Diese Arbeit wurde von der Exekutivagentur für Forschung durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union, die Förderung der Aus- und Weiterbildung von Forschern (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN) unterstützt, die das Initial Training Network (ITN) HYTECH &quot;Hydrodynamischer Transport in ökologisch kritischen heterogenen Grenzflächen&quot; (Nummer 316546). Es wurde auch vom Polo Territoriale di Lecco des Politecnico di Milano unterstützt. Die Experimente wurden bei einem Besuch der SS zum Politecnico di Milano als Gastwissenschaftler durchgeführt. Die Autoren danken Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc. Studenten am Politecnico di Milano) und Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (Fellow des HYTECH-Projekts und Doktorand am Politecnico di Milano) für die Unterstützung der Experimentelle Aktivität und die Datenanalyse. Die Autoren danken Prof. Roger Nokes (Universität Canterbury, Christchurch, Neuseeland) für die Bereitstellung der STreams software und ständige beratung Schließlich danken die Autoren dem JoVE-Redakteur und drei anonymen Rezensenten für ihre nachdenkenden Kommentare und Anregungen, dank derer das Manuskript deutlich verbessert werden konnte.

<ol>
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H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+effects+on+sediment+transport+in+rivers.">Ice effects on sediment transport in rivers.</a> Sedimentation Engineering. , 613-648 (2008).</li><li>Knack, I., Shen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sediment+transport+in+ice-covered+channels.">Sediment transport in ice-covered channels.</a> Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).</li><li>Goring, D. G., Nikora, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Despiking+acoustic+Doppler+velocimeter+data.">Despiking acoustic Doppler velocimeter data.</a> J Hydraul Eng. 128 (1), 117-126 (2002).</li><li>Nowak, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+shear+stress+measurement+in+a+turbulent+pipe+flow+using+ultrasound+Doppler+velocimetry.">Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp Fluids. 33 (2), 249-255 (2002).</li><li>McCuen, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microcomputer applications in statistical hydrology. , (1993).</li><li>Lloyd, P. M., Ball, D. J., Stansby, P. 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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Das Entwerfen eines Bed-Load-Transport-Experiments mit Partikel-Visualisierung umfasst mehrere Schritte, einschließlich der Auswahl einer experimentellen Konfiguration und Hardware-Tools, Durchflussmessung, Partikel-Seeding und Visualisierung und Bildanalyse. Variationen bei jedem Schritt haben Vor- und Nachteile. Die Schlüsselmerkmale des in diesem Manuskript dargestellten Protokolls sind: (i) Verwenden eines Druckflusses und eines festen rauhen Betts, (ii) Aussäen einer geringen Anzahl von Bettbelastungspartikeln mit einer kontrastierenden Farbe auf die Festbettfarbe, (iii) Mit natürlichem Licht und (iv) mit mehreren Kameras, um unabhängige Track-Sets zu erhalten, um miteinander verbunden zu werden. Die experimentelle Methode und die Datenverarbeitung ermöglichen es, die Bettlastpartikel für die Endmessung zuverlässig zu verfolgen. Die überdachte Strömung garantiert eine optimale Sicht der bewegten Teilchen. Das Festbett verhindert jedoch die Beobachtung einiger Prozesse ( zB die mit vertica verbundenen<html> L Verschiebungen von Sedimentteilchen innerhalb der aktiven Bettbelastungsschicht) und begrenzt somit die Anwendbarkeit der Technik auf schwache Bettbelastungen. Die Größe der Datenproben, die mit nur 100 s Film erhalten wurden, war relativ klein. Jedoch kann die Probengröße leicht erhöht werden, indem die experimentelle Dauer der Bilderfassung und -verarbeitung verlängert wird. Das Füttern einer begrenzten Anzahl von Teilchen erfordert eine längere experimentelle Zeit als die Fütterung mit einer wesentlich höheren Rate; Aber es lohnt sich die Mühe wegen einer relativ einfachen Partikelverfolgung aufgrund der geringen Konzentration von Partikeln in Bewegung und der Verwendung von verschiedenen Farben, die beide die Wahrscheinlichkeit der Verfolgung von Fehlern reduzieren. Die Verwendung von natürlichem Licht im Experiment vermeidet die Notwendigkeit von Beleuchtungseinrichtungen; Allerdings ist ein Nachteil, dass eine gute Beleuchtung von den Wetterbedingungen abhängt. Die CFDs der Partikel-Hop-Länge und Dauer, die inG &quot;&gt; Abbildung 4 zeigt die niedrigsten Werte als die häufigsten Die größten Messwerte der Hop-Länge und Dauer waren etwa 600 mm bzw. 7 s. Dies war im Vergleich zu analogen Werten aus der Literatur 4 , 16 , 30 deutlich größer , Da die Messung längerer Spuren das Risiko eines langen Partikel-Hops ausmacht, ist der Vorteil der Verwendung von zwei Kameras offensichtlich, wenn man bedenkt, dass eine einzelne Kamera eine Fokusbereichslänge von etwa 850 mm hatte, was nicht viel größer wäre als die zu messenden Hop-Längenwerte. Das Messprotokoll mit zwei Kameras stellte stattdessen eine zufriedenstellende Trennung zwischen den Längenskalen des Prozesses und denen des Messfeldes sicher und verringerte so das Risiko, die phänomenologischen Ergebnisse durch experimentelle Einschränkungen vorzuspannen. Außerdem kann der Fokusbereich zusätzlich verlängert werden Erhöhung der Anzahl der Kameras, die entlang der Rinne platziert werden. Ein alternatives Verfahren gegenüber dem hier beschriebenen Protokoll besteht darin, überlappende Bilder vor der Partikelidentifizierung und -verfolgung zu erzeugen. Unser Protokoll (zweimaliges Durchführen der Spurverfolgung und Verknüpfen von Partikelspuren) wurde bevorzugt, da die Bildmischungsmethode die Größe der Datendateien verdoppelt hätte, was einen Speicherverbrauch erforderte, der nicht erschwinglich war. Bei den hier beschriebenen Verarbeitungsalgorithmen wurden mehrere Partikelspuren, die kürzer waren als die Länge des Überlappungsbereichs, verworfen, weil sie eine vollständige Rekonstruktion der Sedimentspuren verhinderten. Jedoch war die Schwellenlänge von 120 mm um eine Größenordnung kürzer als die Spurlängen, die erhalten werden konnten, und der Verlust dieser Daten war daher akzeptabel. Darüber hinaus würde die Spurverbindung, die in den unteren 8 Fällen von Fig. 1 gesehen wird , nicht eine signifikante Erhöhung der Spurlänge ermöglichen, die erhalten werden soll. Auf der anderen Seite könnten diese Situationen helfenBei der Abfrage von langen Spuren, wie die Situation in Abbildung 5 , die aufgrund von Unterbrechungen auftreten könnte. In einem ähnlichen Fall konnte eine lange Spur durch iterative Fügevorgänge rekonstruiert werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Spurunterbrechungen wie die in Abbildung 5 eindeutig mit dem Tracking-Prozess und nicht mit dem Fügeprozess zusammenhängen. Dieses Manuskript präsentierte Proof-of-Concept-Ergebnisse für ein einziges Experiment, um die Fähigkeiten des angenommenen Protokolls zu demonstrieren. In zukünftigen Experimenten wird das Protokoll auf eine Reihe unterschiedlicher hydrodynamischer Bedingungen angewendet, um eine detaillierte Analyse des Bettlade-Sediment-Transportprozesses zu erreichen. <img alt="Abbildung 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Abbildung 5: Eine Situation der Spur in Gegenwart von Unterbrechungen. </Stark&gt; Die Verknüpfung dieser Spuren in eine einzelne Spur ist mit dem hier beschriebenen Protokoll nicht möglich. Wie in der Beschriftung von Fig. 1 und in Schritt 8.4 des Protokolls erwähnt, sind die Spuren, die kürzer als die Länge des überlappenden Bereichs sind, ausgeschlossen. Dadurch werden die kurzen roten und grünen Spuren eliminiert. Daher können die verbleibenden langen nicht verbunden werden, weil sie keinen gemeinsamen Punkt haben. