專利名稱：基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種河流流量測驗方法，尤其涉及一種基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，屬于非接觸式明渠測流技術領域。
背景技術：
隨著工農業(yè)生產和生活用水量的增加，水資源供需矛盾日益尖銳，導致河道斷流現象及水污染災害頻發(fā)，已對沿河地區(qū)的經濟、居民生活和生態(tài)環(huán)境等產生諸多不利影響。 同時，污水流量的長期監(jiān)測也是一項艱巨的任務。由于排污渠道環(huán)境惡劣，其濕度高、雜物多，并可能具有腐蝕性的氣體和液體，會給設備和操作人員帶來危險。因此，要求流量測驗儀器能夠以最小的維護投入進行長期的自動測量。對于平原灌區(qū)，在整個渠系的排水過程中，若精確了解到某時某處的流量，可為整個渠系的計劃用水和水量調配等工作提供量化參考，長期觀測也可為水利規(guī)劃設計和科學研究提供數據積累，因此如何迅速、準確地測得河流流量顯得至關重要。目前用于河流流量在線測驗的方法可分為以下兩大類(1)建筑物測流法，采用堰槽量水設備(如巴歇爾槽)，讓水流通過束縮的過水斷面形成緩流到急流的過渡即臨界流，保證穩(wěn)定的水位-流量關系，然后采用非接觸式水位計(如超聲波水位計)測出水位，根據率定曲線計算出動態(tài)流量。該方法易于實現自動化， 但需對已有河道進行改造，投資大；并且，率定曲線是一種全局的基于模型的曲線，不能夠捕獲局部的水力影響，對于非均勻流及紊流通常不能給出精確的結果。因此只適用于少數小型的人工渠道。(2)流速-面積法，以測速垂線為界將河流斷面劃分為幾個子區(qū)域，根據實測流速及水深計算各子區(qū)域的斷面面積、平均流速及流量，然后將各個子區(qū)域的流量求和得到總的斷面流量。根據傳感器相對水流的位置關系，流速測量方法又可分為以下三類a)接觸式。其中基于轉子式流速儀的方法被認為是河流流量測驗的標準方法。但由于流速儀測得的是點流速，歷時長，需配合橫跨河道的橋梁或纜道系統(tǒng)才能實現自動測驗，因此采用鉛魚流速儀所測流速值的空間和時間分辨率都較差。此外，對于污水渠道，這種流速儀必須放置于污水內，因此不能可靠地用于長期監(jiān)測。b)微侵入式。典型的是目前較為先進的聲學多普勒流速剖面儀法(ADCP)。座底式或水平式ADCP可在短時內直接測得斷面子區(qū)域中各水層的平均流速，實現河流流量在線測驗，但存在盲區(qū)且其對含沙量較為敏感，通常只適用于形狀規(guī)則的人工渠道；此外，由于換能器必須浸沒于水中，易受高速水流及漂浮物的沖擊并受河床沖淤影響，導致儀器運行的不可靠甚至損毀。c)非接觸式。比較成熟的是電波流速儀法，它測量的是位于波束與水面交界處的一維表面流速，空間分辨率有限，并且當風或湍流在水面產生細小的波動時才能產生足夠強的反射回波，因此不適用于水面平靜的低流速河流。可見，現有的流量測驗手段在原理上存在先天不足，受現場條件下流態(tài)和環(huán)境復雜度的影響以及技術和經濟因素的限制，使目前河流流量的實時監(jiān)測中存在著許多不精確和不確定性問題。尤其是在洪水、決提、大壩合龍等極端高流速環(huán)境下，以及針對流速極低而過水面積巨大的大尺度河流流量測驗，目前還沒有行之有效的測驗手段。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有河流測流技術存在的不足，而提出一種基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法。在該方法中設置有如下硬件系統(tǒng)a.用于實現水面流動可視化的水流示蹤系統(tǒng)；b.