本發(fā)明涉及一種電子測量領域，尤其涉及一種水情監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術：

在現(xiàn)有技術的水位測量方法中，浮子式水位計在水情監(jiān)測中的應用最為普遍。將浮子用線垂直掛在一個滑輪上，浮子放在水面上，就會隨著水位的高低而產(chǎn)生上下的位移。通過管內浮子和指定點的距離，再通過一定的計算，就可以得到當前的水位了。浮子水位計需要專用的測井，它的缺點就是安裝較復雜，同時如果水流含泥沙較重，經(jīng)過一段時間的運行，測井的進水管就會產(chǎn)生淤積的現(xiàn)象，易形成假水位。

壓力式水位計是根據(jù)壓力與水深成正比關系的靜水壓力原理，運用壓敏元件作傳感器，在不同的水深感應不同壓力產(chǎn)生相應的電流而測出相應水位的高低，這種方式解決了浮子式水位計的缺點，但無法達到很高的精度，且易被環(huán)境溫度和液體密度變化影響。

氣介式或液介式超聲波式水位計應用超聲波反射的原理來測量水位。超聲波在介質中以一定速度傳播，當遇到不同密度的介質分界面時，超聲波立即發(fā)生反射。液介式是將換能器安裝在河底，垂直向水面發(fā)射超聲波；氣介式是將換能器固定在空氣中某一高處，向水面發(fā)射超聲波。兩種形式均不需建測井。液介式易受水溫、水壓及水中浮懸粒子濃度影響，氣介式易受氣溫影響，其優(yōu)點是不受水中水草、泥沙等影響。這種方法有其先進性，但成本較高。

并且現(xiàn)有的水位監(jiān)測裝置往往只能單獨的檢測水位，無法檢測水質，需要另外采用水質監(jiān)測裝置來實現(xiàn)，如何實現(xiàn)同時測量水位和水質是本領域的技術難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種適于進行水質測量的水情監(jiān)測系統(tǒng)，該水情監(jiān)測系統(tǒng)采用灰度檢測原理進行水質監(jiān)測，即對拍攝的水面影像進行灰度處理得到該水面影像的灰度值以獲得水質情況。

本發(fā)明提供了一種水情監(jiān)測系統(tǒng)，包括：縱向設置的測量管，其下端口在使用時進入水面，測量管的上端口處設一攝像裝置，該攝像裝置適于拍攝所述測量管內的水面影像；視頻采集模塊，與所述攝像裝置相連，適于將采集得的圖像變換為數(shù)字圖像；與所述視頻采集模塊相連的圖像處理模塊，該圖像處理模塊存儲有第一樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值(水質越差，灰度值越高)；所述第一樣本數(shù)據(jù)是由所述水情監(jiān)測系統(tǒng)對已知的、不同水質的水進行逐一測量而獲得；所述圖像處理模塊適于對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對得出水質情況，最后通過與所述圖像處理模塊相連的LCD或計算機顯示水質情況。

所述圖像處理模塊優(yōu)選連接有存儲單元的ARM處理器。

進一步，為了避免拍攝時環(huán)境光線對水面影像的影響，所述測量管的內壁上設有適于吸收光線的黑色涂層。

進一步，為了避免拍攝時水底環(huán)境光線對水面影像的影響，并在不拍攝時保持水流暢通，以使所述測量管內的水質與實際水質一致，所述測量管的在使用時位于水面下方的管壁上分布有多個通孔，在水面下方的管體上套設一套管；所述套管與一適于驅動該套管沿所述測量管上下位移的位移驅動機構傳動連接，該位移驅動機構由一與所述攝像裝置相連的控制器控制；在拍攝水面影像時，控制所述位移驅動機構帶動套管向上位移，以使所述套管覆蓋所述測量管上的各通孔，以防止外部光線進入所述測量管；在不拍攝水面影像時，控制所述套管向下位移，并使所述套管不覆蓋所述測量管上的各通孔，以使水流適于進出所述測量管。所述位移驅動機構為設于所述測量管上的、與所述套管相連的氣缸、油缸或直線電機等適于實現(xiàn)直線位移的裝置。