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Seit Pionierarbeiten vor einigen Jahrzehnten 1 , 2 wurde die Nutzung der Bildanalyse für das Studium des Fluss-Sedimenttransports stetig erhöht. Diese Technik bewies in der Tat ihre Fähigkeit, relativ hochauflösende und kostengünstige Daten für detaillierte Analysen der physikalischen Phänomene 3 , 4 , 5 zur Verfügung zu stellen . Mit der Zeit wurden signifikante Verbesserungen für Hardware- und Software-Tools erzielt. Die Messung des Sedimenttransports kann unter Verwendung eines Eulerian-Ansatzes durchgeführt werden, der auf die Messung von Sedimentflüssen abzielt, oder ein Lagranger, der darauf abzielt, Trajektorien einzelner Körner zu messen, während sie sich bewegen. Die Bildverarbeitung bietet im Vergleich zu anderen Eulerian Methoden 6 , 7 einzigartige Möglichkeiten zur Partikelverfolgung. Aber dasDiese Potenziale, die Anwendung der Bildanalyse auf den Bettbelastungs-Sedimenttransport, leidet unter einigen kritischen experimentellen Einschränkungen, in Bezug auf räumliche / zeitliche Unterstützungsskalen für die Messung und Größe der Datenproben. Beispielsweise ist es schwierig, gleichzeitig eine geeignete Kombination aus einem großen räumlichen Bereich, einer langen Dauer eines Experiments und einer hohen Messfrequenz 3 , 4 , 8 zu erreichen , ohne die Qualität und Datenmenge zu beeinträchtigen. Darüber hinaus kann die Partikelverfolgung manuell 2 , 4 durchgeführt werden , was eine große menschliche Anstrengung erfordert, oder automatisch 3 , 8 mit der Möglichkeit, Fehler zu verfolgen, die durch die Software für die Analyse verwendet werden. Dieses Papier stellt ein Protokoll für die experimentelle Untersuchung von Bett-Last-Sediment trAnsport, wo lange Dauer durch die verwendete kamera erreicht wurde, wurde durch die gleichzeitige anwendung von zwei kameras an verschiedenen standorten ein hohes sichtfeld erreicht und eine zuverlässige automatische verarbeitung wurde durch ad hoc experimentelle bedingungen ermöglicht. Die experimentelle Operation wurde entworfen und die Bearbeitungswerkzeuge wurden auf der Grundlage der von den Autoren erworbenen Erfahrungen in mehreren Forschungsarbeiten ausgewählt, die sich mit der detaillierten Untersuchung des Sedimenttransports nach den Bildmethoden 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 befassten , 17 , 18 Es wurde ein Sedimenttransport-Experiment beschrieben, das durchgeführt wurdeEs über ein festes, raues Bett. Die Partikelzuführung war viel geringer als die Transportkapazität der Strömung, um eine geringe Konzentration an bewegten Körnern aufrechtzuerhalten, wodurch die Überlastung der Partikel nachverfolgt wurde. Weiterhin bewegten sich die transportierten Teilchen nicht kontinuierlich, sondern es wurde eine intermittierende Bewegung beobachtet. Die Verwendung eines Festbettes anstatt eines beweglichen ist ein Verlust der Ähnlichkeit mit den natürlichen Bedingungen. Allerdings wurde ein Festbett häufig in Sedimenttransportexperimenten 19 , 20 , 21 unter der Annahme verwendet, dass die Ergebnisse einfacher und erläuternder sind als diejenigen aus komplizierten Szenarien mit einer Vielzahl von handelnden Prozessen. Die Verwendung eines Festbettes verhindert offensichtlich, dass Prozesse der Sedimentbeerdigung und des Wiederauftretens beobachtet werden. Andererseits findet in Gegenwart einer schwachen Bettbelastung der Sedimenttransport in einer oberflächlichen Schicht eines losen Betts statt, und in diesem Fall,Die Verwendung eines Festbettes kann ausreichend sein. Tatsächlich zeigten spezifische Vergleiche zwischen den Eigenschaften der Teilchenbewegung in Versuchen mit den beiden Bedingungen keine signifikanten Unterschiede 3 , 14 . Schließlich wurde das hier vorgestellte Experiment mit einer Druckströmung durchgeführt, um eine optimale Voraussetzung für die Partikelvisualisierung durch eine transparente Abdeckung zu gewährleisten. Der Sedimenttransport mit einer unter Druck stehenden Strömung wurde experimentell in Forschungsprototypen von eisbedeckten Flüssen untersucht, was zeigt, dass die Wechselwirkung zwischen der Nahbett-Grenzschicht und dem Sediment analog zu der der offenen Kanalströmung 22 , 23 ist . In den folgenden Abschnitten werden alle Methoden skizziert und einige repräsentative Ergebnisse bereitgestellt.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="635">
	<tbody>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Laser distance sensor</td>
			<td style="width:111px;">METRICA</td>
			<td style="width:119px;">PREXISOX2</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the flume slope</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Two-component polyester resin</td>
			<td style="width:111px;">Gelson</td>
			<td style="width:119px;">MS 65213</td>
			<td style="width:191px;">Used to glue sediment particles onto steel plates</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Water-resistant spray paint</td>
			<td style="width:111px;">Any</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Used to paint the fixed bed</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Ultrasonic Velocity Profiler</td>
			<td style="width:111px;">Signal Processing</td>
			<td style="width:119px;">DOP 2000</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the water velocity profiles</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Camera</td>
			<td style="width:111px;">Go-Pro</td>
			<td style="width:119px;">Hero 4 Black</td>
			<td style="width:191px;">Used to acquire movies of bed-load particle motion</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Streams</td>
			<td style="width:111px;">University of Canterbury</td>
			<td style="width:119px;">2.01</td>
			<td style="width:191px;">Used for particle identification and tracking</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">MatLab</td>
			<td style="width:111px;">MathWorks</td>
			<td style="width:119px;">R14</td>
			<td style="width:191px;">Used to develop ad hoc codes for a variety of operations</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Plexiglas</td>
			<td style="width:111px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Transparent acrylic material</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments

Die Bildanalyse wurde zunehmend für die Messung der Flussströme genutzt, da es in der Lage ist, detaillierte quantitative Darstellungen zu relativ geringen Kosten zu liefern. Dieses Manuskript beschreibt eine Anwendung der Partikel-Tracking-Velocimetrie (PTV) auf ein Bett-Load-Experiment mit leichtem Sediment. Die Hauptmerkmale der untersuchten Sedimenttransportbedingungen waren das Vorhandensein einer abgedeckten Strömung und eines festen rauhen Betts, über dem Partikel in begrenzter Anzahl am Rinneneinlass freigesetzt wurden. Unter den angewandten Strömungsverhältnissen war die Bewegung der einzelnen Bettlastpartikel intermittierend, mit wechselnden Bewegungs- und Stillebedingungen. Das Strömungsmuster wurde vorläufig durch akustische Messungen von senkrechten Profilen der stromweisen Geschwindigkeit charakterisiert. Während der Prozessvisualisierung wurde ein großes Sichtfeld mit zwei Aktionskameras, die an verschiedenen Stellen entlang der Rinne platziert wurden, erhalten. Das experimentelle Protokoll wird in Form von Chan beschriebenNel-Kalibrierung, Experiment-Realisierung, Bildvorverarbeitung, automatische Partikel-Tracking und Nachbearbeitung von Partikel-Track-Daten aus den beiden Kameras. Die dargestellten Proof-of-Concept-Ergebnisse beinhalten Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Partikel-Hop-Länge und -Dauer. Die Errungenschaften dieser Arbeit werden mit denen der vorhandenen Literatur verglichen, um die Gültigkeit des Protokolls zu demonstrieren.