用于拍攝和存儲水面實時視頻流的視頻流采集系統(tǒng)；c.用于給圖像正射變換提供地面控制點及其坐標信息的攝像機標定系統(tǒng)；d.用于處理數字圖像的圖像處理系統(tǒng)；e.用于計算河流流量的流量估計系統(tǒng)；該方法分為三個階段(一 )測站部署階段，包括如下步驟(1)選擇測流河段；(2)獲取測流斷面水下地形；(3)部署現場硬件系統(tǒng)；(4)勘測地面控制點在世界坐標系下的平面坐標和高程坐標；(5)計算用于圖像畸變校正的DLT變換系數；( 二)流場測量階段，包括如下步驟(1)啟動水流示蹤系統(tǒng)投放示蹤粒子；(2)啟動視頻流采集系統(tǒng)拍攝包含示蹤粒子的水面視頻流，然后按固定的時間間隔取幀并數字化處理；(3)由圖像處理系統(tǒng)處理數字圖像包括圖像畸變校正、圖像增強、流速矢量提取、流速場后處理，最后得到修正后的水面瞬時流速場；(三)流量估計階段，該階段是先勘測測流斷面水位值，然后流量估計系統(tǒng)采用流速-面積法計算出河流流量。技術效果1.時空分辨率高。儀器測得的是水面瞬時二維流速矢量場，包含了水面流速分布的細節(jié)信息，而非傳統(tǒng)儀器測量的點流速或線流速；本方法能在數秒內完成視頻圖像采集、 流速場獲取和流量估計，并能在常規(guī)和極端水文過程期間對難以到達的測點實施密集測量。2.測量值可靠。當缺乏水面天然示蹤物時，通過播撒人工示蹤粒子的方式實現流動可視化，相比傳統(tǒng)浮標法測流，粒子的跟隨性更好，測量值更可靠。3.抗毀性強。儀器不接觸水體，不會因為高速水流的沖擊和漂浮物的纏繞而損毀， 維護成本低，可進行遠程控制和長期監(jiān)測。4.操作安全。儀器可布設于岸邊、橋上或空中自治運行，工作人員可通過計算機網絡遠程操控，無需涉水測量，極大保障了測流人員的生命安全。
5.原理直觀。相比聲學和雷達測流技術，基于視頻圖像的方法更加直觀明了 ；數字圖像易于理解、處理、存儲和傳輸，因此還可用于系統(tǒng)自身的故障診斷以及現場的工情監(jiān)測。6.成本低廉，配置靈活。儀器采用了市面上成熟且通用的硬件產品，如CCTV攝像機、LED補光燈、圖像采集卡和PC機等，系統(tǒng)易于獲取和搭建，可根據具體應用靈活配置，并且隨著新興成像技術和圖像處理技術的發(fā)展及應用，儀器的性能可得到進一步提升。7.可測量極低流速。非接觸式的測流方式不會對水流造成干擾，適用于淺水、寬斷面、低流速的河流。8.可測量極高流速。視頻圖像具有較高的分辨率和幀速率，覆蓋了從幾平方米到幾百平方米的水面，可捕捉高速流動的水面目標。


圖1是本發(fā)明方法涉及的系統(tǒng)架構示意圖，圖中標號名稱1、水流示蹤系統(tǒng)；1-1、 纜道；1-2、物料斗；1-3、示蹤粒子；2、水面照明系統(tǒng)；3、視頻流采集系統(tǒng)中的攝像機；4、水面；5、河岸；6、攝像機標定系統(tǒng)中的地面控制點；7表示時間平均水面流速；8表示水面插值流速；9表示深度平均流速；10、流量估計(測流)斷面；11、勘測的水下地形。圖2是本發(fā)明方法的流程圖。圖3是基于直接線性變換的圖像畸變校正算法示意圖。圖4是基于時域中值濾波的背景差分圖像增強算法示意圖。圖5是基于相關跟蹤的流速矢量提取算法示意圖。圖6是基于空域中值濾波的流速場后處理算法示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明方法作進一步說明。本發(fā)明方法中涉及的硬件系統(tǒng)架構如圖1所示，主要是由水流示蹤系統(tǒng)、水面照明系統(tǒng)、視頻流采集系統(tǒng)、攝像機標定系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和流量估計系統(tǒng)六個部分組成， 其中前四個部署在測驗現場，后兩個為監(jiān)控中心計算機運行的處理和計算系統(tǒng)。