進一步，為了實現(xiàn)對所述水情監(jiān)測系統(tǒng)的水位測量，所述測量管固定設置；攝像裝置采用定焦廣角鏡頭，或定焦鏡頭。所述圖像處理模塊還存儲有第二樣本數(shù)據(jù)，該第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄所述測量管內的水面影像的像素值與攝像裝置距離水面高度的對應表或計算式；所述圖像處理模塊還適于計算出當前拍攝的所述測量管內的水面影像的像素值，并通過所述第二樣本數(shù)據(jù)得出當前攝像裝置距離水面的高度，然后將所述攝像裝置的安裝高度減去所述攝像裝置距離水面的高度，即獲得水位值。

作為進一步優(yōu)選的實施方式，所述攝像裝置固定于所述測量管上，并使該測量管的上端口封閉，以避免外部光線從上端口進入該測量管。

進一步，為了實現(xiàn)對所述水情監(jiān)測系統(tǒng)的水位測量，所述測量管的外圍設有適于使該測量管浮于水面的浮子；所述水情監(jiān)測系統(tǒng)還包括：柔性標尺，該柔性標尺的一端固定在水底，另一端與一適于收卷、拉緊該柔性標尺的收卷裝置相連，該收卷裝置固定于所述測量管上；導向輪,設于所述測量管的內壁上，在該測量管的內壁上鄰近所述導向輪的上、下方分別設有與所述導向輪的輪軸平行的上、下導向桿，所述柔性標尺適于分別從所述上、下導向桿與測量管的內壁的間隙中穿過并貼合在所述導向輪的內側輪面上，所述導向輪的頂部處于水面上方。采用柔性標尺、適于使測量管豎直浮于水面上的浮子、導向輪等部件，使所述水環(huán)境監(jiān)測裝置可以漂浮在水面上，所述攝像機獲取鄰近所述導向輪的頂部的柔性標尺的讀數(shù)，經(jīng)圖像識別、誤差校正后，獲得實際水位值。所述誤差校正的方法為：將通過圖像識別獲得的所述柔性標尺的讀數(shù)，與預設的校正值相減，即得到實際水位值。所述預設的校正值通過實驗獲得。

本發(fā)明還提供了一種適于水位和水質監(jiān)測的測量方法，該方法要解決的技術問題是利用攝像裝置拍攝的水面影像進行相應處理以獲得水面影像的灰度值和面積像素值以得到相應的水質和水位情況。

上述水情監(jiān)測系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟：

(1)水面上固定有測量管，其下端口適于進入水面，上端口處設一攝像裝置，該攝像裝置拍攝所述測量管內的水面影像；

(2)所述水面影像通過視頻采集模塊轉換為數(shù)字圖像；

(3)與所述視頻采集模塊相連的圖像處理模塊中存儲有第一、第二樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值，所述第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄所述測量管內的水面影像的像素值與攝像裝置距離水面高度的對應表或計算式；

(4)所述圖像處理模塊對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對，得出水質情況；

(5)所述圖像處理模塊計算出當前拍攝的所述測量管內的水面影像的像素值，并通過所述第二樣本數(shù)據(jù)得出當前攝像裝置距離水面的高度，然后將所述攝像裝置的安裝高度減去所述攝像裝置距離水面的高度，即獲得水位值。

