吳瑾乙 彭素

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

引言

天然礫石層河道由非均勻分布在不同空間尺度上的非均勻粒徑顆粒組成[1]。產(chǎn)卵場(chǎng)河床底質(zhì)礫石粒徑分布的量化仍然是水力學(xué)、地貌學(xué)、生態(tài)學(xué)研究河床特性的一大挑戰(zhàn)[2]。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、準(zhǔn)確的粒徑分布測(cè)量方法是環(huán)境和土木工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。

人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量卵礫石粒徑分布是一項(xiàng)復(fù)雜并且繁瑣的工作。目前河床礫石粒徑人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法有4種：卵石計(jì)數(shù)法，體積法，網(wǎng)格法和面積法[3]。一般來(lái)說(shuō)，這些人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法需要大量時(shí)間并且需要深入實(shí)地工作，所以采取人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲取河床底質(zhì)礫石粒徑分布是不經(jīng)濟(jì)的方式。目前研究河床底質(zhì)特性亟需一套能夠準(zhǔn)確估計(jì)河床底質(zhì)粒徑分布并且快速的取樣技術(shù)。

20世紀(jì)70年代，國(guó)外出現(xiàn)了在現(xiàn)場(chǎng)拍攝數(shù)字照片，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行人工識(shí)別礫石，利用標(biāo)尺功能法人工計(jì)算礫石粒徑分布，雖然這種方式減少了野外作業(yè)時(shí)間，但是這類(lèi)方法仍需要在實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行人工識(shí)別礫石邊緣[4]。最近在圖像處理技術(shù)中開(kāi)發(fā)出一種從河床底質(zhì)數(shù)字照片中自動(dòng)提取礫石粒徑代替人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量河床底質(zhì)礫石粒徑的方法。上述研究表明，圖像處理技術(shù)方法優(yōu)于傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，極有可能取代復(fù)雜和耗時(shí)的人工采樣方法[5]。

圖像分割中最常用的方法之一是分水嶺變換算法(WST)。然而WST容易引起過(guò)度分割而導(dǎo)致在自動(dòng)測(cè)量粒徑分布過(guò)程中造成誤差。本文通過(guò)標(biāo)記前景對(duì)象和背景位置來(lái)解決分水嶺變換過(guò)度分割問(wèn)題。并采用形態(tài)學(xué)腐蝕、膨脹、刪除等操作，得到分割效果較好的二值圖像方便后續(xù)測(cè)量河床底質(zhì)粒徑分布。

本研究的主要目的是通過(guò)結(jié)合標(biāo)記前景對(duì)象和多級(jí)閾值分水嶺變換開(kāi)發(fā)的一種改進(jìn)圖像處理方法，以改善WST方法引起的過(guò)度分割而導(dǎo)致的測(cè)量方法誤差。在實(shí)驗(yàn)室將WST、B-FS和人工測(cè)量方法進(jìn)行比較，以證明本文方法的可靠性。

1 方法

本文提出了一種融合標(biāo)記前景對(duì)象和多級(jí)閾值分水嶺變換的圖像處理方法(B-FS法)，基于河床底質(zhì)數(shù)字照片對(duì)礫石粒徑分布進(jìn)行自動(dòng)提取。提出的B-FS方法包括4個(gè)主要部分：圖像預(yù)處理，圖像前景標(biāo)記對(duì)象，圖像分割，最大直徑測(cè)量。

1.1 圖像預(yù)處理

在圖像預(yù)處理階段，礫石擺放分為2種工況：工況1，將各種礫石整齊放置在面積為1m2的方形底板中；工況2，將各種礫石隨機(jī)放置在面積為1m2的方形底板中。圖像預(yù)處理進(jìn)行3個(gè)步驟：圖像平滑處理，采用的方法是目前比較流行的中值濾波，中值濾波器對(duì)濾除脈沖噪聲及顆粒噪聲最為有效；圖像銳化，采用直方圖修正法可以拉開(kāi)圖像灰度的間距或是灰度分布均勻，從而加大反差使得圖像細(xì)節(jié)清晰；梯度幅度邊緣算子檢測(cè)，處理速度快。

圖1 圖像預(yù)處理過(guò)程圖

圖2 梯度幅度邊緣檢測(cè)

