Hidrológiai Közlöny, 2020 (100. évfolyam)
2020 / 3. szám
74 Hidrológiai Közlöny 2020. 100. évf. 3. sz. Képalapú módszerek fejlesztése folyók morfodinamikai vizsgálatához Ermilov Alexander Anatol1, Baranya Sándor1, Fleit Gábor1, Török Gergely T.2 'Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. (E-mail: ermilov.alexander@epito.bme.hu, baranya.sandor@epito.bme.hu, fleit.gabor@epito.bme.hu) 2MTA Vízgazdálkodási Kutatócsoport, Eötvös Loránd Kutatási Hálózat, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. (E-mail: torok.gergely@epito.bme.hu) Kivonat A számítástechnika rohamos fejlődésével, napjainkban egyre elterjedtebbek az ún. gépi látásra épülő, képfeldolgozó algoritmusok a mérnöki területeken. Ezen módszerek automatizálásával, korábban idő- és energiaigényes munkákat lehetséges kiváltani úgy, hogy azok a korábbinál részletesebb információhoz juttatják a felhasználót. Ebben a cikkben a Duna egy-egy szakaszának morfodinamikai vizsgálatához, képalapú módszerekkel végzett terepi tesztméréseink eredményeit ismertetjük és értékeljük, további fejlesztési irányok kijelölésével. A kutatás kiváltó oka az volt, hogy a hagyományosnak tekinthető terepi morfodinamikai vizsgálati módszerek sokszor nem tekinthetők reprezentatívnak. Egyfelől, a mederanyag mintavételi eljárások legtöbbször pontszerű információt szolgáltatnak, másrészt pedig maga a mintavételezési eljárás is sokszor nehezen kivitelezhető. Ez a jelenség a folyók átmeneti szakaszán (ahol a kavics meder a finomabb homok mederbe vált át, jelentős eltéréseket eredményezve az egymástól nem messze lévő pontok szemöszszetétele között) leginkább szembetűnő. Hasonlóképpen beszélhetünk a görgetett hordalék mintavételezési eljárások nehézségeiről is. A cikkünkben bemutatott eredmények arról tanúskodnak, hogy a jelenlegi képfeldolgozó algoritmusok alkalmasak lehetnek mederanyag szemösszetétel és görgetett hordalékhozam meghatározására, valamint a mederdomborzat térképezésre. Az alkalmazott módszerek korlátjai és a terepi alkalmazás során adódható nehézségek is tárgyalásra kerülnek. A vizsgálatok során az elméleti és felbontásbeli korlátokból kifolyólag a durva homoknál finomabb frakciókat nem érzékelték a használt módszerek, annál finomabb léptéket nem sikerült elérni. Könnyen belátható viszont, hogy az említett korlátok kiterjeszthetők további fejlesztésekkel, így valós alternatívaként jelentkezhetnek a folyókban végbemenő hordalékvándorlási és mederalakváltozási folyamatok vizsgálatára. Kulcsszavak Mederanyag, szemeloszlás, görgetett hordalék, hordalékhozam, képalapú, képfeldolgozás, terepi méréstechnológia, mintavétel, SfM módszer, gépi látás, morfodinamika. Developing image-based methods for analysing morphodynamics in large rivers Abstract Nowadays, as computer science is rapidly developing, algorithms based on computer vision and image processing are getting more and more widespread in engineering works as well. By automatizing these methods, tasks that used to be time- and energy consuming can be carried out much faster and easier, while occasionally providing even more detailed results and information for the user, than before. In this article, we present and evaluate the results and findings from our field measurements, where image-based methods were applied for the morphodynamic assessment for shorter sections of the Danube River, and highlight further development goals. These measurements were done knowing that the conventional river morphodynamic measurement methods are often not representative. For instance, bed material sampling methods are usually providing point-like information and, moreover, the implementation of the samplings are often difficult. This can be the most problematic in the transition zones of rivers (where the gravel bed changes into sand bed, resulting in mixed composition and high deviations in grain size in points not far from each other). Furthermore, conventional bedload sampling methods suffer from the same difficulties. The results presented here show that the available image processing algorithms can be applied and adapted for calculating bed material grain size distributions and bed load, or for mapping river bed topography. The limits and difficulties of field-use are also discussed. Due to the theoretical and resolution limits the fractions finer than coarse sand were neglected and left out by the methods. However, it could be easily seen that the mentioned limitations can be further expanded after some improvements, providing a realistic future alternative for the analysis of fluvial sediment transport and morphodynamic processes. Keywords Bed material, grain size distribution, bedload, sediment yield, image-based, image processing, field measurement methodology, sampling, structure-ffom-motion, computer vision, morphodynamics. BEVEZETÉS A folyók áramlási viszonyai és a mederfelszín között folyamatos kölcsönhatás áll fent. Míg előbbi a hordalékszállító képessége miatt hol építeni, hol rombolni igyekszik a medret (morfodinamika), addig az utóbbi hidraulikai ellenállást fejt ki és befolyásolja az áramlást. Ezen oda-viszsza hatás több paraméteren keresztül is jelentkezik, s gyakorlatijelentősége igen nagy. így például a hajózás, illetve vízépítési beavatkozások szempontjából a mederváltozás kérdése mérvadó. Vízenergia termelés esetén, a tározási tér alakulására a hordaléktranszporton keresztül nyerhetünk választ (Morris és Fan 1998, Shen 1999, White 2001, Kondolf és társai 2014, Healey és társai 2015), míg árvízi kockázatkezelésnél a mederalak is meghatározó tényező az árhullám levonulását tekintve (Davies és McSaveney 2011, Takemura és Fukuoka 2013, FEMA - Guidance for Flood Risk Analysis and Mapping 2016). Partiszűrésű ivóvízbázisoknál pl. a porozitás, rétegződés, áteresztőképesség, mederpáncélozódás, szemcseméretek mind a termelést befolyásoló jellemzők (Kovács 1972, Rákóczi 1979,