進一步，為了更方便的提取出水面影像的面積像素值，所述步驟(5)包括：

a：所述數(shù)字圖像經(jīng)灰度處理后，采用MATLAB函數(shù)進行閾值分割處理以提取水面影像的邊緣；

b：調用MATLAB庫函數(shù)bwarea，以計算邊緣提取后的水面影像的面積像素值。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：(1)本發(fā)明的水情監(jiān)測系統(tǒng)通過水面影像以獲得水質的相應情況，結構簡單，便于在野外或者無條件進行水質化驗的情況下進行便捷式水質檢測，無需繁瑣步驟；(2)本發(fā)明通過涂層，照明裝置適于使該測量管的上端口封閉，以使拍攝的水面影像不易收到外界光線的影響，檢測更加準確；(3)本發(fā)明通過在測量管的位于水面下方的管壁上設置多個通孔，以在不拍攝水面影像時，以利于水流流通；在拍攝水面影像時，控制所述位移驅動機構帶動套管向上位移，以使所述套管覆蓋所述測量管上的各通孔，以防止外部光線進入所述測量管；上述部件的組合使得在進行水質判斷時，避免了水下光線的影響，使拍攝的水面影像更加準確，以進一步提高水質監(jiān)測的精度；測量管的底端封閉，可進一步避免外部光線進入測量管內。(4)本發(fā)明的視覺圖像處理技術，將圖像視覺技術應用與水情監(jiān)測領域，在獲得水質信息的同時，通過圖像視覺技術測量視頻中的水面影像具有的像素值，根據(jù)該像素值的大小換算成水面與攝像裝置的間距以得到水位，因為水位與攝像裝置的間距越大，拍攝得到的圖片中的水面影像所占的面積就越小，相應的像素值就越??；反之，拍攝得到的圖片中的水面影像所占的面積就越大，則水面影像的像素值就越大；同時本發(fā)明還可以得到水質信息，無需昂貴的水位傳感器和繁瑣的水質監(jiān)測，使用方便；(5)通過柔性標尺、所述測量管的外圍設有適于使該測量管豎直浮于水面的浮子、導向輪等部件，使所述水情監(jiān)測系統(tǒng)可以漂浮在水面上進行水位測量，以獲得更加準確的水位值。攝像裝置可以直接獲得柔性標尺的讀數(shù)，進而快速得出水位值。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中

圖1本發(fā)明的水情監(jiān)測系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2本發(fā)明的水位檢測系統(tǒng)的用于水位檢測部分的結構示意圖。

其中，測量管1、水面2、水面影像2-1、浮子3、柔性標尺4、收卷裝置5、導向輪6、上導向桿7-1、下導向桿7-2。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明：

實施例1

實施方式一

如圖1，一種水情監(jiān)測系統(tǒng)，包括：測量管1，其下端口在使用時該下端口適于整體進入水面2，上端口處設一攝像裝置，該攝像裝置適于拍攝所述測量管1內的水面影像2-1；視頻采集模塊，與所述攝像裝置相連適于將采集圖像變換為數(shù)字圖像；與所述視頻采集模塊相連的圖像處理模塊，該圖像處理模塊存儲有第一樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值；所述第一樣本數(shù)據(jù)是由所述水情監(jiān)測系統(tǒng)對已知的、不同水質的水進行逐一測量而獲得；所述圖像處理模塊適于對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像2-1的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對得出水質情況。

水質檢測原理是利用不同水質相應的灰度值樣本與待檢測的水面影像的灰度值進行比較，即圖像處理模塊存儲有不同水質的各灰度值樣本，即第一樣本數(shù)據(jù)。

采用MATLAB庫函數(shù)對所述水面影像2-1進行相應灰度值處理，步驟如下：

I＝imread(‘image.jpg’)；％打開待處理圖片(8位灰度)

imshow(I)；％顯示該圖片

C＝mean2(I)；％計算圖像像素矩陣的平均值

通過mean2函數(shù)就可以計算出所述水面影像2-1的灰度值。

表1是各種水質的平均灰度值，即第一樣本數(shù)據(jù)：

按照一般常識，這些水樣本的水質優(yōu)劣可以這樣排列：純凈水>綠茶水>游泳池水>河水>混有泥漿的水>被染料污染的水>工業(yè)廢水≈墨汁水，當水體采樣圖像灰度值(亮度值)越小時，可認為其水質越差，反之亦然。因而在水質檢測時，可以通過對水體總體灰度的計算得出相應的水質結論，還可以通過樣本提取、神經(jīng)網(wǎng)絡、模式識別等更高級的處理手段，做到檢測濁度等更細化的水質指標。例如，若檢測到的水面影像2-1的灰度為85，則得出該水質與河水的水質相當。

為了避免外界光線對水面影像2-1的影響，所述攝像裝置與上端口密封連接，以避免外部光線從上端口進入該測量管；所述測量管1的內壁上設有適于吸收光線的黑色涂層，所述攝像裝置的鏡頭四周設有照明裝置。

