本发明属于海洋科学及海洋工程，涉及一种深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法。
背景技术：
1、天然气水合物俗称可燃冰，广泛赋存于大陆边缘海底沉积物中。冷泉在海洋地质学中被广泛认为是一种普遍存在的现象，海底冷泉的形成与天然气水合物的分解和演化过程有着紧密的联系，根据科学研究估计，海底冷泉系统每年向上层海水中渗漏的甲烷量介于40万至1220万吨之间，在这一渗漏过程中，大部分甲烷以气泡流的形态自海底向上层海水运移，一部分甲烷会溶于海水之中，渗漏到海水中的甲烷可进一步溶解到水体、甚至进入大气对环境存在一定的潜在影响。
2、可以看出，深海甲烷泄漏区域的极端环境往往具备高压、低温、高腐蚀性等特征，同时该区域甲烷泄漏存在着间歇性泄漏、泄漏通量差异性大、泄漏时间随机性大、泄漏区域甲烷浓度变化幅度大等高异质性特征，导致原位环境下的甲烷渗漏研究往往伴随着极高的成本和极大的研究难度。
3、由于深海甲烷渗漏对海水及大气环境存在一定的影响，因此关于深海甲烷渗漏的运动轨迹具有一定的研究意义。现有技术中，常见的用于研究气泡三维轨迹的技术，通常采用船舶或石油开采场景，同时其关于气泡移动轨迹的研究较为粗略，故不适用于深海甲烷渗漏运动轨迹的研究。因此，如何在甲烷水合物包覆导致形态变化、甲烷气泡内气体传质导致气泡尺寸变化等影响下，对甲烷渗漏模拟装置中的甲烷气泡上升轨迹进行高精度计算，以探究甲烷气泡三维运动轨迹对甲烷传质影响的机制，仍然存在改进的空间。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，能够在甲烷水合物包覆导致形态变化、甲烷气泡内气体传质导致气泡尺寸变化等影响下，对甲烷渗漏模拟装置中的甲烷气泡上升轨迹、速率以及气泡大小进行高精度计算，以探究甲烷气泡三维运动轨迹对甲烷传质影响的机制。
2、本发明的目的通过以下技术方案实现：
3、一种深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，包括以下步骤：
4、s10：建立气泡运动过程中的三维坐标系；
5、s11：在反应釜相垂直的两面设置成透视面，在反应釜外对应两透视面的位置设置摄像单元，并使摄像单元的摄像端透过对应的透视面朝向反应釜的中心位置，将两个摄像单元与计算机系统连接，通过两个相垂直设置的摄像单元构建具备x、y、z轴的三维坐标系；
6、s20：获取气泡的三维坐标位置；
7、s21：在反应釜中进行甲烷渗漏模拟实验，在反应釜内正中设置用于测量的网格标尺，向上运动的气泡被两个摄像单元视频记录，气泡在所构建的三维坐标系中的位置被两个摄像单元分别记录在两个平面坐标系中，气泡质点位置在两个摄像单元记录的平面坐标系的坐标分别为(x，0，z)和(0，y，z)，将两个坐标进行整合即获取气泡运动过程中任意时刻质点位置的三维坐标；
8、s30：计算气泡运动过程的上升速率；
9、s31：基于所述s10和s20中所构建的三维坐标系以及获取气泡三维坐标位置的方法，在计算气泡的上升速率时，分别获取气泡在时间t1和时间t2中两个摄像单元的视频记录中对应帧数的图片，通过图片获取气泡在时间t1和时间t2中的三维坐标位置，分别定义为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，将气泡在时间t1和时间t2的三维坐标位置差除以相应时间差，以获取气泡运动的上升速率；
10、s40：计算气泡运动过程的尺寸大小：获取气泡在对应时间点中摄像单元的视频记录中对应帧数的图片，通过图片获取气泡的轮廓，通过网格标尺获取气泡轮廓的尺。
11、进一步的，在所述s10中还包括：s12：在反应釜内正中设置网格标尺，摄像单元拍摄网格标尺并获取多个包含镜头视野畸变效应的网格标尺的图片，将所述包含视野畸变效应的图片进行矫正并获取多个经矫正的网格标尺的图片，将多个包含镜头视野畸变效应的图片和经矫正的图片，迁移学习镜头视野矫正函数原理，构建畸变参数学习模型，将通过摄像单元拍摄后的网格标尺图片输入畸变参数学习模型中，以获取并输出相应镜头下的畸变参数，通过畸变参数矫正图片并获取相对标准的网格标尺以及三维坐标系。
12、进一步的，在所述s20和/或s30之前还包括：
13、s13：获取两个摄像单元拍摄气泡的视频记录文件，获取视频记录文件中每帧对应的图片，将每帧图片中的气泡图像进行气泡细节的膨胀和腐蚀处理，以获取气泡的清晰轮廓和气泡的质点位置；
14、s14：将所述s13中经过膨胀和腐蚀处理的气泡图像，进行气泡个体识别和气泡轮廓识别的标注，以获取大量标注的气泡图像，将其中4/5的气泡图像进行图像检测模型和语义分割模型训练，以获取气泡检测模型，将剩余1/5的气泡图像对训练后的气泡检测模型进行验证，当训练后并验证满足相应准确率时，将最终的气泡检测模型搭载并连接至两个摄像单元的后处理硬件设备中。
15、进一步的，在所述s14中，在将气泡图像进行图像检测模型和语义分割模型训练中，迁移学习yolov8模型和deeplabv3+模型分别作为图像检测模型和语义分割模型的主结构。
16、进一步的，在所述s31之前还包括以下方法：基于s20通过两个摄像单元对气泡视频记录，将视频记录文件转入所述气泡检测模型中，通过气泡检测模型进行实时检测，识别并标记气泡，标记后的气泡通过所述s20获取气泡三维坐标位置的方法，获取气泡相应时间节点的三维坐标位置。