下面對上述六個系統(tǒng)進行分別介紹1.水流示蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由示蹤粒子和粒子投放裝置組成。理想條件下，標識流動的粒子應當具備以下兩個條件一是要能夠精確跟隨局部流體的運動，慣性及浮力是反應其是否符合流動特性的主要因素；二是要足夠大使其能夠被視頻流采集系統(tǒng)的成像器件檢測到。盡管在河流水面上可能存在一些天然示蹤物，如輕質漂浮物、泡沫、冰塊、懸浮質及細小的波紋，但它們的出現是隨機且不穩(wěn)定的，在低流速條件下的跟隨性和可見性也參差不齊。本方法采用投放人工粒子的方式以在天然示蹤物不足時進行補充，可獲得比較理想的效果。具體選用一種廉價的用作包裝填充材料的緩沖粒(又稱泡泡粒)產品作為人工示蹤粒子，它是由99%的玉米淀粉制成，是一種生物可降解的環(huán)保材料。粒子投放于水中數分鐘后就會自行分解，不會對水體和生態(tài)環(huán)境造成污染；吸水后其密度與待測水流的密度相近， 能滿足跟隨性的要求；其部分浸沒于水中可避免風力干擾引起的復雜度；并且白色的粒子能夠與深色的水體形成對比，便于檢測。粒子投放裝置包括懸索式纜道和物料斗，物料斗懸掛于懸索上，其經纜道控制在水面上方做往復運動，內盛的示蹤粒子從底部漏出播撒于水2.水面照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光源及光強傳感器組成。光源采用高亮鹵素燈或LED 補光燈，功率和發(fā)射角度應當和照射距離及鏡頭焦距相匹配，這樣才能在視場內獲得較為均勻的光照；光強傳感器用于感知環(huán)境光的強弱，以實現控制照明系統(tǒng)自動開啟或關閉。3.視頻流采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由測驗現場的CCTV攝像機及監(jiān)控中心的視頻服務器組成。攝像機安裝于云臺上的防水盒內，可對其旋轉角和俯仰角進行調節(jié)。攝像機拍攝PAL 制式(720X576像素，25幀/秒)或NTSC制式(640 X 480像素，30幀/秒)的模擬視頻流， 通過同軸電纜上傳至監(jiān)控中心的視頻服務器。視頻服務器通過視頻采集卡將模擬視頻流進行數字化處理，一路經過壓縮編碼(MPEG-4或H. 264格式)轉換成數字視頻流存儲于硬盤陣列上，可由本地/遠程的客戶端訪問，或通過視頻解碼盒解碼轉換為視頻信號在測控屏上顯示；另一路不經壓縮直接存儲為原始數字視頻幀數據(RAW或BMP格式)，由圖像服務器調用。4.攝像機標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)由至少六個地面控制點(GCP)組成，用于后期圖像的幾何校正。地面控制點是采用對測距激光具有強反射的鋁合金材料制成的形狀規(guī)則的十字形或正方形靶面。5.圖像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行于監(jiān)控中心的圖像服務器上。它首先從視頻服務器上讀取原始的數字視頻幀數據，然后對圖像進行畸變校正和圖像增強的預處理，接下來采用模式識別的方法獲得水面示蹤物在無畸變連續(xù)視頻幀中的位置，再將測得的位移除以連續(xù)幀的時間間隔得到每個分析區(qū)域的流速矢量，對視場中包含的各分析區(qū)域重復上述過程得到原始的瞬時流速場，最后利用鄰域信息對流速矢量進行校正得到修正的瞬時流速場。6.