進行水位測量的技術方案如下：

所述測量管1固定設置,所述攝像裝置固定安裝于所述測量管1的上端口；所述圖像處理模塊還存儲有第二樣本數(shù)據(jù)，該第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄各水面影像2-1的像素值與攝像裝置距離水面高度的對應表或計算式；所述圖像處理模塊還適于計算出所述水面影像2-1的像素值，該像素值與第二樣本數(shù)據(jù)進行比對，得出攝像裝置距離水面2的高度，所述攝像裝置的安裝高度減去所述攝像裝置距離水面2的高度，即獲得水位值。

所述攝像裝置的安裝高度可以預先知曉并預存于所述圖像處理模塊中，也可以通過現(xiàn)有技術中的標尺等工具進行測量得出。所述對應表或計算式，可通過有限次的實驗獲得。

水位測量基本原理是根據(jù)物體在眼中的成像原理；即，目標越遠，看著就越小，對于攝像裝置、照相機拍攝的視頻、圖片，同樣是如此。那么，將攝像裝置固定在測量管1上端口垂直向下拍攝測量管1中的水面影像2-1。隨著水位的上下變化，即水位與攝像裝置的相對距離發(fā)生了變化，這種變化在所拍的水面影像2-1中體現(xiàn)為水面影像2-1所占畫面面積大小的變化。因此，通過計算圖像中水面影像2-1的面積大小，可以判斷出水面2與攝像裝置的相對距離，由于攝像裝置位置是固定的，因而可換算出水位。

該發(fā)明與申請?zhí)?00910232679.6，名稱為“基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)和方法”。的方案相比，具有以下優(yōu)點(1)結構更加簡單，無需通過浮子就可以進行水位測定；(2)誤差小，因為浮子在浮于水面的，故在拍攝時，拍攝的浮子的投影的高度并不是實際水位的高度，要比實際水位略高，這就存在了誤差，并且各種水質密度不一樣，造成了浮子浮于水面的高度不同，需要進行誤差修訂，給水位測量帶來了麻煩，但是本發(fā)明直接通過水面影像2-1來進行水位測量，克服了上述缺陷。

所述測量管1內還包括管內浮子，該管內浮子為具有垂向設置的中央通孔的柱狀結構，所述攝像機構適于拍攝所述中央通孔中的水面影像，且該管內浮子適于隨水面在所述測量管1內上下浮動；通過拍攝管內浮子內的水面影像2-1使該水面影像2-1的邊緣更加清晰，便于提取該水面影像2-1的面積。

實施例二

在實施例一基礎上，進行水位測量的另一種技術方案如下：

所述測量管1的上端口處固定安裝有一攝像裝置，所述測量管1的外圍設有適于使該測量管1豎直浮于水面2的浮子3，并且通過該浮子3能使測量管1浮于水面，無需另外固定。

所述水情監(jiān)測系統(tǒng)還包括：

柔性標尺4，一端固定在水底，另一端與一適于收卷該柔性標尺4的收卷裝置5相連，該收卷裝置5固定于所述測量管1的上部；

導向輪6,設于所述測量管1的內壁上，在該測量管1的內壁上鄰近所述導向輪上、下方分別設有上導向桿7-1、下導向桿7-2，所述柔性標尺4適于從所述上導向桿7-1、下導向桿7-2與測量管的內壁的間隙中穿過并貼合在所述導向輪6的內側輪面上，所述導向輪6的頂部處于水面上方。所述上、下導向桿可采用體積小于所述導向輪6的小導向輪替代。

該實施例六進行水位測量的原理是利用攝像裝置在拍攝水面影像2-1時，同時拍攝被導向輪6撐起的柔性標尺4上的刻度，柔性標尺4的刻度被撐起后很容易被拍到，就得到了實際水位。

由于導向輪6很小，在進行水質檢測的時，拍攝的水面影像2-1進行灰度處理時導向輪、標尺等部件可以忽略不計，并不會影響到水面影像2-1的灰度值計算。

并且所述柔性標尺4伸入水底并不影響所述測量管1的底端封閉。

實施例三

見圖1，在實施例一的基礎上的一種水情監(jiān)測系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟：

