MATLAB圖像處理技術(shù)在水環(huán)境擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

牟天瑜，武周虎*，周立儉，楊正濤，吉愛(ài)國(guó)

（1. 青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 青島理工大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，山東 青島 266033）

MATLAB圖像處理技術(shù)在水環(huán)境擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

牟天瑜1，武周虎1*，周立儉2，楊正濤1，吉愛(ài)國(guó)2

（1. 青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 青島理工大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，山東 青島 266033）

基于MATLAB建立示蹤劑濃度的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，對(duì)示蹤劑濃度圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，以便研究復(fù)雜岸坡水體中示蹤劑的擴(kuò)散規(guī)律。在立面二維槽中槽復(fù)雜岸坡斷面角形域排放的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用數(shù)碼相機(jī)記錄示蹤劑濃度擴(kuò)散的一系列瞬時(shí)圖像，對(duì)示蹤劑擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行處理提?。辉俑鶕?jù)比色（皿）標(biāo)定實(shí)驗(yàn)把灰度值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的濃度值，使示蹤劑的擴(kuò)散圖像以等濃度線圖的形式顯示，實(shí)現(xiàn)了濃度分布數(shù)據(jù)讀取的可視化。結(jié)果表明，基于MATLAB數(shù)學(xué)工具建立的示蹤劑濃度的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，對(duì)研究水體中擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的示蹤劑濃度場(chǎng)是可行的。

MATLAB；圖像處理技術(shù)；復(fù)雜岸坡；擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)；濃度分布

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化水平的提高，生活和工業(yè)用水高度集中引起污水的集中排放，污水大多通過(guò)江河水庫(kù)岸邊的排污口進(jìn)入水體，自然水體中的污染物在岸坡角形域頂點(diǎn)排放的擴(kuò)散與邊界反射往往非常復(fù)雜，橫向與垂向擴(kuò)散系數(shù)一般不相等[1-3]。污水進(jìn)入環(huán)境水體后受岸坡地形以及紊流擴(kuò)散等影響，在排污口附近將形成復(fù)雜的高濃度污染混合區(qū)。針對(duì)不同岸坡地形及紊流條件，對(duì)這一區(qū)域污染物的濃度擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行探索研究，是對(duì)水環(huán)境進(jìn)行功能區(qū)劃分、管理決策、綜合整治的重要依據(jù)和技術(shù)環(huán)節(jié)。

MATLAB集圖像處理、科學(xué)計(jì)算、語(yǔ)音、視頻處理于一身，而且本身帶有大量集成的函數(shù)，在水環(huán)境中的應(yīng)用非常廣泛，越來(lái)越多的研究者將MATLAB的數(shù)據(jù)分析、建模仿真應(yīng)用到水環(huán)境的管理、評(píng)價(jià)和模型預(yù)測(cè)中。孟憲林等[4]將水體污染物遷移擴(kuò)散方程簡(jiǎn)化建立水質(zhì)模型，借助MATLAB平臺(tái)對(duì)突發(fā)性水體污染進(jìn)行濃度預(yù)測(cè)；羅定貴[5]等通過(guò)MATLAB工具箱函數(shù)應(yīng)用徑向基網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行區(qū)域地下水質(zhì)評(píng)價(jià)；張衛(wèi)兵等[6]將未知測(cè)度模型建立過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，再利用MATALB編程進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)；安靜華等[5]用Visual Basic編程語(yǔ)言調(diào)用MATLAB工具箱中數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能，構(gòu)建二維穩(wěn)態(tài)河流水環(huán)境數(shù)字化評(píng)價(jià)平臺(tái)；朱長(zhǎng)軍等[7]將MATLAB的運(yùn)算功能和VB良好的用戶界面結(jié)合設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。在獲取濃度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)時(shí)，通常使用的流動(dòng)測(cè)量?jī)x器如壓力和電導(dǎo)探頭等都只能提供流場(chǎng)中有限點(diǎn)的數(shù)據(jù)，且移動(dòng)探頭會(huì)對(duì)取樣點(diǎn)附近的流場(chǎng)造成干擾，數(shù)據(jù)讀取與實(shí)際流場(chǎng)也存在不同步性，導(dǎo)致所測(cè)流場(chǎng)濃度與實(shí)際濃度存在較大誤差。在科學(xué)研究中，可以通過(guò)圖像對(duì)一些物理現(xiàn)象進(jìn)行直觀描述，隨著環(huán)境水力學(xué)、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)已被應(yīng)用到濃度場(chǎng)的研究中。沈良朵等[8]應(yīng)用CCD攝像設(shè)備和MATLAB的圖像處理功能對(duì)海岸污染物擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量；盧曦等[9]利用煙霧粒子的積分濃度與數(shù)字圖像強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了煙霧擴(kuò)散的非定常瞬時(shí)全場(chǎng)濃度的定量測(cè)量；晁曉波、趙文謙[10]在明渠懸沙濃度場(chǎng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索；武周虎等[11]在天然河庫(kù)傾斜岸坡角形域頂點(diǎn)排污濃度分布的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究中，基于研制的傾斜岸坡角形域頂點(diǎn)排污立面二維擴(kuò)散水槽實(shí)驗(yàn)裝置，借助數(shù)字圖像采集與處理技術(shù)進(jìn)行深水濃度場(chǎng)的測(cè)量，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論解析解對(duì)比分析。

