[發明專利]一種基于無人機的機器視覺涌潮流速測量方法

有效

• 申請號: 202110430752.1
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113344953B
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 馬志斌;占光潔;丁濤
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13;G06T7/136;G06T7/155;G06T7/90;G06T5/00;G01C13/00;G01P5/00
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本發明公開了一種基于無人機的機器視覺涌潮流速測量方法，該方法的實現依次包括視頻圖像采集、灰度化及濾波處理、邊緣檢測、膨化操作、潮頭線提取和涌潮速度計算共六個環節。傳統的固定檢測方法僅能獲取有限點位的水文數據，對于涌潮整體形態和傳播機理研究而言，信息量有限。無人機具有機動靈活和檢測范圍廣等優勢，有利于獲取更加全面的涌潮流速信息。本發明構建的潮頭線檢測方法，有效地避免了江面上水紋和波光的影響，識別出任意形態的潮頭線，提供精準的點位信息。本發明提供的涌潮流速測量方法具備測量空間尺度大、潮頭線識別精確、非接觸式安全性高等優勢，可達到更好的涌潮流速測量的要求，為涌潮傳播規律的研究提供更加全面的數據支持。

技術領域

本發明涉及智慧水利領域，特別涉及一種基于無人機的機器視覺涌潮流速測量方法。

背景技術

錢塘江是浙江省第一大河，發源于安徽南部，流經皖、浙兩省，最后經杭州灣注入東海，潮波在進入杭州灣向上游傳播的過程中，潮差不斷增大，杭州灣平面急劇收縮，潮差增大，加上錢塘江沙坎使水深迅速減小，使得潮波淺水效應增強，導致潮波變形，在漲潮波前部尤其明顯，從而形成水位驟然升高的漲潮潮波前鋒線，即為涌潮，他是天下獨特的自然景觀和寶貴的旅游資源，同時，涌潮還存在著一些巨大的危害，比如涌潮造成河床大沖大淤，不利于通航和沿江兩岸安縣的開發利用；涌潮掏刷堤防及其他涉水建筑物造成潮災。因此，為保護錢塘江涌潮這一寶貴的自然資源，緩解乃至消除其災害，積極開展錢塘江涌潮流速研究，加深對涌潮的認知，具有十分重要的學術意義和實際價值。

同時，涌潮觀測的手段對于涌潮的研究起著非常重要的意義，傳統涌潮形態觀測主要分為接觸式和非接觸式兩種方法，接觸式方法主要采用單點布設水文觀測標尺或水位計等方式，采集的涌潮水位數據往往只是某觀測點的點數據，難以獲取多點乃至面狀涌潮形態數據，不足以為研究錢塘江涌潮形態提供全面的數據支撐，而且在潮水的不斷沖刷后，儀器容易損壞，造成測量的精確度下降。非接觸式方法包括監控視頻測速和音頻測速，非接觸式測速方法的優點就是安裝較方便，在岸邊架設即可，并且不會因為潮水的沖刷造成儀器的損壞，但是涌潮在傳播過程中速度和形態會受到地形、風向、岸線的影響從而造成涌潮的速度，比如水的深度不同會對涌潮潮頭形態、行進速度會產生影響，不同風向的風會對涌潮有激勵或壓制作用，因此以上兩種非接觸式的涌潮流速檢測的方法就會因為其定點布設監測站的方式而使得檢測的范圍受到限制，無法觀測涌潮的動態變化過程，因此，通過利用無人機的機動性和便攜性，將無人機與機器視覺測速相結合，通過控制無人機的飛行路徑，能夠有效的獲取到任意地點的涌潮速度，并且動態地觀測涌潮在傳播過程中速度的變化過程，為涌潮傳播規律的研究提供全面的數據支持。

基于機器視覺的涌潮流速測量方法主要利用涌潮在傳播的過程中潮差不斷增大，潮波淺水效應增強，導致潮波變形，從而形成水位驟然升高的漲潮潮波前鋒線的特點，通過Canny邊緣檢測，提取出完整的潮頭線。籍素芳等人提出利用邊緣檢測以及霍夫變換提取出潮頭線，這種方法簡單快速，能夠提取出背景簡單且涌潮形態是直線的潮頭線，但是由于涌潮在推進的過程中各個點位的速度并不完全相同，導致涌潮的形態并不是一條筆直的直線，而是不規則的曲線，因此這種方法就無法精準地提取出任意形態的潮頭線；曾旭等人通過建立混合高斯模型來構建基于視頻識別的涌潮背景模型，然后再利用所得的背景圖像與當前視頻幀進行相減，得到錢塘江潮水的前景圖像，經過平滑去噪處理后，檢測出涌潮信息，但是當水面上存在許多水紋或者光波時，就會使得檢測的結果參雜這些水紋和光波，影響潮頭線的提取，而本文所提出的潮頭線檢測的方法不僅可以提取出任意形態的潮頭線，還能夠有效地避免江面上水紋和光波的影響，精準地提取潮頭線。

本文提出的基于無人機的機器視覺涌潮流速測量方法有兩個創新點：一是利用無人機機動靈活和監測范圍廣等優勢，以其作為涌潮監測平臺來彌補現有固定監測站的不足，有利于獲取到任意地點的涌潮速度，并且動態地觀測涌潮在傳播過程中速度的變化過程，為研究涌潮在傳播過程中速度的變化提供全面的數據支持，二是本發明所構建的潮頭線檢測方法能夠有效避免水紋和光波等水面上噪聲的影響，自動識別出任意形態的潮頭線，并最終選取潮頭線任意一點計算潮頭線在該點的瞬時速度，為研究涌潮各個點位的瞬時速度提供精準的點位信息。