專利名稱：非接觸式河流表面流場成像量測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種明渠水流監(jiān)測方法，尤其涉及一種非接觸式河流表面流場成像量測方法，屬于明渠測流技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
洪水期間精確的流速、流場、時序信息以及總徑流變化速率的高分辨率估計(jì)，是河流水文學(xué)、河流地貌學(xué)以及河流生態(tài)學(xué)研究的重要依據(jù)。然而，高洪時期的水流往往具有含沙量高，混雜物多，流速快等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)測流儀器無法正常施測。大尺度粒子圖像測速(Large-Scale Particle Image Velocimetry,LSPIV)是一種安全、高效的全場流速測量技術(shù)。它采用模式識別的方法匹配、跟蹤無畸變連續(xù)視頻圖像中的水面示蹤物，實(shí)現(xiàn)流場的定量表示及可視化。作為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的粒子圖像測速(PIV)技術(shù)在大尺度現(xiàn)場環(huán)境下的擴(kuò)展，不僅可用于常規(guī)條件下天然河道水流紊動特性的研究，其非接觸特性更使之成為極端條件下河流流量測量少數(shù)可行的方法之一。但是，極端條件下流體物化屬性及測驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜多變，特別是觀測窗口內(nèi)光強(qiáng)、水面反射及水下散射和天空散射等光線擾動的復(fù)雜光學(xué)環(huán)境下，水流示蹤/漂浮物的尺度、旋轉(zhuǎn)與遮擋等非剛體運(yùn)動狀態(tài)變化將導(dǎo)致運(yùn)動矢量估計(jì)的困難，且目標(biāo)時空分布不均或密度較低，極易導(dǎo)致水面流場重建錯誤?，F(xiàn)有方法直接移植或借用光學(xué)成像檢測和圖像處理領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，達(dá)不到水流示蹤物可靠和穩(wěn)定地連續(xù)檢測的要求，使得LSPIV在野外難以推廣應(yīng)用。如何在極端測驗(yàn)條件下，解決水面弱小目標(biāo)光學(xué)信息的連續(xù)采集和檢測、運(yùn)動矢量估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流場重建與定標(biāo)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的研究課題。已有的研究成果表明水體對太陽電磁輻射的吸收在700_1600nm的近紅外波段較強(qiáng)，1400nm和1900nm附近的吸收率甚至接近100% ;對于河流、湖泊、濕地等天然水體，即使水很淺也能吸收絕大部分的紅外輻射；而多數(shù)陸生植物以及濱海淺水的海草卻總在近紅外波段出現(xiàn)反射峰。因而在近紅外圖像中，水面背景與樹葉、小木片等水面示蹤物間必然存在較大的亮度差異?；谏鲜鲈?，若在近紅外波段下成像可在一定程度上抑制水面光學(xué)噪聲，較之目前現(xiàn)有的基于可見光成像的LSPIV方法，有利于提高運(yùn)動矢量估計(jì)的峰值信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有方法存在的不足，提供了一種非接觸式河流表面流場成像量測方法。該方法通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)方法首先通過在圖像傳感器前加裝近紅外濾光片實(shí)現(xiàn)近紅外成像，增強(qiáng)水流示蹤物與水面背景間的亮度對比；其次對圖像進(jìn)行空域高通濾波，抑制水面光學(xué)噪聲；然后采用快速傅立葉互相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)動矢量估計(jì)，得到各分析區(qū)域的位移矢量；接下來采用一種基于時空聯(lián)合濾波的方法重建時間平均流場；最后采用直接線性變換方法對流速矢量進(jìn)行正射校正，實(shí)現(xiàn)流場定標(biāo)及可視化。非接觸式河流表面流場成像量測方法，分為圖像采集、圖像處理、流場定標(biāo)及流場可視化四個步驟。其特征在于圖像采集和圖像處理在以圖像處理專用DSP為核心的智能相機(jī)上完成，僅上傳時間平均流場信息及序列的首幀圖像；流場定標(biāo)及流場可視化在上位機(jī)上完成。其中，圖像處理步驟可分為圖像增強(qiáng)、運(yùn)動矢量估計(jì)和時間平均流場重建三項(xiàng)任務(wù)。所述的圖像采集步驟通過在智能相機(jī)的單色CMOS圖像傳感器前加裝近紅外濾光片實(shí)現(xiàn)近紅外成像，增強(qiáng)水流示蹤物與水面背景間的亮度對比。所述的圖像增強(qiáng)任務(wù)采用空域高通濾波的方法抑制水面光學(xué)噪聲。濾波采用如下7X7的卷積模板
權(quán)利要求
1.一種非接觸式河流表面流場成像量測方法，分為圖像采集、圖像處理、流場定標(biāo)及流場可視化四個步驟，其特征在于圖像采集和圖像處理在以圖像處理專用DSP為核心的智能相機(jī)上完成，僅上傳時間平均流場信息及序列的首幀圖像；流場定標(biāo)及流場可視化在上位機(jī)上完成，其中，圖像處理步驟可分為圖像增強(qiáng)、運(yùn)動矢量估計(jì)和時間平均流場重建三項(xiàng)任務(wù)； 所述的圖像采集步驟通過在智能相機(jī)的單色CMOS圖像傳感器前加裝近紅外濾光片實(shí)現(xiàn)近紅外成像，增強(qiáng)水流示蹤物與水面背景間的亮度對比； 所述的圖像增強(qiáng)任務(wù)采用空域高通濾波的方法抑制水面光學(xué)噪聲；濾波采用如下7X7的卷積模板
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式河流表面流場成像量測方法，屬于明渠測流技術(shù)領(lǐng)域。所述方法首先通過在圖像傳感器前加裝近紅外濾光片實(shí)現(xiàn)近紅外成像，增強(qiáng)水流示蹤物與水面背景間的亮度對比；其次對圖像進(jìn)行空域高通濾波，抑制水面光學(xué)噪聲；然后采用快速傅立葉互相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)動矢量估計(jì)，得到各分析區(qū)域的位移矢量；接下來采用一種基于時空聯(lián)合濾波的方法重建時間平均流場；最后采用直接線性變換方法對流速矢量進(jìn)行正射校正，實(shí)現(xiàn)流場定標(biāo)及可視化。本發(fā)明能夠穩(wěn)定、可靠地用于復(fù)雜水面光學(xué)環(huán)境下的河流表面流場量測。
文檔編號G01P5/22GK102866260SQ201210346488
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者張振, 徐立中, 陳哲, 沈潔, 嚴(yán)錫君, 王鑫 申請人:河海大學(xué)