[發(fā)明專利]基于數(shù)字圖像處理的水體水位測量方法

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• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112212935A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周波
• 申請（專利權(quán)）人: 北京艾克斯智能科技有限公司
• 主分類號: G01F23/00
• 分類號: G01F23/00;G06T7/11;G06T7/136
• 代理公司: 深圳深瑞知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44495
• 代理人: 劉慧玲

本發(fā)明公開了基于數(shù)字圖像處理的水體水位測量方法，包括具體步驟如下：圖像采集裝置對標(biāo)識物進(jìn)行圖像采集，并計(jì)算出標(biāo)識物在圖片中的坐標(biāo)位置及空間幾何尺寸等參數(shù)；對參照物進(jìn)行透視變換，得到正逆透視矩陣；檢測識別水面上游面水位線；根據(jù)預(yù)先錄入的參照物實(shí)際空間距離，與圖片中像素距離相除得到電子水尺比例尺；設(shè)定電子水尺測量范圍，生成電子水尺，將電子水尺還原至圖片中位置；將識別出來的水位線像素值高度與電子水尺像素高度比較，并根據(jù)像素與實(shí)際距離比例尺計(jì)算出水位線實(shí)際高度。本發(fā)明所述的基于數(shù)字圖像處理的水體水位測量方法，本發(fā)明采用圖像處理方法得到的水位線誤差較小，可為多數(shù)水體水位的自動(dòng)化測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水位測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于數(shù)字圖像處理的水體水位測量方法。

背景技術(shù)

水位是河流湖庫的基本水文要素之一，連續(xù)可靠的水位監(jiān)測對于水資源調(diào)度和防汛抗旱具有極大的意義，傳統(tǒng)的水位讀取是依靠傳統(tǒng)水尺通過人工讀數(shù)記錄水位的高度，是一種最直觀和簡單的測量工具，幾乎成為水文站的標(biāo)配；然而傳統(tǒng)水尺測量需要人工定時(shí)觀測，自動(dòng)化程度低，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)有的自動(dòng)水位計(jì)主要包括浮子式、壓力式、超聲波式及雷達(dá)式等，浮子式水位計(jì)利用重錘帶動(dòng)浮子感應(yīng)水位升降，并采用光電編碼器量化水位高程，具有精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但通常需要建造測井房，造價(jià)較高，壓力式水位計(jì)通過感測不同水深產(chǎn)生的壓力換算出水位值，傳感器布設(shè)需深入水體，測量精度容易受到水中雜質(zhì)和含沙量的影響，超聲波式水位計(jì)利用聲波往返探頭到水面間的渡越時(shí)間和聲速計(jì)算距離并換算成水位值，由于聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度的影響顯著，且溫度分布通常難以精確獲得，因此大量程下的測量精度有限，雷達(dá)式水位計(jì)和超聲波式水位計(jì)的原理類似，由于電磁波受溫度的影響小，因此精度較高，但目前設(shè)備及安裝成本較高，通常需要采用懸臂支架安裝于水面之上以獲得近似垂直的探測角度，否則電磁波的反射信號將顯著衰減導(dǎo)致無法精確施測；

目前國內(nèi)許多重要的水位觀測點(diǎn)均建設(shè)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)并配有標(biāo)準(zhǔn)物理水尺，為基于視頻圖像的水尺水位檢測提供了有利條件，圖像法利用圖像傳感器代替人眼獲取水尺圖像，通過圖像處理技術(shù)檢測水位線對應(yīng)的讀數(shù)，從而自動(dòng)獲取水位信息，相比現(xiàn)有方法，在原理上具有非接觸、無溫漂、無轉(zhuǎn)換誤差等優(yōu)點(diǎn)；實(shí)施時(shí)既可在現(xiàn)有水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造實(shí)現(xiàn)，也可利用成熟的GPRS或4G無線視頻圖像傳輸系統(tǒng)在野外建立觀測點(diǎn)，具有機(jī)動(dòng)靈活、建站成本低的優(yōu)勢，因此，近年來圖像法水位檢測在機(jī)器視覺和水利量測領(lǐng)域已成為新的研究熱點(diǎn)，并逐漸出現(xiàn)了一些基于視頻圖像的水位自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，然而，這些系統(tǒng)及方法主要通過檢測和識別水尺上的刻度線及字符獲得水位線的位置信息，受復(fù)雜現(xiàn)場條件的影響，在測量精度和可靠性上仍然存在較大的局限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有圖像法水位檢測存在的安裝物理水尺施工復(fù)雜成本高、物理水尺長期使用帶來的污漬污染、顏色磨損帶來的識別精度降低等問題，并通過可視化的形式實(shí)時(shí)展示水位高度，本發(fā)明通過更換測量方法完成這一目的，通過更換參照物，不再需要施工安裝物理水尺，不再將物理水尺作為參照物，而是選擇圖片中的已知高度的參照物作為參考，并通過與圖片中的像素距離進(jìn)行比較得到圖片像素與物理世界實(shí)際距離的換算比例尺，以圖片中參照物的高度為基準(zhǔn)根據(jù)比例尺畫出圖片上的帶刻度的水尺圖像，而后通過圖像分割技術(shù)提取到水面分界線，并在圖片中顯示出提取的分界線，通過定位水位線在模擬水尺的像素位置，來確定水位線在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際高度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于數(shù)字圖像處理的水體水位測量方法，具體步驟如下：

(S1)、在待測水體測量位置布設(shè)圖像采集裝置和附近布設(shè)標(biāo)識物；

(S2)、所述圖像采集裝置對標(biāo)識物進(jìn)行圖像采集，得到帶有標(biāo)識物的圖片，并計(jì)算出標(biāo)識物在圖片中的坐標(biāo)位置及空間幾何尺寸等參數(shù)；

(S3)、基于透視原理對參照物進(jìn)行透視變換，得到正逆透視矩陣；