Die in diesem Abschnitt dargestellten Ergebnisse sind für ein Experiment, bei dem die Rinnensteigung auf Null gesetzt wurde (Steigungswerte wurden mit ± 0,05% Genauigkeit berechnet). Das verwendete Sediment wurde aus PBT-Partikeln hergestellt, die quasi-sphärisch waren, mit einer Größe d = 3 mm und einer Dichte ρ p = 1,270 kg / m 3 . Das Experiment wurde mit einer Durchflussrate Q = 9,7 × 10 -3 m 3 / s durchgeführt, was zu einer Schüttgeschwindigkeit U = 0,31 m / s führte. Für die Geschwindigkeitsmessungen mit dem UVP wurde eine 2 MHz Sonde bei 81 ° Neigung verwendet. Die Geschwindigkeitsdaten wurden bei 20 Hz für 250 s erfasst. Ein repräsentatives Geschwindigkeitsprofil ist in Fig. 2 dargestellt . Es wurde an der Kanalachse und bei 4,5 m vom Rinneneinlauf genommen, wo die Strömung vollständig entwickelt war. Einige Werte im Zusammenhang mit ungültigen Höhenmessungen wurden entfernt. Ein asymmetrischC-Profil resultiert aus der unterschiedlichen Rauheit des Kunststoffdeckels und des Sedimentbettes. Die Diagramme zeigen auch den Teil des Profils, der für die Schätzung der Schergeschwindigkeit verwendet wird, wobei u s = 25,9 ± 1,3 mm / s erhalten wird. Die Teilchen-Reynolds-Zahl ( Re p = u s × d / ν , mit ν als kinematische Viskosität von Wasser) war daher gleich 78, was auf ein Übergangs-Grob-Regime hinweist. Die Visualisierung des Sedimenttransports wurde mit zwei Kameras durchgeführt, die auf 3,5 m und 4,3 m vom Rinneneinlass platziert wurden. Die Kameras arbeiteten mit einer Frequenz von 30 fps und einer Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln. Der Faktor für die Korrektur der Bildverzerrung betrug k = 0,6. Nach dem Entfernen der Verzerrung betrug die Bildkalibrierung 1 Pixel = 0,5 mm. Die Länge der Überlappung betrug von 760,15 bis 880,11 mm (wobei letzteres die Länge des Fokusbereichs der Tanne warEine Kamera von der vorgeschalteten Kante). Die Schwellenintensität für die Partikelidentifizierung wurde auf 80 eingestellt, und die erwartete Blobgröße reichte von 0,5 bis 8 mm. Das Suchfenster für die Partikelverfolgung war wie folgt: 1 mm stromaufwärts und 7 mm stromabwärts, 4 mm seitlich. Das Suchfenster zur Wiederverbindung der unterbrochenen Schienen war wie folgt: 1 mm stromaufwärts und 31 mm stromabwärts, 16 mm seitlich entlang 4 folgenden Rahmen. Der Schwellenwert der Quadratwurzel der mittleren quadrierten Differenz von x- und y- Werten zwischen zwei zu verbindenden Spuren wurde auf 10 mm eingestellt. Die Teilchenspuren, die unter Verwendung einer Untermenge von 3.000 Bildern von jeder Kamera (entsprechend 100 s Dauer) gemessen wurden, sind in 3 dargestellt . Die Datenbank verzeichnete 37 und 34 Tracks von der Upstream- und Downstream-Kamera. Eine Überlappung der von den beiden Kameras erhaltenen Spuren wird zuerst vorgeschlagen und dann der resultierende volle Satz von tRacks angezeigt wird. Es ist offensichtlich, dass die Überlappung im mittleren Teil des Messbereichs zufriedenstellend war. 12 Links wurden am Ende 59 Spuren erhalten. Die längste Strecke überspannte das gesamte Beobachtungsfenster mit einer Gesamtlänge von ca. 1,6 m (mehr als 530 Teilchengrößen, 15,2 Fließtiefen oder 5,3 Flammenbreiten), was im Vergleich zu anderen Literaturstudien sehr groß ist, wo ähnliche Analysen durchgeführt wurden 3 , 4 , 5 , 8 Mit einem Lagrange-Rahmen werden hier die Schlüsselindikatoren der Partikelkinematik in Form von Partikel-Hopfen angewendet. Unter einem intermittierenden Bettlader-Transport wie der in diesem Experiment sind diese Hopfen Bewegungen, die durch Ruhezeiten getrennt sind. Um Hopfen innerhalb einer vollen Spur für ein einzelnes Teilchen zu erkennen, ist die Identifizierung der Teilchenbewegung und der StilleEin notwendiger vorbereitender Schritt In dieser Arbeit haben wir ein Kriterium 30 angewendet, das ein Teilchen in Bewegung zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachtet, wenn seine x- Position zu diesem Zeitpunkt größer ist als alle vorherigen und niedriger als alle folgenden. Eine Gesamtzahl von 98 Hops wurde aus den 59 gemessenen Partikelspuren erhalten. Fig. 4 zeigt die erhaltene kumulative Frequenzverteilung (CFD) für die Hop-Länge und Dauer. <img alt="Figur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Abbildung 2: Messgeschwindigkeitsprofil. (Top) Das zeitlich gemittelte vertikale Profil der stromlinienförmigen Geschwindigkeitskomponente. (Unten) Die Schätzung der Schergeschwindigkeit durch Anpassen einer logarithmischen Gleichung an den unteren Teil des Profils. Beachten Sie, dass eine vertikale Achse, die von der Oberseite des Kanals ausgeht und nach unten gerichtet ist, in der ersten Handlung verwendet wird<html> Das Ergebnis aus der Messung mit dem UVP. Eine Achse von dem Kanalboden und nach oben gerichtet wird stattdessen in der zweiten Kurve verwendet, wie es erforderlich ist, um die Schergeschwindigkeit durch Gleichungsanpassung zu schätzen. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Abbildung 3: Planansicht der gemessenen Partikelspuren. (Top) Die Tracks von den beiden Kameras (Upstream-Kamera in Rot und Downstream in Schwarz). (Unten) Die Probe der verbundenen Spuren (Farbe ändern für Klarheit und einige Spuren, die durch eine dickere Linie hervorgehoben werden). <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4: Kumulative Frequenzverteilung (CFD) der Hop-Länge (Top) und Duration (Bottom). Innerhalb jeder Spur von Fig. 3 wurde das Teilchen zu jedem Zeitpunkt markiert, um zu repräsentieren, ob das Teilchen in Bewegung war oder in diesem Augenblick in Ruhe war. Partikel-Hopfen wurden dann aus den Spuren als Portionen zwischen Partikel-Mitnahme (Übergang von Stille zu Bewegung) und Disentrainment (Übergang von Bewegung zu Stille) extrahiert. Die für Hop-Längen und -Dauern erhaltenen Proben wurden verwendet, um die hier dargestellten Verteilungen zu erstellen. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Ergänzende Code-Dateien: join_cameras.m <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Bitte</a>Klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Das Manuskript stellt ein Protokoll für die Leitung von Bett-Last-Sediment-Transport-Experimenten dar, bei denen die bewegten Partikel durch Bildanalyse verfolgt werden. Die experimentelle Einrichtung, die Vorgehensweisen für die Durchführung der Realisierung und die Datenverarbeitung und schließlich werden hier einige Proof-of-Concept-Ergebnisse vorgestellt.