1.2 前景標(biāo)記制作

標(biāo)記控制流域分割的標(biāo)記必須是每個(gè)前景對(duì)象內(nèi)連接的像素斑點(diǎn)用作初始對(duì)象，基于標(biāo)記分水嶺線可以定位礫石邊界，因此標(biāo)記將會(huì)加入WST中圖像分割過(guò)程，這種方法可有效解決WST導(dǎo)致的過(guò)度分割問(wèn)題。所以首先進(jìn)行的是利用形態(tài)系數(shù)侵蝕擴(kuò)張，形態(tài)重建得到一個(gè)完整內(nèi)部連接像素斑點(diǎn)。在這個(gè)階段設(shè)置1個(gè)閾值調(diào)控，選用形狀系數(shù)大小則是第1個(gè)閾值調(diào)節(jié)。

1.3 圖像分割

圖像分割方法采用分水嶺變換法，分水嶺計(jì)算分為2個(gè)步驟：排序過(guò)程，淹沒(méi)過(guò)程。對(duì)每個(gè)像素的灰度級(jí)進(jìn)行從低到高排序，從低到高實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)過(guò)程，對(duì)每一個(gè)局部極小值在h階高度的影響域采用先進(jìn)先出結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷及標(biāo)注。

圖3 前景標(biāo)記制作過(guò)程圖

圖4 圖像分割結(jié)果

1.4 最大直徑測(cè)量

圖5 最大直徑測(cè)量過(guò)程圖

根據(jù)上述得出的圖像分割輪廓信息，只需要計(jì)算圖像分割后的圖像輪廓中2點(diǎn)最大距離La。

(xi,yi)和(xj,yj)為邊緣路徑上2點(diǎn)，且i≠j。由標(biāo)尺功能法將像素與長(zhǎng)度之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到真實(shí)的礫石最大直徑。

2 結(jié)果

為驗(yàn)證B-FS方法的可靠性和優(yōu)越性，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行3種方法，分別是B-FS、WST和人工測(cè)量。本文認(rèn)為，人工測(cè)量結(jié)果為礫石粒徑分布的真實(shí)值，將B-FS和WST與真實(shí)值進(jìn)行比較，分析B-FS結(jié)果與真實(shí)值結(jié)果的差異性，以及分析B-FS結(jié)果和WST結(jié)果優(yōu)劣性。

圖6 工況2中3種方法百分比累計(jì)圖

圖7 工況2中3種方法百分比直方圖

圖6和圖7分別是工況2情況下，3種方法的百分比累計(jì)圖和百分比直方圖。對(duì)于工況2的情況，B-FS方法中值粒徑D50是78.1，人工測(cè)量方法中中值粒徑D50是75.7，WST方法中中值粒徑D50則是62.9。

為進(jìn)一步用數(shù)據(jù)證明B-FS方法優(yōu)于WST方法，將3種方法在IBM SPSS Statistics 26中進(jìn)行相關(guān)性分析。

表1 3種方式測(cè)量結(jié)果相關(guān)性分析

本文以人工測(cè)量方式當(dāng)作真實(shí)值，將B-FS和WST方法進(jìn)行比較，由表1可以看出，B-FS相對(duì)于WST更接近于真實(shí)值，在相關(guān)性分析中B-FS方法與真實(shí)值相關(guān)性系數(shù)高達(dá)0.998，而WST與真實(shí)值相關(guān)系數(shù)為0.945，從數(shù)據(jù)上證明本文B-FS方法更優(yōu)于WST方法，并且具有更高的可靠性。

3 結(jié)論

河流礫石粒度分布的量化是水力學(xué)、地貌學(xué)和生態(tài)研究河道特性的一個(gè)重要問(wèn)題。本文研究向自動(dòng)化測(cè)量粒徑分布的實(shí)際應(yīng)用又邁進(jìn)一步。為了提高粒徑分布測(cè)量中圖像分割質(zhì)量，提出一種融合標(biāo)記前景對(duì)象和多級(jí)閾值分水嶺變換的圖像處理算法(B-FS法)。本研究的主要成果，從原始圖像中找到圖內(nèi)連接的像素斑點(diǎn)用作初始對(duì)象，并將初始對(duì)象生成標(biāo)記，自動(dòng)生成的標(biāo)記可以控制WST中出現(xiàn)的過(guò)度分割問(wèn)題；加入閾值調(diào)節(jié)區(qū)，采用多閾值調(diào)節(jié)技術(shù)，更好剔除復(fù)雜背景，將礫石輪廓完整的從復(fù)雜背景中提取出來(lái)，從而有助于解決過(guò)度分割問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室中B-FS方法測(cè)量出的結(jié)果和人工測(cè)量結(jié)果之間只存在微小差距。所以本文提出的B-FS在粒徑分布測(cè)量中提供了非常有效和準(zhǔn)確的估計(jì)，具有良好的可靠性，因此可以有效地應(yīng)用于未來(lái)的工程研究。