(1)水面2上固定有測量管1，其下端口適于進入水面2，上端口處設一攝像裝置，該攝像裝置拍攝所述測量管1內的水面影像2-1；

(2)所述水面影像2-1通過視頻采集模塊轉換為數(shù)字圖像；

(3)與所述視頻采集模塊相連的圖像處理模塊，該圖像處理模塊存儲有第一、第二樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值，所述第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄水面影像2-1的各面積像素值與攝像裝置距離水面的對應高度(即，各面積像素值和攝像裝置與水面2的間距之間的對應關系)；

(4)所述圖像處理模塊對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像2-1的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對，得出水質情況；

(5)所述圖像處理模塊計算出當前拍攝的所述測量管內的水面影像的像素值，并通過所述第二樣本數(shù)據(jù)得出當前攝像裝置距離水面的高度，然后將所述攝像裝置的安裝高度減去所述攝像裝置距離水面的高度，即獲得水位值。

所述步驟(5)包括：

a：所述水面影像2-1進行灰度處理后，采用MATLAB函數(shù)進行閾值分割處理以提取水面影像2-1的邊緣；

b：調用MATLAB庫函數(shù)bwarea，以計算邊緣提取后的水面影像2-1的面積像素值。

水質檢測的具體方法見實施例1中的水質監(jiān)測步驟。

水位計算的具體方法

采用MATLAB函數(shù)對所述攝像裝置拍攝的水面影像2-1進行閾值分割處理，其步驟如下：

I＝imread(‘image.jpg’)；％打開待處理圖片

imshow(I)；％顯示該圖片

Inew＝im2bw(I,x/255)；％根據(jù)閾值x進行圖像二值化，劃分目標與背景

Figure；imshow(Inew)；％顯示二值化后的結果

通過上述步驟得到水面影像2-1的面積，例如，該水面影像2-1為白色，背景為黑色。當然也可以根據(jù)需要設置不同的顏色，例如水面影像2-1為黑色，背景為白色。

這里以水面影像2-1為白色，背景為黑色為例，為了計算出白色部分的面積，可調用MATLAB庫函數(shù)bwarea。Bwarea函數(shù)并非簡單計算非0像素的數(shù)目，它還對不同像素賦予不同的權限，以補償由于用離散數(shù)據(jù)表示連續(xù)圖像所帶來的誤差。如一條50點長的對角線要比50點長的水平線長，因此，bwarea函數(shù)返回的50點長的水平線面積是50，而50點長的對角線面積返回的是62.5。

采用bwarea進行面積計算的步驟如下：

Number＝bwarea(Inew)；

Number

計算出白色部分的像素點，即所述水面影像2-1的面積像素，并與存儲在圖像處理模塊中的第二樣本數(shù)據(jù)，即記錄水面影像2-1的各面積像素值(即像素點)與攝像裝置距離水面的對應高度的對應關系列表相比較，如表2所示：

例如，若Number為54116，即54116個像素面積。則水面2與攝像裝置的間距為19cm，即攝像裝置距離水面2的高度為19cm，故54116個像素面積與19cm這個距離產(chǎn)生映射關系。

所述攝像裝置距離水面的高度并不呈線性關系，而是一個由陡變緩的曲線，即水面距攝像裝置越近，相同的水位變化，水面影像變化越大。因而該水位測量方法的精度也是不恒定的，在測量范圍較小時才能保證合適的精度，故適用于水位變化不大的水域(如流動性不大的湖泊，高度有限的蓄水池)。

本發(fā)明還可以采用Canny檢測算子對于灰度分量進行邊緣提取，以獲得水面影像2-1的各面積像素值，具體步驟參見發(fā)明專利，申請?zhí)?00910232679.6，名稱為“基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)和方法”。

期刊《計算機與現(xiàn)代化》2006年06期，黃蕾、劉文波的論文“基于CNN的灰度圖像邊緣提取算法中模板參數(shù)的研究”中對灰度邊緣提取也有詳細說明，本發(fā)明也同樣可以采用該算法。

期刊《南京航空航天大學》2006年，黃蕾的論文“基于細胞神經(jīng)網(wǎng)絡的圖像邊緣提取算法研究”中對描述了采用神經(jīng)網(wǎng)絡對圖像進行邊緣提取的方法，該方法也同樣適用于本發(fā)明。

從表2中得到攝像裝置距離水面2的高度后，所述攝像裝置的安裝高度減去所述攝像裝置距離水面2的高度以獲得水位值。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。