Bildbasierte Lagrange-Partikel-Tracking in Bettlasten-Experimenten

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

image-based-lagrangian-particle-tracking-in-bed-load-experiments

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8.9K Aufrufe.  Politecnico di Milano.  Das Manuskript stellt ein Protokoll für die Leitung von Bett-Last-Sediment-Transport-Experimenten dar, bei denen die bewegten Partikel durch Bildanalyse verfolgt werden. Die experimentelle Einrichtung, die Vorgehensweisen für die Durchführung der Realisierung und die Datenverarbeitung und schließlich werden hier einige Proof-of-Concept-Ergebnisse vorgestellt. 

Serie: Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently than plants3, but also synthesize advanced biofuels2-4. Generally, atmospheric CO2 is not a sufficient source for supporting maximal algal growth5. On the other hand, the high concentrations of CO2 in industrial exhaust gases have adverse effects on algal physiology. Consequently, both cultivation conditions (such as nutrients and light) and the control of the flue gas flow into the photo-bioreactors are important to develop an efficient &ldquo;flue gas to algae&rdquo; system. Researchers have proposed different photobioreactor configurations4,6 and cultivation strategies7,8 with flue gas. Here, we present a protocol that demonstrates how to use models to predict the microalgal growth in response to flue gas settings. We perform both experimental illustration and model simulations to determine the favorable conditions for algal growth with flue gas. We develop a Monod-based model coupled with mass transfer and light intensity equations to simulate the microalgal growth in a homogenous photo-bioreactor. The model simulation compares algal growth and flue gas consumptions under different flue-gas settings. The model illustrates: 1) how algal growth is influenced by different volumetric mass transfer coefficients of CO2; 2) how we can find optimal CO2 concentration for algal growth via the dynamic optimization approach (DOA); 3) how we can design a rectangular on-off flue gas pulse to promote algal biomass growth and to reduce the usage of flue gas. On the experimental side, we present a protocol for growing Chlorella under the flue gas (generated by natural gas combustion). The experimental results qualitatively validate the model predictions that the high frequency flue gas pulses can significantly improve algal cultivation.