數(shù)字圖像處理技術(shù)在水環(huán)境擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用，對(duì)于環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展與完善具有重要的推動(dòng)作用，可解決水體濃度場(chǎng)測(cè)量中存在的諸多問(wèn)題。本研究基于MATLAB數(shù)學(xué)工具建立示蹤劑濃度的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，對(duì)水體中擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行二維等濃度線的繪制，實(shí)現(xiàn)濃度分布數(shù)據(jù)讀取可視化。

1 濃度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定

1.1 濃度場(chǎng)測(cè)量原理

為模擬傾斜岸坡天然河庫(kù)中某個(gè)截面上的污染物擴(kuò)散過(guò)程并取得良好的實(shí)驗(yàn)效果，采用立面二維槽中槽擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在角形域水槽擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校x擇顏色明顯的羅丹明B作為示蹤物質(zhì)，使用數(shù)碼相機(jī)采集不同時(shí)間條件下的示蹤劑擴(kuò)散圖像，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的濃度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。羅丹明B在水中溶解后顏色為紅色，濃度較大時(shí)顏色深，對(duì)應(yīng)的灰度值小，這種顏色深淺的變化即反映了示蹤劑濃度的大小。配置一定濃度的示蹤劑溶液作為標(biāo)準(zhǔn)系列，找到濃度與灰度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將采集到的圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，借助MATLAB平臺(tái)，將立面水槽中示蹤劑的二維濃度場(chǎng)以等濃度線圖的形式輸出在顯示器上。立面二維槽中槽水體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)與濃度場(chǎng)拍攝示意圖1和圖2。

圖1 示蹤劑濃度場(chǎng)拍攝示意圖

圖像采集的質(zhì)量對(duì)于獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)過(guò)程在室內(nèi)進(jìn)行，光線較弱且分布不均勻，這將影響濃度所對(duì)應(yīng)灰度值的大小，降低獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。經(jīng)過(guò)研究分析，在玻璃水槽后設(shè)置白色幕布，均勻布置背景光源，實(shí)驗(yàn)室采光窗戶均掛上深色布簾，以降低外界環(huán)境光照因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)圖像處理中，也會(huì)采用一些算法來(lái)降低光照不均勻的影響。

1.2 濃度-灰度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

在圖像處理的過(guò)程中首先需要確定濃度與灰度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，配置已知濃度的示蹤劑溶液作為標(biāo)準(zhǔn)系列進(jìn)行拍照（見(jiàn)圖3），對(duì)所得圖片去除噪聲，進(jìn)行灰度化處理，得到對(duì)應(yīng)的灰度值，使用MATLAB對(duì)示蹤劑濃度與對(duì)應(yīng)灰度進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖4。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)系列濃度圖片