流量估計系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行于監(jiān)控中心的圖像服務器上。它是利用水面流速場以及勘測的斷面水下地形和水位值，基于流速-面積法估計出河流流量。圖像服務器將得到的流速場及流量結果存儲在本地硬盤上共客戶端調用，并將信息疊加在水面的視頻幀上通過VGA接口顯示于測控屏。本發(fā)明方法的流程如圖2所示，總體分為測站部署階段、流場測量階段和流量估計階段三個階段，下面對每一階段分別說明。(一 )測站部署階段，包括如下步驟內容1、選擇測流河段。具體實施時按照以下條件選取測流河段(a)河槽的底坡、斷面形狀、糙率等因素比較穩(wěn)定，槽段內的斷面規(guī)則、水流平順、流速分布對稱均勻；(b)河段內無巨大塊石、叢生水草阻水，無巨大漩渦、亂流等現象，當天然河道達不到以上要求時，必須進行人工整治使其符合測流條件；(c)宜選擇河面較窄、通視條件好、橫斷面較單一、受風浪影響較小的河段，這樣有利于示蹤粒子的投放，并能減小圖像遠場分辨率不足對測流精度的影響。有條件的測點還可利用橋梁、堰閘布置測驗。2、勘測斷面水下地形。人工渠道的斷面結構通常是已知的，而天然河道的水下地形可通過專用的聲學儀器(如多波束聲納或聲學多普勒流速剖面儀)直接測得。河流的水下地形勘測也可在測流時或測流后進行，前提是在該時間段內河床和邊坡不會發(fā)生顯著的變化。
3、部署現場儀器系統(tǒng)。水流示蹤系統(tǒng)部署于緊鄰測流斷面的上游；水面照明系統(tǒng)部署于河流測流斷面的兩岸，光源可與視頻流采集系統(tǒng)中的攝像機布置于同一位置，也可根據實際情況分散部署； 視頻流采集系統(tǒng)中的CCTV攝像機架設于岸邊制高點(可以是高層建筑、電線塔或臨時搭建的高桿)上或橫跨斷面的橋梁上，調整云臺的角度使其光軸盡量垂直于水流方向，且成像平面盡量平行于水面；由于在水面上放置控制點較為困難，在布設攝像機標定系統(tǒng)時，可將地面控制點平行放置于待測河段兩岸河面最高水位以上的某一水平面處，并且盡量均勻而分散地覆蓋完整的攝像機視場區(qū)域。4、勘測地面控制點坐標。采用全站儀、差分全球定位系統(tǒng)(DGPQ或激光測距儀測量各地面控制點(GCP)在世界坐標系Ow-XwYJw下的平面坐標(Ζ^, ^)以及高程坐標Zg，i = 1，L，N，這里N為GCP的數量。5、計算變換系數。拍攝一幅視頻幀，提取出GCP的圖像坐標，并基于直接線性變換的方法求解出用于圖像畸變校正的DLT變換系數，供鏡頭畸變校正和圖像正射校正使用。至此完成測站的前期準備工作。( 二)流場測量階段，包括如下步驟內容1、控制照明并投放粒子。啟動水面照明系統(tǒng)，光強傳感器根據環(huán)境光強判斷是否開啟補光光源。啟動粒子投放裝置，往復運動的物料斗將內盛的示蹤粒子均勻地播撒于水面，粒子群順流而下進入待測區(qū)域。2、拍攝視頻流并取幀。攝像機拍攝包含示蹤粒子的水面視頻流，由視頻服務器取幀并數字化為8位灰度圖像。3、處理數字圖像。數字視頻圖像的處理流程如下(1)圖像畸變校正。CCTV攝像機的光學系統(tǒng)一般為由多片透鏡組成的光學鏡頭， 按理想化的小孔成像原理建模時存在著模型誤差，引起包括徑向畸變、切向畸變和薄棱鏡畸變在內的二維圖像的非線性畸變。此外，為了使圖像包含較大的水流區(qū)域(通常是一個完整的測驗斷面)，攝像機通常處于一個傾斜于流動平面的視角下進行拍攝，由此引入了圖像的透視畸變。本方法采用了一種基于直接線性變換的圖像畸變校正算法，首先通過建立理想針孔攝像機模型、平面間變高單應關系以及鏡頭非線性畸變模型，建立鏡頭畸變模型下的圖像坐標和2D世界坐標間的映射關系，接著采用最小二乘法求解變換系數，包括DLT 正變換系數、非線性畸變系數和DLT逆變換系數，最后進行鏡頭畸變校正和圖像正射校正以獲得真實世界中的度量信息，并用雙線性內插法對整數坐標位置上的像素灰度進行插值，以便在圖像上進行顯示。