Flue gas from power plants is a cheap CO2 source for algal growth. We have built prototype &#34;flue gas to algal cultivation&#34; systems and described how to scale up the algal cultivation process. We have demonstrated the use of a mass-transfer bio-reaction model to simulate and to design the optimal operation of flue gas for the growth of Chlorella sp. in algal photo-bioreactors.

Optimieren Rauchgas Einstellungen, um Mikroalgen in Photobioreaktoren Wachstum über Computer-Simulationen fördern

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

Forschung

Umwelt

Tracking Microbial Contamination in Retail Environments Using Fluorescent Powder - A Retail Delicatessen Environment Example

Cross contamination of foodborne pathogens in the retail environment is a significant public health issue contributing to an increased risk for foodborne illness. Ready-to-eat (RTE) processed foods such as deli meats, cheese, and in some cases fresh produce, have been involved in foodborne disease outbreaks due to contamination with pathogens such as Listeria monocytogenes. With respect to L. monocytogenes, deli slicers are often the main source of cross contamination. The goal of this study was to use a fluorescent compound to simulate bacterial contamination and track this contamination in a retail setting. A mock deli kitchen was designed to simulate the retail environment. Deli meat was inoculated with the fluorescent compound and volunteers were recruited to complete a set of tasks similar to those expected of a food retail employee. The volunteers were instructed to slice, package, and store the meat in a deli refrigerator. The potential cross contamination was tracked in the mock retail environment by swabbing specific areas and measuring the optical density of the swabbed area with a spectrophotometer. The results indicated that the refrigerator (i.e. deli case) grip and various areas on the slicer had the highest risk for cross contamination. The results of this study may be used to develop more focused training material for retail employees. In addition, similar methodologies could also be used to track microbial contamination in food production environments (e.g.&#160;small farms), hospitals, nursing homes, cruise ships, and hotels.

The overall goal of this study was to demonstrate the potential cross contamination mechanism of foodborne pathogen Listeria monocytogenes in a retail deli setting. This methodology may be applied to a variety of different environments to track pathogen contamination. &#160;

Tracking-Mikrobielle Kontamination in Einzelhandelsumgebungen mit fluoreszierenden Pulver - Ein Feinkost Einzelhandel Beispiel Umwelt

Cross contamination of foodborne pathogens in the retail environment is a significant public health issue contributing to an increased risk for foodborne ...

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify the pollination effectiveness of each pollinator for visited flowers. Pollinator observations have been one of the most common methods to identify pollinators, and bagging and cage experiments have been conducted to show the effectiveness of specific pollinators. In a previous study of Lycoris sanguinea var. sanguinea, its effective pollinators, the visitation frequencies of each floral visitor, and its reproductive strategies were not identified. This study reports the observation that small bees visited flowers that were partially opened (breaking buds). To the best of our knowledge, this phenomenon has not been reported previously. Further, this study investigates the hypothesis that small bees can pollinate at that flowering stage. This study demonstrates the basic methods of field experiments in pollination ecology using L. sanguinea var. sanguinea. Pollinator observations and digital video showed the visitation frequencies of each floral visitor. Bagging and cage experiments revealed that these flowers could be pollinated fully and that breaking-bud pollination could be important for the pollination of this plant species. The advantages and disadvantages of each method are discussed, and recent developments, including laboratory experiments, are described.

Field Experiments of Pollination Ecology: The Case of Lycoris sanguinea var. sanguinea

To reveal the pollinator effectiveness of a given plant species, multiple methods of field experiments have been developed. This study demonstrates the basic methods of field experiments for pollination ecology using the case study of Lycoris sanguinea var. sanguinea and the novel pollination mechanism, breaking-bud pollination.

Feldexperimente von Bestäubungsökologie: Der Fall<em&gt; Lycoris sanguinea</em&gt; Var.<em&gt; sanguinea</em

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify ...

A Lipid Extraction and Analysis Method for Characterizing Soil Microbes in Experiments with Many Samples

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial communities, a relatively precise but effort-intensive technique to assay microbial community composition is phospholipid fatty acid (PLFA) analysis. PLFA was developed to analyze phospholipid biomarkers, which can be used as indicators of microbial biomass and the composition of broad functional groups of fungi and bacteria. It has commonly been used to compare soils under alternative plant communities, ecology, and management regimes. The PLFA method has been shown to be sensitive to detecting shifts in microbial community composition.
An alternative method, fatty acid methyl ester extraction and analysis (MIDI-FA) was developed for rapid extraction of total lipids, without separation of the phospholipid fraction, from pure cultures as a microbial identification technique. This method is rapid but is less suited for soil samples because it lacks an initial step separating soil particles and begins instead with a saponification reaction that likely produces artifacts from the background organic matter in the soil. 
This article describes a method that increases throughput while balancing effort and accuracy for extraction of lipids from the cell membranes of microorganisms for use in characterizing both total lipids and the relative abundance of indicator lipids to determine soil microbial community structure in studies with many samples. The method combines the accuracy achieved through PLFA profiling by extracting and concentrating soil lipids as a first step, and a reduction in effort by saponifying the organic material extracted and processing with the MIDI-FA method as a second step.

