediciones stereophotogrammetric de las topografías de grava-camaserá útil para futuros estudios. En aplicaciones hidráulicas anterioresde estereofotogrametría, se utilizaron cámaras semi-métricas (Butleret al. 1998, 2001, 2002), además de fotogramétrico comercialsoftware (Brasington y Smart 2003; Butler et al., 1998;Carbonneau et al. 2003; Chandler et al. 2001; Rapp et al. 2012;Westaway et al. 2001). La técnica de calibración se basó en automáticoajuste de bloque-bundle, o técnica de auto-calibración.Se requieren objetivos, por lo general un gran número, a convenir

sobre la superficie a inspeccionar. Las ubicaciones en 3D de los objetivos se determinancon estaciones totales Leica, para hacer la duplicidad de medicióninstrumentos en los experimentos y el aumento de la posibilidadde los errores de propagación. Además, los objetivos pegados en el lecho del ríosuperficie perturben el experimento y no son complementarios conuna topografía de lo contrario teledetección.En bajo costo de instalación stereophotogrammetric de los autores, que eradecidido utilizar la técnica de calibración Zhang (Zhang 1998), querequiere un patrón de calibración plano (llamado tablero de ajedrez) para serfotografiado en varias posiciones. Aunque requiere adicionaltiempo para obtener estas imágenes, esta técnica evita el uso de la calibraciónpuntos de control dispuestos en el lecho del río. También se consideraque la calibración Zhang será más adecuado para el trabajo de campo,donde la cobertura de área es más grande que el interior de canales de flujo de laboratorio,lo que significaría que se requieren más objetivos, en comparación con losun estudio de laboratorio. El uso de puntos de control, medida con total deestaciones, tiene sin embargo la ventaja de que proporciona informaciónpara evaluar externamente la calidad del DEM 's. Con los autores 'propuestabajo costo de instalación stereophotogrammetric, un programa de MATLAB sencillase preparó para evaluar la exactitud de la etapa de calibración,el cual fue identificado como una fuente de error para los DEM. La evaluaciónse basa en el error de reproyección. Después de la lista de control queen la sección "Mejora de configuración Stereophotogrammetric 'resultadosen un error de reproyección disminuido, lo que a su vez permite una alta calidadDEM a obtener (Fig. 5).Además de exhibir la mejor precisión cualitativamente, el DEMobtenido con la configuración stereophotogrammetric mejorado tiene un

distancia de muestreo de 0,18 mm en la superficie de grava-cama, quecorresponde a la resolución espacial más alta DEM obtenido hasta ahorapara estudios de grava-cama utilizando estereofotogrametría, en comparación conla distancia de muestreo 1 mm anterior obtenido por Carbonneau et al.(2003). Para conocimiento de los autores, sólo Ockelford y Haynes(2013) obtuvieron DEM de mayor resolución con escaneo lásery una distancia de muestreo de 0,1 mm.ConclusiónUn estudio de laboratorio para evaluar las técnicas de medición disponibles aestudiar la rugosidad hidráulica para lechos de grava se presenta. El usode un perfilador acústico cama, un escáner láser de mano y estereofotogrametríapermitido la adquisición de DEM. Técnicas de análisis,tales como la determinación de las alturas de rugosidad verticales,PDFs y funciones de la estructura de segundo orden generalizadas, se utilizanpara estudiar el campo aleatorio de elevaciones de cama, como se representa porlos DEM. Las ventajas y desventajas de los tres dasSe discuten técnicas medi- en uso, así como su idoneidadpara la obtención de DEM para el análisis de la rugosidad estadística.Los resultados muestran que las tres técnicas de medición utilizadaspara este estudio son capaces de DEM de grabación con distancias de muestreolo suficientemente pequeño como para examinar un lecho de grava en evolución en elescala de grano en condiciones de laboratorio, utilizando una mezcla de sedimentos conD¼ de 7 mm. El análisis estadístico resultó en vertical como se describeasí como las características de rugosidad horizontales. Aunque, visualmente,diferencias en los DEM obtenidos con diferentes técnicas de mediciónse observan, los resultados del análisis estadístico elegido hacerno revelar las diferencias visuales en la misma medida. Mejorar

Calidad DEM no sólo es fundamental para una representación realista deuna superficie, sino también para la interpretación de las propiedades de escala de la superficie,tales como los obtenidos por análisis de la función estructura.50

La precisión de la DEM obtenido con estereofotogrametríaen la primera parte de este estudio es inferior a los DEM obtenidos conlas otras técnicas, que no estaban de acuerdo con lo que es teóricamentealcanzable con un sistema stereophotogrammetric. Los autores por lo tanto,

cambios presentados realizados en la configuración, lo que resulta en la más altagrava-cama resolución DEM obtenido con estereofotogrametría,30. 8 millones de puntos = m. El resultado merece una mayor investigación sobreel establecimiento de sistemas stereophotogrammetric no propietarios paraestudios de transporte de sedimentos. Es necesario trabajar para preparar una gravelbedverdad terreno para validar cuantitativamente exactitud el DEM 'sobtenido con el sistema de stereophotogrammetric no patentado.El siguiente paso es emplear y validar el sistema bajo el agua,y obtener DEM para estudiar el comportamiento dinámico de los lechos de gravaen la escala de grano.Agradecimientos2

Aplicación fotogramétrica se llevó a cabo en colaboración conel Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad de Auckland.Los autores desean agradecer especialmente Patrice Delmas,Alfonso Gastelum Strozzi, y Edwin Chan por su valiosa aportaciónen la obtención de los datos stereophotogrammetric. El escaneo láser fuerealizado con la ayuda del Departamento de Ingeniería Mecánica,La Universidad de Auckland. Los autores deseangracias Katherine Heays, quien introdujo el primer autor en la

entorno de laboratorio. Los Mecánica de Fluidos Técnicos de laboratorioGeoff Kirby y Jim Luo ayudaron en la realización de los experimentos.Los comentarios de los tres revisores anónimos y de la asociadaeditor ayudó a mejorar este artículo.ReferenciasAberle, J., y Nikora, V. (2006). "Propiedades estadísticas de grava blindado

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