基于光学的波浪测量方法在波态研究中的应用
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家 海洋 发 展 战 略 中具 有 举 足轻 重 的地 位 ［ １ － ２ ］ ｏ然 而 ，在 模拟 海 洋环 境 的实 验 室 内 ，主要根 据设 计要 求 ，在
试验段 内布置若干个波浪采集传感器 ，通过采集到的波浪信号进行波高 、周期等波浪要素的分析 ； 利用波 浪要素进行波态研究 ，获得波浪的空间运动形态 ，对护岸工程设计等有重要参考价值。
马腾 飞 ，王收 军 ，陈 汉 宝 ，黄 美玲
（ １ ． 天津理工大学，天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ；２ ． 交通运输部天津水运工程科学研究所 港 口水工建筑技术国家工程实验 室 工程泥沙交通行业重点实验 室，天津 ３ ０ ０ ４ ５ ６ ）
摘 要： 针 对大 比尺 波浪水槽 的实验环境特 点 ，提 出了基 于光学影像 系统 的波浪测量方法 ，并 将该方 法应用 于波 态研究 。其 工作原 理是 ： 在水 槽上 边缘俯 视拍摄 波浪表 面和 水槽侧 壁 ，依据 给定 的采样 频率完 成图像 的截取 ，通 过刻度 尺标定 、图像分割 、灰度化 、 图像平 滑滤波 、波 面识别来获 取波面 数 据 ，进而进行 波态研究 ，获得 波浪在水槽 中的空间形态 。经实验验证 ，此方 法实现 了非接触测量 ， 具 有高精度 、高灵敏度 、高稳定性 的特点 ，在 波浪测量 与监 测方面具有广 阔的应用前景 。
＿
－
图像处理 的速度 ，最终选取摄像机型号为海康威视网络摄像机 Ｄ Ｓ 一 ２ Ｃ Ｄ ３ Ｔ ３ ５ 一 Ｉ ５ ，分辨率 为 ２ ０ ４ ８ ×１ ５ ３ ６ ，帧率为 ２ ５ ｆ ｐ ｓ ，镜
第 ３ ８ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ７年 ６月
水
道
港 口
Ｖ０ １ ． ３ ８ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅｒ ｗａ ｙ ａｎ ｄ Ｈａ ｒ ｂ ｏ ｒ
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ７
基 于 光 学 的 波 浪 测 量 方 法 在 波 态ຫໍສະໝຸດ Baidu研 究 中 的 应 用
１ 大 比尺波浪 水槽波 高测量条件
大 比尺 波浪 水槽 总 长 ４ ５ ０ ｍ，其 中造 波 段长 ４ ２ ｍ、试 验 段长 １ １ ６ ｍ、生波 段 和消能段 合计 长 约 ２ ９ ８ ｍ。
水槽槽体宽达 ５ ｍ 、深达 ８ １ ２ ｍ，产生 的波浪最大 ３ ． ５ ｍ，水流 ２ ０ ｍ 。 ／ ｓ ，可以进行 １ ／ ５ 到１ ／ １ 的大 比尺模 型实验 。在该水槽中进行实验 ，对波高传感器有以下几点要求 ： 水 槽 中试 验 段 内可 进 行 １ ． ５ ～ ６ ｍ水 位 的实 验 ，波 高 最 大 能 达到 ３ ． ５ ｍ，所 以波高传感器的量程至少要覆盖实验过程 中波浪
关键词 ： 波高； 数字 摄像机 ； 图像处 理 ； 波 态研 究
中 图分 类号 ： Ｐ ２ ２ ９ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ５ — ８ ４ ４ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ３ ～ ０ ３ ０ ８ — ０ ５
人类在认识、研究以及开发利用海洋的过程中 ，对于波浪特征要素的描述是最基本 ，也是最重要 的。 对 波浪进 行 监测 ，获 得第 一手 的波浪 资料 ，在航 海安 全 、海洋 工程 设计 与施 工 、海 洋 灾害监 测 预警 以及 国
Ｂ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ： ＭＡ Ｔ ｅ ｎ ｇ — ｆ ｅ ｉ （ １ ９ ８ ９ － ） ， ｍａ ｌ ｅ ， ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｎ ｔ ．
２ ０ １ ７ 年６ 月
马腾飞 ， 等 基于光学 的波浪测量方法在波态研究 中的应用