The article describes a method that increases throughput while balancing effort and accuracy for extraction of lipids from the cell membranes of microorganisms for use in characterizing both total lipids and the relative abundance of indicator lipids to determine soil microbial community structure in studies with many samples.

Eine Lipid-Extraktions- und Analysemethode zur Charakterisierung von Boden-Mikroben in Experimenten mit vielen Proben

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial ...

Video Tracking Protocol to Screen Deterrent Chemistries for Honey Bees

The European honey bee, Apis mellifera L., is an economically and agriculturally important pollinator that generates billions of dollars annually. Honey bee colony numbers have been declining in the United States and many European countries since 1947. A number of factors play a role in this decline, including the unintentional exposure of honey bees to pesticides. The development of new methods and regulations are warranted to reduce pesticide exposures to these pollinators. One approach is the use of repellent chemistries that deter honey bees from a recently pesticide-treated crop. Here, we describe a protocol to discern the deterrence of honey bees exposed to select repellent chemistries. Honey bee foragers are collected and starved overnight in an incubator 15 h prior to testing. Individual honey bees are placed into Petri dishes that have either a sugar-agarose cube (control treatment) or sugar-agarose-compound cube (repellent treatment) placed into the middle of the dish. The Petri dish serves as the arena that is placed under a camera in a light box to record the honey bee locomotor activities using video tracking software. A total of 8 control and 8 repellent treatments were analyzed for a 10 min period with each treatment was duplicated with new honey bees. Here, we demonstrate that honey bees are deterred from the sugar-agarose cubes with a compound treatment whereas honey bees are attracted to the sugar-agarose cubes without an added compound.

The loss of honey bee colonies presents a challenge to crop pollination services. Current pollinator protection practices warrant an alternative approach to minimize the contact of honey bees to harmful pesticides using repellent chemistries. Here, we provide detailed methods for a visual tracking protocol to screen deterrents for bees.

Video-Tracking-Protokoll auf Bildschirm abschreckende Chemie für Honigbienen

The European honey bee, Apis mellifera L., is an economically and agriculturally important pollinator that generates billions of dollars annually. Honey ...

Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar

A Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array was used to collect data during an infiltration experiment conducted at a test site near the Tottori Sand Dune, Japan. The antenna array used in this study consists of 10 transmitting antennas (Tx) and 11 receiving antennas (Rx). For this experiment, the system was configured to use all possible Tx-Rx pairings, resulting in a Multi-Offset Gather (MOG) consisting of 110 Tx-Rx combinations. The array was left stationary at a position directly above the infiltration area and data were collected every 1.5 seconds using a time-based trigger. Common-Offset Gather (COG) and Common Mid-Point (CMP) data cubes were reconstructed from the MOG data during post-processing. There have been few studies that used time-lapse CMP data to estimate changes in velocity of propagation. In this study, electromagnetic (EM) wave velocity was estimated heuristically at 1-minute intervals from the reconstructed CMP data through curve fitting, using the hyperbola equation. We then proceeded to calculate the depth of the wetting front. The evolution of the wetting front over time obtain through this method is consistent with the observations from a soil moisture sensor which was placed at a depth below 20 cm. The results obtained in this study demonstrate the ability of such array GPR system to monitor a subsurface dynamic process like water infiltration accurately and quantitatively.

Here we present a Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array for monitoring the dynamic process of subsurface water infiltration. A time-lapse radar image of the infiltration process allowed estimating the depth of the wetting front during the course of the infiltration process.

Tracking-Infiltration, die vorderen Tiefe mit Zeitraffer Multi-Offset sammelt mit Array Antenne Bodenradars gesammelt

A Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array was used to collect data during an infiltration ...

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the approach more practical than in the past. Image-based surveys allow for initial samples to be revisited and are non-invasive compared to traditional survey methods that typically involve nets or dredges. Protocols for image-based surveys can vary greatly but should be driven by target species behavior and survey objectives. To demonstrate this, we describe our most recent methods for an Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) drop camera survey to provide a procedural example and representative results. The procedure is divided into three critical steps that include survey design, data collection, and data products. The influence of scallop behavior and the survey goal of providing an independent assessment of the U.S. sea scallop resource on the survey procedure are then discussed in the context of generalizing the method. Overall, the broad applicability and flexibility of the University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST) drop camera survey demonstrates the method could be generalized and applied to a variety of sessile invertebrates or habitat focused research.

Image based surveying is an increasingly practical, non-invasive method to sample the marine environment. We present the protocol of a drop camera survey that estimates the abundance and distribution of the Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus). We discuss how this protocol can be generalized for application to other benthic macroinvertebrates.

