براوردغلظت مواد معلق با استفاده از روش پردازش تصاویر دیجیتال

رسوبات رودخانه­ای محصول عمل فرسایش در حوضه ابریز رودخانه­ها می­باشند، یکی از عوامل مهم در هر گونه تصمیم­گیری در مورد احداث سازه­های ابی بر روی یک رودخانه و تعیین عمر مفید مخازن سدها داشتن اطلاعات مربوط به میزان حجم مواد رسوبی حمل شده توسط رودخانه مورد نظر می­باشد تا میزان رسوبات وارده کنترل شده و زیانهای ناشی از ترسیب مواد رسوبی در مخازن سد و شبکه­های ابیاری حتی­الامکان کاهش یابد. ازمایشات نشان می­دهد که در یک پروفیل قایم در جریان اب، مقدار بار معلق حدود 70 تا 90 درصد بار رسوبی را تشکیل می­دهد(این مقدار در مورد رودخانه­های استان خوزستان حتی تا 99 درصد هم می­رسد). این سهم بالا، اهمیت براورد مناسب بار معلق را به عنوان بخش تعیین­کننده­ای از بار کل رسوب روشنتر می­سازد. از این رو معمولا در تمام ایستگاههای هیدرومتری بار معلق اندازه­گیری می­گردد و شیوه مرسوم، نمونه­برداری از بار معلق است. بطور کلی روشهای اندازه­گیری بار معلق را می­توان به دو دسته تقسیم نمود: الف- روشهای سنتی(مستقیم): این روش همان نمونه­برداری از بار معلق است که معمولا به روش انتگراسیون عمقی انجام می­گیرد. استفاده از این روش بسیار وقتگیر، هزینه­بر و در مواقع سیلابی خطرناک و گاها غیر ممکن می­باشد. به این ترتیب که مقطع موردنظر از رودخانه به سه قسمت نسبتا هم­دبی تقسیم و از هر قسمت یک نمونه به روش انتگراسیون عمقی برداشت می­شود. در ازمایشگاه غلظت نمونه­ها اندازه­گیری شده و با مشخص بودن دبی اب رودخانه، بار رسوب معلق محاسبه می­شود. وجود عواملی نظیر مشکلات و خطرات موجود در مواقع سیلابی که بخش عمده­ رسوبات توسط رودخانه حمل می­گردد، شرایط اب و هوایی نامناسب نظیر نمونه­برداری از روی قایق و یا از روی پل تلفریک در شرایط گرمای شدید بالای 50 درجه و نبودن سرپناه، ایمنی نبودن وسایل و ابزار فنی، علاوه بر اینها وقتگیر بودن و پرهزینه بودن این روش از جمله دلایلی است که ضرورت تحقیقات بیشتر جهت یافتن و بکارگیری روشهای نوین اندازه­گیری را نشان می­دهد. ب- روشهای نوین(غیر مستقیم): یکی از روشهای جدیدی که اندازه­گیری رسوب را به طریقی غیر مستقیم، یعنی با استفاده از یک خاصیت مربوط به رسوب و بدون تماس مستقیم با ان، انجام می­دهد روش استفاده از تصاویر ماهواره­ای است. در واقع نوع برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با عناصر و ترکیبات مختلف متفاوت است و از روی این تفاوت می­توان اطلاعاتی را در مورد سطوح مطالعه بدست اورد. این روش علیرغم دقت و سرعت بالایی که در جمع­اوری و پردازش اطلاعات دارد، به نوبه خود دارای معایبی نیز می­باشد، که از ان جمله می­توان به عدم توانایی ماهواره­ها در عکسبرداری در شرایط ابری و سرعت باد زیاد و دسترسی به تصاویر ماهواره­ای هر منطقه صرفا در ساعات و یا حتی روزهایی خاص(در مواقعی که زمان بازگشت سنجنده طولانی باشد) اشاره نمود. از دیگر روشهای نوین میتوان به روش پردازش تصاویر