(2)圖像增強。通過觀察可發(fā)現，水面背景像素的分布通常是均衡的，即單模態(tài)的，并且示蹤粒子相對于整個水面場景是一種運動連續(xù)的小目標。但相比傳統(tǒng)實驗室中使用的粒子圖像測速技術，現場環(huán)境下的測量條件更為復雜由于河流的開放性，不可避免地會在一定程度上受到外界環(huán)境的影響，如強風降雨在水面產生的擾動(動態(tài))、陽光在水面產生的鏡面反射(準靜態(tài))以及樹木或建筑的倒影(靜態(tài))等。如果在圖像預處理階段不能合理地消除這些不利的水面模式，將會對后續(xù)的流速矢量提取環(huán)節(jié)造成影響，因此需要采用圖像增強算法對水面灰度圖像進行預處理。本方法結合水面圖像的特點，設計了一種基于時域中值濾波的背景差分圖像增強算法，背景差分可充分利用圖像中變化部分的信息，使相關曲面的峰值銳化，而時域中值濾波背景估計的速度較快，保證所估計的背景像素可取到各幀輸入圖像中穩(wěn)定時間最長的像素值。因此該算法能較好地抑制多種不利的水面模式，突出前景的運動粒子，從而達到圖像增強的效果。(3)流速矢量提取。流速矢量提取算法是本方法的關鍵。在粒子密度中等、模式細節(jié)豐富且分布較為均勻的情況下，河流水面示蹤粒子及其它水面模式的相對位置在相鄰幀間隔內不會發(fā)生顯著變化。由此，本方法依據模式識別的原理進行目標跟蹤，具體采用了一種基于相關跟蹤的流速提取算法，它將歸一化的互相關系數作為模板圖像與匹配圖像灰度分布的相似性度量，通過對相關曲面中的峰值位置進行搜索及亞像素定位，確定第一幀圖像中的分析區(qū)域相對于第二幀圖像中對應窗口的最大似然位移。由于該算法利用圖像的統(tǒng)計特征而不是粒子的幾何特征進行匹配，單個示蹤粒子的尺寸并不重要，因此對圖像質量要求不高，可在低信噪比的條件下正常工作，能適應變化較復雜的流體運動目標。(4)流速場后處理。受示蹤粒子濃度低和分布不均的影響以及外界環(huán)境的干擾，視場中的某些待測區(qū)域可能會暫時性地缺乏明顯的示蹤物，導致無法估計出這些區(qū)域(標記為NULL的分析區(qū)域)的瞬時表面流速場(矢量缺失)，或導致出現偽矢量(幅值或方向的偏差較大)。因此，需要采用一些準則以及全局或局部的濾波過程來減少錯誤矢量的個數， 本方法采用空域中值濾波的方法修正偽矢量，并對缺失矢量進行插補。至此獲得修正后的水面瞬時流速場。(三)流量估計階段。河流流量是單位時間內通過測量斷面的水流體積，即流量=斷面平均流速X過水斷面面積。因此，本方法利用河流水下地形、水面流速場、水下縱向流速分布及水位值，基于流速-面積法估計河流流量。流速-面積法的原理是先以測速垂線作為劃分界線，將河流斷面劃分為若干個子斷面，再根據實測流速及水深計算各子斷面的過水面積、平均流速及流量，然后將各個子斷面的流量求和得到總的斷面流量。從本質上看它依賴于河流的斷面流速分布，在本方法中，水面流速場反映了水面橫向流速分布的規(guī)律，而建立水面流速與深度平均流速間關系的流速系數則反映了縱向流速分布的規(guī)律。流量估計方法流程如下1、勘測河流測流斷面水位。在確認河流水下地形參數有效(即在測流期間斷面的水下地形未發(fā)生顯著變化)的基礎上，通過超聲波水位計或水尺勘測實時水位值1。2、計算時間平均流速場。對于一段長度為N幀的視頻序列共有N-I個圖像對及其對應的瞬時流速場。對分析區(qū)域i的瞬時流速矢量Vi在時域進行信息融合，獲得時間平均流速矢量Ui, i = 1，2，L，M，M為時間平均流速矢量總數，簡單的融合方法可采用算術平均
Σ Y-υ = Af-i