Methoden zur Image-basierte Umfragen von benthischen Makroinvertebraten und ihren Lebensraum am Beispiel der Drop-Kamera-Umfrage für die Atlantik-Jakobsmuschel

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

Experimental Study of the Relationship Between Particle Size and Methane Sorption Capacity in Shale

The amount of adsorbed shale gas is a key parameter used in shale gas resource evaluation and target area selection, and it is also an important standard for evaluating the mining value of shale gas. Currently, studies on the correlation between particle size and methane adsorption are controversial. In this study, an isothermal adsorption apparatus, the gravimetric sorption analyzer, is used to test the adsorption capacity of different particle sizes in shale to determine the relationship between the particle size and the adsorption capacity of shale. Thegravimetric method requires fewer parameters and produces better results in terms of accuracy and consistency than methods like the volumetric method. Gravimetric measurements are performed in four steps: a blank measurement, preprocessing, a buoyancy measurement, and adsorption and desorption measurements. Gravimetric measurement is presently considered to be a more scientific and accurate method of measuring the amount of adsorption; however, it is time-consuming and requires a strict measuring technique. A Magnetic Suspension Balance (MSB) is the key to verify the accuracy and consistency of this method. Our results show that adsorption capacity and particle size are correlated, but not a linear correlation, and the adsorptions in particles sieved into 40 - 60 and 60 - 80 meshes tend to be larger. We propose that the maximum adsorption corresponding to the particle size is approximately 250 &#181;m (60 mesh) in the shale gas fracturing.

We use an isothermal adsorption apparatus, the gravimetric sorption analyzer, to test the adsorption capacity of different particle sizes of shale, in order to find out the relationship between particle size and the adsorption capacity of shale.

Experimentelle Studie über den Zusammenhang zwischen Korngröße und Methan Sorption Kapazität in Schiefer

The amount of adsorbed shale gas is a key parameter used in shale gas resource evaluation and target area selection, and it is also an important standard ...

Isolation and Analysis of Microbial Communities in Soil, Rhizosphere, and Roots in Perennial Grass Experiments

Plant and soil microbiome studies are becoming increasingly important for understanding the roles microorganisms play in agricultural productivity. The purpose of this manuscript is to provide detail on how to rapidly sample soil, rhizosphere, and endosphere of replicated field trials and analyze changes that may occur in the microbial communities due to sample type, treatment, and plant genotype. The experiment used to demonstrate these methods consists of replicated field plots containing two, pure, warm-season grasses (Panicum virgatum and Andropogon gerardii) and a low-diversity grass mixture (A. gerardii, Sorghastrum nutans, and Bouteloua curtipendula). Briefly, plants are excavated, a variety of roots are cut and placed in phosphate buffer, and then shaken to collect the rhizosphere. Roots are brought to the laboratory on ice and surface sterilized with bleach and ethanol (EtOH). The rhizosphere is filtered and concentrated by centrifugation. Excavated soil from around the root ball is placed into plastic bags and brought to the lab where a small amount of soil is taken for DNA extractions. DNA is extracted from roots, soil, and rhizosphere and then amplified with primers for the V4 region of the 16S rRNA gene. Amplicons are sequenced, then analyzed with open access bioinformatics tools. These methods allow researchers to test how the microbial community diversity and composition varies due to sample type, treatment, and plant genotype. Using these methods along with statistical models, the representative results demonstrate there are significant differences in microbial communities of roots, rhizosphere, and soil. Methods presented here provide a complete set of steps for how to collect field samples, isolate, extract, quantify, amplify, and sequence DNA, and analyze microbial community diversity and composition in replicated field trials.

Excavation of plant roots from the field as well as processing of samples into endosphere, rhizosphere, and soil are described in detail, including DNA extraction and data analysis methods. This paper is designed to enable other laboratories to use these techniques for the study of soil, endosphere, and rhizosphere microbiomes.

Isolierung und Analyse der mikrobiellen Lebensgemeinschaften im Boden, Rhizosphäre und Wurzeln in mehrjährige Grass Experimente

Plant and soil microbiome studies are becoming increasingly important for understanding the roles microorganisms play in agricultural productivity. The ...

Combining Eye-tracking Data with an Analysis of Video Content from Free-viewing a Video of a Walk in an Urban Park Environment

As individuals increasingly live in cities, methods to study their everyday movements and the data that can be collected becomes important and valuable. Eye-tracking informatics are known to connect to a range of feelings, health conditions, mental states and actions. But because vision is the result of constant eye-movements, teasing out what is important from what is noise is complex and data intensive. Furthermore, a significant challenge is controlling for what people look at compared to what is presented to them.
The following presents a methodology for combining and analyzing eye-tracking on a video of a natural and complex scene with a machine learning technique for analyzing the content of the video. In the protocol we focus on analyzing data from filmed videos, how a video can be best used to record participants&#39; eye-tracking data, and importantly how the content of the video can be analyzed and combined with the eye-tracking data. We present a brief summary of the results and a discussion of the potential of the method for further studies in complex environments.

The objective of the protocol is to detail how to collect video data for use in the laboratory; how to record eye-tracking data of participants looking at the data and how to efficiently analyze the content of the videos that they were looking at using a machine learning technique.

Die Kombination von Eye-Tracking-Daten mit einer Analyse von Video-Inhalten aus dem Free-Viewing eines Videos von einem Walk in einer urbanen Park-Umgebung

As individuals increasingly live in cities, methods to study their everyday movements and the data that can be collected becomes important and valuable. ...