17、进一步的，在所述s40中，采用以下方法：
18、s41：通过所述s12的畸变参数学习模型获取摄像单元每个镜头图片的畸变参数，在反应釜内的摄像单元的镜头范围的三维区域中多个位置设置网格标尺，并通过摄像单元拍摄单张图片；
19、s42：将所拍摄的单张图片的网格标尺的长度与经对应畸变参数矫正后的网格标尺的进行长度比对，以获取畸变长度，将所述s41中获取的畸变参数、反应釜内不同位置的网格标尺的畸变长度以及网格标尺的原始标尺长度进行空间坐标系的多项式非线性关系拟合；其中，每次将摄像单元与透视面的相对距离和/或摄像单元的高度调整后，均需要重新启动s41和s42步骤，以进行新的多项式非线性关系拟合；
20、s43：在深海甲烷渗漏模拟装置实验运行后，获得上升气泡在三维空间坐标系中的质点位置，将气泡质点位置的高度值输入所述s42中的多项式非线性关系并拟合结果，以获取该质点位置的畸变参数，通过畸变参数获取畸变后的气泡尺寸与实际尺寸的比例关系，进而通过该比例关系获取气泡轮廓的实际尺寸；
21、s44：基于所述s14训练后的气泡检测模型，利用气泡检测模型的语义分割模型将气泡的轮廓完整呈现，将语义分割后的气泡轮廓与通过相应畸变参数矫正后的网格标尺进行对比，获取相应镜头图片中气泡轮廓的尺寸，将所述s43中计算出的气泡位置的畸变参数与获取该镜头图片中气泡轮廓的尺寸放入多项式非线性关系拟合函数中，以计算获取气泡的实际尺寸。
22、s45：在反应釜中进行甲烷渗漏模拟实验，气泡接近于球形结构，通过所述s43或s44所获取的气泡轮廓的实际尺寸，计算气泡的体积、表面积、浮力参数。
23、本发明具有如下有益效果：
24、1、本发明提出了一种深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，相较于现有的实验室模拟深海甲烷渗漏实验的气泡研究方法，本发明考虑到甲烷水合物包覆导致形态变化、甲烷气泡内气体传质导致气泡尺寸变化等影响，用该方法对深海甲烷渗漏模拟装置中的甲烷气泡上升轨迹、速率以及气泡尺寸进行高精度计算，以达到探究甲烷气泡三维运动轨迹和高精度甲烷气泡尺寸对甲烷传质影响机制的目的。
25、2、本发明提出的方法基于深度学习模型，通过利用已有深海甲烷渗漏模拟实验数据和摄像机拍摄的气泡图像集，迁移学习并训练了针对性计算镜头视野畸变参数的相关函数模型用以自动识别捕捉气泡图像的图像检测模型和用以对气泡轮廓标记划分的语义分割模型。深度学习模型的加入极大地提高了对气泡运动过程中各个参数计算的便利性、准确性、高效性。
26、3、本发明提出的方法基于同一水平面拍摄角度垂直放置的双摄像机单元设备，通过深度学习模型(即畸变参数学习模型)引入镜头视野畸变参数，利用网格标尺，矫正并构建考虑到镜头视野畸变条件下的三维空间网格坐标系，用以精准定位任意时刻气泡实际空间位置，为计算任意时间段内气泡运动速率提供了数据支撑。
27、4、本发明提出的方法中，通过在装置反应釜内镜头视野前多个位置设置标尺，利用镜头视野畸变参数和拍摄后标尺在矫正后网格标尺对比后的相对长度参数(即畸变长度)，进行多项式非线性拟合，构建釜内任意点位的镜头畸变损失函数，进一步矫正了气泡尺寸相关参数，结合语义分割模型得到的气泡在镜头下的轮廓，计算釜内空间任意位置的气泡实际轮廓尺寸，为进一步计算气泡相关尺寸参数提供高精度保证。
1.一种深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s10中，还包括：
3.如权利要求2所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s20和/或s30之前，还包括：
4.如权利要求3所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s31之前，还包括以下方法：基于s20通过两个摄像单元对气泡视频记录，将视频记录文件转入所述气泡检测模型中，通过气泡检测模型进行实时检测，识别并标记气泡，标记后的气泡通过所述s20获取气泡三维坐标位置的方法，获取气泡相应时间节点的三维坐标位置。
5.如权利要求3所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s40中，采用以下方法：
6.如权利要求5所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s40中，还包括：
7.如权利要求6所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s40中，还包括：
8.如权利要求5至7任意所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s40中，每次将摄像单元与透视面的相对距离和/或摄像单元的高度调整后，均需要重新启动s41和s42步骤，以进行新的多项式非线性关系拟合。
9.如权利要求3所述的深海甲烷渗漏模拟过程中甲烷气泡三维运动轨迹捕捉方法，其特征在于，在所述s14中，在将气泡图像进行图像检测模型和语义分割模型训练中，迁移学习yolov8模型和deeplabv3+模型分别作为图像检测模型和语义分割模型的主结构。