1 ~ N-I然后，將所選勘測斷面中分析區(qū)域i的時間平均流速矢量Ui投影到流動主方向X， 得到標量的時間平均水面流速U”
3、計算水面插值流速。將測流斷面劃分為以n+1條測速垂線為邊界的η個子斷面， 則子斷面Sv的邊界為垂線ν和ν+1。由于測速垂線ν不一定對應于分析區(qū)域i，因此對垂線相鄰分析區(qū)域的時間平均水面流速Ui進行線性插值，求得測速垂線的水面插值流速U' v。4、計算深度平均流速。用水面插值流速U' v計算垂線的深度平均流速Z7V。假設每條測速垂線處縱向流速剖面的形狀都相同，則深度平均流速Ζ7ν=α /，其中α為流速系數，它反映了縱向流速分布的規(guī)律，其取值依賴于剖面形狀和河床的特性，在對數律的縱向流速分布和典型河床糙率的條件下，通常取α =0.85。5、計算子斷面流量。根據經典的流速-面積法計算子斷面Sv的流量Dv=Av(I)-Usv其中是子斷面的平均流速，假定其大小為子斷面兩條邊界垂線深度平均流速的均值，即是水位值為1時子斷面Sv的過水面積，
Av (/) = ^(K+hv+l)wv ； hv和hv+1是子斷面Sv兩條邊界垂線處的水深，由水下地形及水位值1
共同給出；wv是子斷面Sv的寬度，即子斷面Sv兩條邊界垂線之間的水平距離。6、計算斷面流量。將各個子斷面的流量求和得到河流的總斷面流量至此完成河流流量估計。下面結合附圖對本方法中涉及的部分算法展開說明?；谥苯泳€性變換的圖像畸變校正算法如圖3所示。圖像畸變校正實質上是建立 3D世界坐標系中的點在2D世界坐標系中的坐標與它在鏡頭畸變模型下的圖像坐標之間的關系。校正原理建立在含畸變的針孔攝像機模型基礎上，校正過程包括鏡頭畸變校正和圖像正射校正，具體內容如下I、理想針孔攝像機模型的建立CCTV攝像機的成像系統(tǒng)建立在理想針孔攝像機模型的基礎上，模型和圖像畸變校正算法共包含5種坐標系反映真實物理空間的3D世界坐標系Ow-XwYwZw、反映攝像機方位的攝像機坐標系0。-xyz、反映(XD/CM0S感光器件所在平面的像平面坐標系O1-X1Y1、反映采集的視頻幀在計算機上顯示的圖像坐標系Os-XsYs，以及正射校正后水面對應的2D世界坐標系 Ow-XwYw。其中，攝像機坐標系Oc-Xyz的坐標原點為透鏡的光學中心0C，ζ軸與光軸重合；像平面坐標系O1-X1Y1的中心位于光軸與像平面的交點O1, X1, Y1平行于χ、y軸；圖像坐標系 Os-XsYs的坐標原點&與2D世界坐標系Ow-XwYw的坐標原點Ow重合。對于3D世界坐標系中的點Pw0(w，Yff, Zw)，其在攝像機坐標系中的坐標為Pc(x，y， ζ)，在理想針孔模型下的像平面坐標為P1 (X1, Y1)，在鏡頭畸變模型下的像平面坐標為P1 (X1, Y1),在理想針孔模型下的圖像坐標為Ps(xs，Ys)，在鏡頭畸變模型下的圖像坐標為Ps(xs， ys)，在理想針孔模型下的2D世界坐標為Pw (Xw，Yw)，在鏡頭畸變模型下的2D世界坐標為 Pw (xw，yw) οII、平面間變高單應關系的建立
在理想針孔攝像機模型中，攝像機中心、圖像點和目標點間存在共線的約束，圖像和世界坐標系間的坐標空間變換可由共線方程推導得到如下線性關系
χ _ h-^w + h^w + h^w + h ν s j γ ι 7 γ ι 7 ν ι ι
ι9Λ W "‘" 1IO1IV """'11 乙『Tl
Y _ h-^w + h^w + Z7Zfj7 + Is
1S _
h-^w ho^w + hi^w +1