دیجیتالی اشاره کرد. تکنیک پردازش تصاویر دیجیتال از علم پزشکی تا مصارف نظامی، از پردازش مدارک تا علوم زمین و تواناییهای بالای کامپیوترهای قدرتمند امروزی در کار با حجم بالایی از اطلاعات، به نظر می­رسد استفاده از این تکنیک در مسایل مربوط به علوم اب نیز به عنوان یک ابزار جدید، لازم و راهگشا باشد. بررسی کاربرد این تکنیک هدف این تحقیق خواهد بود. هدف این تحقیق هدف اصلی این تحقیق، ابداع الگوریتمی است که قادر باشد تا خاصیت کیفی رنگ تصاویر را به مقادیر کمی تبدیل نماید. هدف دیگر این تحقیق این خواهد بود که بتوان چگونگی ارتباط بین غلظت مواد معلق در اب را با مقادیر رقومی تصاویر مشخص نمود.  کاربرد نتایج این تحقیق در صورت تحقق اهداف این تحقیق، می­توان با گرفتن عکس از نمونه­های اب حاوی مواد معلق، غلظت مواد معلق را بدون نمونه­برداری محاسبه کرد. روش تحقیق روشی که در این تحقیق بررسی شد، روش استفاده از تصاویر دیجیتال بود. در این روش از خاصیت رنگ رسوب جهت اندازه­گیری ان استفاده گردید و سعی شد رابطه­ای بین غلظت و رنگ رسوب(یا به عبارت دیگر مقادیر رقومی حاصل از پردازش تصاویر برداشت شده از رسوب در غلظتهای مختلف) ایجاد گردد. به این منظور از سه جنس رسوب مختلف ( A ،  B و C ) در سه ضخامت متفاوت (5/1، 3 و 5 سانتیمتر) استفاده شد و تحت شرایط یکسان از نظر نور محیط و فاصله عکسبرداری از نمونه­ها تصویر برداری شد. مهمترین بخش این تحقیق نوشتن الگوریتمی است که قادر باشد تا رنگ هر پیکسل را که یک خاصیت کیفی می باشد به مقادیر کمی تبدیل نماید. یا به عبارتی مقادیر رقومی مربوط به تصاویر(در باندهای RGB و خاکستری) با استفاده از این الگوریتم استخراج گردد. در این پژوهش الگوریتم مذکور در محیط نرم افزار  MATLAB تدوین گردید. در نهایت با بکار بردن تصاویر به عنوان داده های ورودی به الگوریتم مذکور، مقادیر رقومی تصاویر تعیین شدو سپس این مقادیر در مقابل غلظت برای هر سه نمونه در ضخامتهای مختلف رسم و روابط بین مقادیر رقومی با باندهای مختلف با استفاده از انالیز رگرسیونی استخراج گردید.  نتیجه­گیری نتایج بدست امده فرضیه اصلی این تحقیق، یعنی وجود رابطه بین غلظت و رنگ رسوب، را در یک بازه مشخص تایید نمود. در محدوده غلظتهای کمتر از 10 گرم بر لیتر همبستگی نسبتا قوی­ای بین این دو پارامتر وجود دارد، لیکن با افزایش غلظت به نظر می­رسد، بروز و تاثیر عواملی نظیر اشباع شدن نمونه و ناهمگنی ان سبب کاهش شدید این همبستگی می­گردد.  پیشنهادات از دوربینهای پیشرفته­تر که قدرت تفکیک بالایی دارند و همچنین قادر به عکسبرداری در اعماق مختلف اب می­باشند استفاده گردد. بکار بردن اینگونه دوربینها می­تواند امکان تشخیص و پیش­بینی غلظتهای بالاتر و توسعه دامنه کارایی این روش را فراهم سازد. پیشنهاد می­شود با انجام ازمایشات بیشتر و در نظر گرفتن عمق به عنوان یکی از متغیرها تاثیر فاصله عکسبرداری نیز بعنوان یک پارامتر مهم و موثر بررسی شود و حساسیت مقادیر رقومی نسبت به این پارامتر نیز سنجیده شود. پ