圖4 灰度-濃度關(guān)系曲線

繪制灰度與濃度的散點(diǎn)圖，進(jìn)行曲線擬合，得到曲線對(duì)應(yīng)的灰度與濃度關(guān)系為：

2 濃度場(chǎng)圖像處理方法

MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)單且?guī)в写罅康募珊瘮?shù)，對(duì)于所得濃度場(chǎng)的瞬時(shí)擴(kuò)散圖像，選擇MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行仿真處理，具體流程見(jiàn)圖5。首先對(duì)讀入的圖像進(jìn)行濾波處理，同態(tài)濾波是一種在頻域中同時(shí)壓縮灰度范圍和增強(qiáng)對(duì)比度的方法。在擴(kuò)散圖像采集過(guò)程中，由于攝像條件和被攝物體局部表面對(duì)光線的吸收與反射性能不同等，常出現(xiàn)光照分布不均勻的現(xiàn)象，這對(duì)處理圖片的效果影響很大。示蹤劑擴(kuò)散過(guò)程中采集到的瞬時(shí)濃度分布圖像，要研究的部分顏色較深，灰度值小，細(xì)節(jié)辨認(rèn)難度大，光照不均勻?qū)⒂绊懯聚檮舛人鶎?duì)應(yīng)的灰度值大小。現(xiàn)有的處理不均勻光照，提高圖片對(duì)比度的主要方法有灰度變換、直方圖均衡化、同態(tài)濾波、Gamma矯正等算法。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的仿真比較，本研究采用同態(tài)濾波算法。為了降低實(shí)驗(yàn)所得圖像的噪聲，使圖像平滑，有利于后續(xù)處理，選擇中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。圖7～圖11為示蹤劑瞬時(shí)擴(kuò)散圖像處理仿真的主要步驟。

圖5 圖像處理流程

圖6 原始圖像

圖7 形態(tài)學(xué)處理仿真圖

實(shí)驗(yàn)采集到的圖片上用于震蕩產(chǎn)生紊流條件的鐵絲網(wǎng)格對(duì)之后的濃度線處理影響很大，經(jīng)過(guò)多組圖片的處理仿真比較，發(fā)現(xiàn)采用先腐蝕后膨脹的開(kāi)運(yùn)算處理仿真效果較好，可以消除震蕩格柵對(duì)后續(xù)處理的影響，圖7為形態(tài)學(xué)處理仿真圖。形態(tài)學(xué)處理之后，提取要研究液體的擴(kuò)散區(qū)域。首先要進(jìn)行顏色空間模型的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)選取多幅圖片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)算法研究，將RGB彩色空間分別轉(zhuǎn)換到HSV和YCbCr彩色空間[12]，對(duì)示蹤劑擴(kuò)散輪廓進(jìn)行提取比較，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr彩色空間提取的輪廓與原圖像吻合較好，使用MATLAB中的rgb2ycbcr函數(shù)，編寫代碼簡(jiǎn)單。將示蹤劑擴(kuò)散圖像轉(zhuǎn)化到Y(jié)CbCr彩色空間，見(jiàn)圖8。提取Cr分量即仿真出紅色液體擴(kuò)散的輪廓后對(duì)Cr分量圖像進(jìn)行k均值聚類分割，提取二值化后的擴(kuò)散輪廓，見(jiàn)圖9。然后將之前經(jīng)過(guò)濾波和形態(tài)學(xué)處理后的圖像填充到輪廓中。對(duì)提取后的紅色液體區(qū)域進(jìn)行二次濾波，與第一次濾波相同，這里同樣選擇中值濾波算法消除噪聲使圖像平滑。圖10為二次濾波后的圖像。