該變換即為直接線性變換(DLT)的正變換表達式，Ii稱作DLT正變換系數，i = 1， 2，K，11。通常情況下，可以把水面近似看作一個平面，Zff = 0的直接線性變換描述了它和圖像平面間的單應關系。由于在水面上放置控制點較為困難，在布設標定系統(tǒng)時可將GCP平行放置于河面最高水位以上高程坐標為Zg的某一平面處，Zg可表示為Z^ =CilX^+ dX +d3(2)其中，Clpd2分別為高程相對Zg、if方向變化的系數，d3(t)是t時刻GCP所在平面與水平面間的高度差，水位值由自記式水位計測得。假設河流表面的傾斜很小，則可將上式簡化為Zg =式( )。將其代入直接線性變換公式中可得Xg = 爐(0 + 4 ⑶
h-^-w jrKJw +/^3(,) + 1YG = + ！6巧 + + K
h-^-w+/^3(,) + 1可見，結合水位變化進行修正的直接線性變換的方程組共有11個待求的未知量。III、鏡頭非線性畸變模型的建立為消除或減輕非線性畸變，在像平面坐標系中建立以下非線性畸變模型X1=X1+ R1X1 (Xj2 +yj) + Ii2X1 (Xj2 + yj)2 + px (3xf +yj) + 2p2xIyI + S1 (Xj2 + yj) (4)Y1 =yI+ Uj1 (Xj2 + 2) + ^y1 (Xj2 + yj f + IplXJ1 + p2 ^x21 +yj) + S2 (Xj2 + yj)式中1^1 為徑向畸變系數，Pi、P2為切向畸變系數，S1^s2為薄棱鏡畸變系數。根據實際情況可對該畸變模型進行簡化，例如可只需要考慮徑向畸變。因為引入過多的非線性參數有可能會引起解的不穩(wěn)定性。此外，畸變像平面坐標(Xl，Y1)與畸變圖像坐標(xs，ys)的關系可表示為X1=(Xs-Cx)S-Jdx (5)Y1 = (ys-Cy) dy式中CX、Cy為鏡頭光軸與像平面的交點在圖像坐標系Xs、Ys軸上的坐標值，Sx為垂直比例因子，dx為C⑶在χ方向相鄰像敏單元中心距，dy為C⑶在y方向相鄰像敏單元中心距。同理，理想像平面坐標(X1, Y1)與理想圖像坐標(Xs，Ys)的關系可表示為X1=(Xs-Cx)S-Jdx(Q)Y1 = (Ys-Cy) dy
11
對應的逆關系式為Xs =X1SxCi-J+Cx (7)Ys=Y1Ci-^Cy設a。=Sxd-J，則最終待求的系數為(Cx，Cy, a0, k2，Pl, p2, S1, s2)。IV、變換系數求解1.求解DLT正變換系數在測站部署階段勘測N ^ 6個共面的GCP，將N個平面坐標值(Zf, 及其高程坐
標值Zg =式代入式(1)直接線性變換方程組的矩陣形式WL=I(8)式中
權利要求
1.一種基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于該方法中設置有如下硬件系統(tǒng)a.用于實現水面流動可視化的水流示蹤系統(tǒng)；b.用于拍攝和存儲水面實時視頻流的視頻流采集系統(tǒng)；c.用于給圖像正射變換提供地面控制點及其坐標信息的攝像機標定系統(tǒng)；d.用于處理數字圖像的圖像處理系統(tǒng)；e.用于計算河流流量的流量估計系統(tǒng)；該方法分為三個階段(一)測站部署階段，包括如下步驟(1)選擇測流河段；(2)獲取測流斷面水下地形；(3)部署現場硬件系統(tǒng)；(4)勘測地面控制點在世界坐標系下的平面坐標和高程坐標；(5)計算用于圖像畸變校正的DLT變換系數；(二)流場測量階段，包括如下步驟(1)啟動水流示蹤系統(tǒng)投放示蹤粒子；(2)啟動視頻流采集系統(tǒng)拍攝包含示蹤粒子的水面視頻流，然后按固定的時間間隔取幀并數字化處理；(3)由圖像處理系統(tǒng)處理數字圖像包括圖像畸變校正、圖像增強、流速矢量提取、流速場后處理，最后得到修正后的水面瞬時流速場；(三)流量估計階段，該階段是先勘測測流斷面水位值，然后流量估計系統(tǒng)采用流速-面積法計算出河流流量。