３ ０ ９
镜头的选取 ，刻度尺 的标注和标定 ； 视频采集是通过一台录像 机连接数 台摄像机完成 的； 图像处 理中包括图像 的转化 、感兴 趣 区域提取 、灰度化 、平滑滤波、波面识别与计算。 ２ ． １ 摄 像 机 的选取 综合 考虑大 比尺波浪水槽 的实验环境 、测量 的精度要求、
基金项 目： 科技部 国际科技合作与交流专项 ： 港湾 突发性 溢油应急及生态修 复技术合 作研 发 （ ２ ０ １ ５ Ｄ Ｆ Ａ ９ ０ ２ ５ ０ ）
通 讯作者 ： 陈汉 宝 （ １ ９ ７ １ 一） ，男 ，博士 ，研究员 ，主要从事港 口航道工程 方面的工作 。Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｅ ｈ ｅ ｎ ｈ ａ ｎ ｂ ａ ｏ ＠１ ６ ３ ． Ｃ Ｏ Ｌ Ｄ ． 。
的运动 范 围 ，即 ０ ～ ８ ｍ，精度 达到 测量 量程 的 １ ‰ （ 约 １ ｃ ｍ） ； 水槽 中水 质略 显浑 浊 ，其 中含少 量 废弃 消波 材料 的漂 浮 物 ，
在大波浪的冲击下 ，需要波高传感器具有抗冲击的能力 ，维护
方 便 ，经久 耐用 ； 水槽 试 验 段长 １ １ ６ ｍ，宽 ５ ｍ，为保 证 波浪 行 进过 程 中 的形
图 １ 基于光学 的波浪测量 系统 图
Ｆ ｉ ｇ 。 １ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｗａ ｖ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
态不受测量设备的影响， 传感器体积不宜过大， 且易安装 ． ． 易移动。
２ 基 于 光 学 的 波 浪 测 量 系统 的构 成
该系统包括波浪测量硬件选取、 视频采集 、 图像处理三部分（ 如图 １ ｏ 其 中硬件选取包括摄像机的选取 ，
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — １ ０ — ２ ５ ： 修 回 日期 ： ２ ０ １ ６ — １ ２ — １ ４
作者简 介 ： 马腾飞 （ １ ９ ８ ９ 一） ，男 ，河 北省廊坊人 ，硕士研究 生 ，主要从事机械工程方 向研究工 作。
试验段 内布置若干个波浪采集传感器 ，通过采集到的波浪信号进行波高 、周期等波浪要素的分析 ； 利用波 浪要素进行波态研究 ，获得波浪的空间运动形态 ，对护岸工程设计等有重要参考价值。
马腾 飞 ，王收 军 ，陈 汉 宝 ，黄 美玲
（ １ ． 天津理工大学，天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ；２ ． 交通运输部天津水运工程科学研究所 港 口水工建筑技术国家工程实验 室 工程泥沙交通行业重点实验 室，天津 ３ ０ ０ ４ ５ ６ ）
摘 要： 针 对大 比尺 波浪水槽 的实验环境特 点 ，提 出了基 于光学影像 系统 的波浪测量方法 ，并 将该方 法应用 于波 态研究 。其 工作原 理是 ： 在水 槽上 边缘俯 视拍摄 波浪表 面和 水槽侧 壁 ，依据 给定 的采样 频率完 成图像 的截取 ，通 过刻度 尺标定 、图像分割 、灰度化 、 图像平 滑滤波 、波 面识别来获 取波面 数 据 ，进而进行 波态研究 ，获得 波浪在水槽 中的空间形态 。经实验验证 ，此方 法实现 了非接触测量 ， 具 有高精度 、高灵敏度 、高稳定性 的特点 ，在 波浪测量 与监 测方面具有广 阔的应用前景 。
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图像处理 的速度 ，最终选取摄像机型号为海康威视网络摄像机 Ｄ Ｓ 一 ２ Ｃ Ｄ ３ Ｔ ３ ５ 一 Ｉ ５ ，分辨率 为 ２ ０ ４ ８ ×１ ５ ３ ６ ，帧率为 ２ ５ ｆ ｐ ｓ ，镜
第 ３ ８ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ７年 ６月
水
道
港 口
Ｖ０ １ ． ３ ８ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅｒ ｗａ ｙ ａｎ ｄ Ｈａ ｒ ｂ ｏ ｒ