圖8 YCbCr彩色模型

圖9 擴(kuò)散區(qū)域輪廓

圖10 二次濾波圖

圖11 仿真的等值面圖

經(jīng)過(guò)以上算法的處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集到的示蹤劑擴(kuò)散圖像已轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行等濃度線繪制的灰度圖。首先由配置的標(biāo)準(zhǔn)系列得到的灰度與濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，將灰度G轉(zhuǎn)換成濃度C，然后利用MATLAB中的contour與contourf函數(shù)對(duì)灰度圖像進(jìn)行等濃度曲線與等值面的繪制。圖10即為處理完的示蹤物質(zhì)濃度等值面圖。

由圖9可以看出提取的示蹤劑擴(kuò)散輪廓清晰，與擴(kuò)散軌跡符合程度較好，而后對(duì)輪廓進(jìn)行填充后再次中值濾波，如圖10所示，得到了平滑的灰度圖像，最后得到的圖11中的示蹤劑濃度等值面圖，濃度曲線較為平滑，不同坐標(biāo)的擴(kuò)散濃度清晰易讀。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在立面二維復(fù)雜岸坡水體斷面頂點(diǎn)排放實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出采用數(shù)字圖像處理的方法進(jìn)行二維濃度場(chǎng)的測(cè)量，采用羅丹明B作為示蹤物質(zhì)，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄示蹤劑擴(kuò)散的一系列瞬時(shí)圖像。

（2）基于MATLAB數(shù)學(xué)工具，應(yīng)用圖像處理的方法對(duì)采集到的示蹤劑擴(kuò)散圖像進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)同態(tài)濾波、中值濾波、顏色空間模型轉(zhuǎn)換和聚類分割等算法處理后最終得到效果較好的等濃度分布曲線，實(shí)現(xiàn)了濃度分布數(shù)據(jù)讀取的可視化，反映了示蹤劑在水中輸移擴(kuò)散的基本特征。

（3）建立的示蹤劑濃度的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，為探索示蹤劑的擴(kuò)散規(guī)律提供了有效的測(cè)量手段。為進(jìn)一步研究、檢驗(yàn)和修正特定條件下的示蹤劑濃度擴(kuò)散模型提供了有效的方法。

[1]武周虎.傾斜岸坡角形域頂點(diǎn)排污濃度分布的理論分析[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41（8）：997-1002，1008.

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（編輯：程 ?。?/p>

The Application of MATLAB Image Processing Technology in The Research on Diffusion Experiment of Water Environment

Mu Tianyu1，Wu Zhouhu1*，Zhou Lijian2,Yang Zhengtao1,Ji Aiguo2
（1.School of Environmental and Municipal Engineering,Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266033,China；2.School of Communication and Electronic Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao Shandong 266033,China）

The digital image processing technology oftracer concentrationmodel was based on MATLAB.Tracer concentration images in the diffusing test were dealt with a digital processing to study the concentration distribution in the water body of complex-bank.A series of instantaneous images were taken by a digital camera after the tracer was discharged into vertical two-dimensional complex-tank during the distribution experiment.Next,the area of tracer diffusion was extracted,and the gray value was converted to corresponding concentration according to colorimetric calibration experiment.After these steps,the isoline map was established and the visualization of the tracer concentration gradient was realized.The results indicated that it was effective toinvestigate tracer concentration diffusion through this digital image processing technology based on MATLAB.

MATLAB,digital image processing,complex bank,diffusion experiment,concentration distribution

X524

A

1008-813X（2015）05-0058-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.05.15

2015-09-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目《復(fù)雜岸坡河庫(kù)岸邊排放濃度分布規(guī)律及側(cè)向與垂向擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究》（51379097）

牟天瑜（1991-），女，山東濰坊人，青島理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)碩士研究生在讀，主要從事水環(huán)境模擬與污染評(píng)估方面的研究。

*通訊作者：武周虎（1959-），男，陜西岐山人，畢業(yè)于四川大學(xué)水利工程專業(yè)，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境水力學(xué)與水環(huán)境模擬研究。