[發明專利]基于變分原理的河道表面流速計算方法及裝置

有效

• 申請號: 202111245260.1
• 申請日: 2021-10-26
• 公開（公告）號: CN113689473B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 黃凱霖;陳華;劉炳義
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246;G06T7/73;G01C13/00;G01P5/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發明提供基于變分原理的河道表面流速計算方法及裝置，獲取目標區域圖像并進行處理，通過非接觸的方式并且以較高的精度得到目標區域流場數據。步驟1.初次測流前的準備；步驟2.通過圖像獲取裝置對河道進行視頻采集，將采集獲取的影像序列中流體的像素流場的運動轉化為求解能量泛函極值問題；求解偏微分方程得到像素流場分布數據，像素流場分布數據包含河道像素點的運動方向和速度；步驟3.根據步驟2計算得到的數據和步驟1確定的變換關系，得到像素點在世界坐標系下的空間坐標，進一步計算得到流速。

技術領域

本發明屬于圖像數據處理領域，具體涉及基于變分原理的河道表面流速計算方法及裝置。

背景技術

水文測驗是一項國家重要的基礎工作，河道流量測驗作為水文測驗的重要組成部分。隨著社會需求急劇擴大，信息化水平飛速提高，河道流量測驗需要滿足自動化、智能化和在線化的要求。河道流量測驗實現在線測驗的關鍵在于河道斷面流速的在線計算。目前傳統接觸式測量手段難以實現河道斷面流速的實時在線計算，非接觸式的視頻測流方式提供了河道斷面流速實時在線計算的解決方案。

目前接觸式測流的方式主要有轉子流速儀和聲學多普勒流速剖面儀，存在的問題首先在于受限于環境，需要配備相應的測驗基礎設施如纜道等，其次在洪水期間可能會對測驗的人員帶來相當的危險，第三接觸式測流儀器一般造價貴，成本高。非接觸式測流主要有雷達測流方法和視頻圖像測流方法。雷達測流受限于安裝的位置較為嚴格，不同量級的流速所要求雷達相對水面的最小距離，角度不盡相同。視頻測流方法主要有時空演算法(Space-Time Image Velocimetry，STIV)，根據圖像的亮度信息來計算水流動態，能在沒有漂浮物的情況下計算表面流速，但只能獲取一個維度方向上的速度，且在紊動強度較大的情況下效果不佳。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供基于變分原理的河道表面流速計算方法及裝置，能夠通過非接觸的方式并且以較高的精度獲取目標流場。

本發明為了實現上述目的，采用了以下方案：

本發明提供基于變分原理的河道表面流速計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1.初次測流前的準備：

根據現場環境的特點，于河道的左右岸坡處設置多個標定牌，采用測量設備測量標定牌的坐標并記錄；

設置圖像獲取裝置，調整拍攝角度和焦距使得視野能涵蓋范圍內的標定牌和河道中流體的運動；

基于標定牌的位置確定圖像序列三維坐標點到圖像像素點坐標的變換關系；

步驟2. 通過圖像獲取裝置對河道進行視頻采集，將采集獲取到的影像序列中流體的像素流場的運動估計轉化為求解如下能量泛函極值問題；

(1)

式中，i表示圖像中第i行的像素集合，j表示圖像中第j列的像素集合，t為圖像的拍攝時間，ω(i,j)表示待求解的像素流場分布，I=I(i,j,t)表示拍攝的影像序列，D為擴散系數；▽為梯度算子，Δ為拉普拉斯算子，α為權重系數；，分別為針對流場和梯度的函數(Scoring function)；目標泛函的一般形式為：

(2)

求解以上能量泛函極值問題得到像素流場分布ω(i,j)；