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ７
基 于 光 学 的 波 浪 测 量 方 法 在 波 态ຫໍສະໝຸດ Baidu研 究 中 的 应 用
１ 大 比尺波浪 水槽波 高测量条件
大 比尺 波浪 水槽 总 长 ４ ５ ０ ｍ，其 中造 波 段长 ４ ２ ｍ、试 验 段长 １ １ ６ ｍ、生波 段 和消能段 合计 长 约 ２ ９ ８ ｍ。
水槽槽体宽达 ５ ｍ 、深达 ８ １ ２ ｍ，产生 的波浪最大 ３ ． ５ ｍ，水流 ２ ０ ｍ 。 ／ ｓ ，可以进行 １ ／ ５ 到１ ／ １ 的大 比尺模 型实验 。在该水槽中进行实验 ，对波高传感器有以下几点要求 ： 水 槽 中试 验 段 内可 进 行 １ ． ５ ～ ６ ｍ水 位 的实 验 ，波 高 最 大 能 达到 ３ ． ５ ｍ，所 以波高传感器的量程至少要覆盖实验过程 中波浪
关键词 ： 波高； 数字 摄像机 ； 图像处 理 ； 波 态研 究
中 图分 类号 ： Ｐ ２ ２ ９ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ５ — ８ ４ ４ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ３ ～ ０ ３ ０ ８ — ０ ５
人类在认识、研究以及开发利用海洋的过程中 ，对于波浪特征要素的描述是最基本 ，也是最重要 的。 对 波浪进 行 监测 ，获 得第 一手 的波浪 资料 ，在航 海安 全 、海洋 工程 设计 与施 工 、海 洋 灾害监 测 预警 以及 国
Ｂ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ： ＭＡ Ｔ ｅ ｎ ｇ — ｆ ｅ ｉ （ １ ９ ８ ９ － ） ， ｍａ ｌ ｅ ， ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｎ ｔ ．
２ ０ １ ７ 年６ 月
马腾飞 ， 等 基于光学 的波浪测量方法在波态研究 中的应用
３ ０ ９
镜头的选取 ，刻度尺 的标注和标定 ； 视频采集是通过一台录像 机连接数 台摄像机完成 的； 图像处 理中包括图像 的转化 、感兴 趣 区域提取 、灰度化 、平滑滤波、波面识别与计算。 ２ ． １ 摄 像 机 的选取 综合 考虑大 比尺波浪水槽 的实验环境 、测量 的精度要求、
基金项 目： 科技部 国际科技合作与交流专项 ： 港湾 突发性 溢油应急及生态修 复技术合 作研 发 （ ２ ０ １ ５ Ｄ Ｆ Ａ ９ ０ ２ ５ ０ ）
通 讯作者 ： 陈汉 宝 （ １ ９ ７ １ 一） ，男 ，博士 ，研究员 ，主要从事港 口航道工程 方面的工作 。Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｅ ｈ ｅ ｎ ｈ ａ ｎ ｂ ａ ｏ ＠１ ６ ３ ． Ｃ Ｏ Ｌ Ｄ ． 。
的运动 范 围 ，即 ０ ～ ８ ｍ，精度 达到 测量 量程 的 １ ‰ （ 约 １ ｃ ｍ） ； 水槽 中水 质略 显浑 浊 ，其 中含少 量 废弃 消波 材料 的漂 浮 物 ，
在大波浪的冲击下 ，需要波高传感器具有抗冲击的能力 ，维护
方 便 ，经久 耐用 ； 水槽 试 验 段长 １ １ ６ ｍ，宽 ５ ｍ，为保 证 波浪 行 进过 程 中 的形
图 １ 基于光学 的波浪测量 系统 图
Ｆ ｉ ｇ 。 １ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｗａ ｖ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
态不受测量设备的影响， 传感器体积不宜过大， 且易安装 ． ． 易移动。
２ 基 于 光 学 的 波 浪 测 量 系统 的构 成
该系统包括波浪测量硬件选取、 视频采集 、 图像处理三部分（ 如图 １ ｏ 其 中硬件选取包括摄像机的选取 ，
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — １ ０ — ２ ５ ： 修 回 日期 ： ２ ０ １ ６ — １ ２ — １ ４
作者简 介 ： 马腾飞 （ １ ９ ８ ９ 一） ，男 ，河 北省廊坊人 ，硕士研究 生 ，主要从事机械工程方 向研究工 作。