2.根據權利要求1所述的基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于 該方法中還設置有由光源和光強傳感器組成的水面照明系統(tǒng)，所述水面照明系統(tǒng)部署于測流斷面的兩岸。
3.根據權利要求1所述的基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于 所述階段(一)的步驟(3)的內容如下水流示蹤系統(tǒng)部署于緊鄰測流斷面的上游，架設視頻流采集系統(tǒng)中的CCTV攝像機，使其光軸垂直于水流方向，將攝像機標定系統(tǒng)中的地面控制點平行設置于測流河段兩岸最高水位以上一水平面處，地面控制點覆蓋完整的攝像機視場區(qū)域。
4.根據權利要求1或3所述的基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于所述攝像機標定系統(tǒng)是由至少六個地面控制點組成。
5.根據權利要求1所述的基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于 所述階段(一)的步驟(5)的方法為利用視頻流采集系統(tǒng)拍攝一幅視頻幀，提取出地面控制點的圖像坐標，基于直接線性變換的方法求解出用于圖像畸變校正的DLT變換系數。
6.根據權利要求1所述的基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于 所述采用流速-面積法計算出河流流量的步驟如下(1)計算時間平均流速場對第i個分析區(qū)域的瞬時流速矢量Vi在時域進行信息融合，得到時間平均流速矢量Ui, 將Ui投影到流動主方向X，得到標量的時間平均水面流速Ui, i = 1,2, ... , M，M為時間平均流速矢量總數；(2)計算水面插值流速根據流速-面積法，將測流斷面劃分為以n+1條測速垂線為邊界的η個子斷面，對測速垂線相鄰分析區(qū)域的時間平均水面流速仏進行線性插值，得到測速垂線的水面插值流速 U' ν；—(3)計算深度平均流速Z7v=af/，其中α為流速系數；(4)計算子斷面流量計算子斷面Sv的流量Dv = <(/)_ZL，其中&是子斷面的平均流速，AJl)是水位值為1 時子斷面Sv的過水面積；(5)將各個子斷面的流量求和，得到所測河流的總斷面流量，即求得河流流量。
7.根據權利要求1、3、4或5所述的基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，其特征在于所述地面控制點是采用鋁合金材料制成的十字形或正方形靶面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現方法，屬于非接觸式明渠測流技術領域。該方法中涉及水流示蹤系統(tǒng)、水面照明系統(tǒng)、視頻流采集系統(tǒng)、攝像機標定系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和流量估計系統(tǒng)六個部分，水流示蹤系統(tǒng)在測流河段投放示蹤粒子，攝像機拍攝水面視頻流，然后按固定時間間隔取幀并數字化處理，圖像處理系統(tǒng)根據攝像機標定系統(tǒng)提供的地面控制點坐標信息對數字圖像進行處理，最后流量估計系統(tǒng)采用流速-面積法計算出河流流量。本發(fā)明在降低河流測流復雜度的同時能保證較高的測量精度，可實現極端環(huán)境下河流流量的動態(tài)監(jiān)測。
文檔編號G01F1/704GK102564508SQ20111041946
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權日2011年12月14日
發(fā)明者嚴錫君, 張振, 徐立中, 王鑫 申請人:河海大學