專利名稱：一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬圖像處理和氣象觀測領(lǐng)域，具體涉及一種通過圖像處理的方式來間接觀 測水面是否發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。
背景技術(shù)：
氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)。地面氣象觀測是氣象觀測的重要組成部分，它 是對地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過程進行系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測定，為天 氣預(yù)報、氣象情報、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要的依據(jù)。中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地面氣象觀測規(guī)范》第4部分(QX/T48-2007)天 氣現(xiàn)象觀測中對于“結(jié)冰”的定義為“露天水面(包括蒸發(fā)器的水)凍結(jié)成冰?！蓖瑫r，對 于觀測和記錄的注意事項中也明確指出，“值班觀測員應(yīng)隨時觀測和記錄出現(xiàn)在視區(qū)內(nèi)的 全部天氣現(xiàn)象。夜間不守班的氣象站，對夜間出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象，應(yīng)盡量判斷記錄?！笨梢?，結(jié) 冰現(xiàn)象作為一項基本的地面現(xiàn)象目前還只能依靠人工觀測的方法進行判斷和記錄。人工觀 測雖然對于現(xiàn)象本身的判別較為準(zhǔn)確，但存在以下難以解決的問題1、大部分結(jié)冰現(xiàn)象發(fā) 生在夜間，對站點以及觀測員本身均提出了一定的要求。2、對于結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生的時刻難以 準(zhǔn)確的記錄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于圖像處理的結(jié)冰現(xiàn)象自動化識別方法，能夠在最小化維護 成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象的自動化觀測。一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，具體為在一圓盤表面作不同符號標(biāo)記，標(biāo)記 后將其置于水槽中，按一定時間間隔對圓盤施加瞬時力，同時采集圓盤的序列圖像；將序列 圖像的最后一幀分別與前面各幀圖像進行逐符號的形狀和位置匹配，若形狀和位置匹配均 成功，表明圓盤在序列圖像的采集時間段內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動，則水面結(jié)冰。作為優(yōu)選實施方式，所述逐符號的形狀和位置匹配方式具體為(1)在序列圖像的各幀圖像中提取包含圓盤的感興趣區(qū)域；(2)在感興趣區(qū)域內(nèi)提取各符號的連通域以及圓盤區(qū)域，保留位于圓盤區(qū)域內(nèi)的 符號連通域；(3)將序列圖像的最后一幀分別與前面各幀圖像的保留符號連通域做逐一的形狀 和位置匹配。作為優(yōu)選實施方式，所述感興趣區(qū)域為圓盤的外接矩形。
作為優(yōu)選實施方式，對圓盤施加非接觸式瞬時力。 本發(fā)明還提供另一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，具體為將一圓盤置于水槽 中，按一定時間間隔對圓盤施加瞬時力，同時采集圓盤的序列圖像；將序列圖像的最后一幀 分別與前面各幀圖像進行相似性匹配，若相似性匹配均成功，表明圓盤在序列圖像的采集 時間段內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動，則水面結(jié)冰。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在在圖像上對圓盤區(qū)域進行一次性標(biāo)記后，利用圖像處 理算法自動檢測圓盤是否發(fā)生了旋轉(zhuǎn)運動，并通過此結(jié)果間接檢測水面是否發(fā)生了結(jié)冰現(xiàn) 象，在檢測過程中，該方案具有在無人工干預(yù)的情況下，實現(xiàn)對結(jié)冰現(xiàn)象的自動化觀測，并 能給出結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生的時刻。同時，該方案所需設(shè)備簡單，成本較低。


圖1為標(biāo)記來符號的圓盤圖例；圖2為圖像處理算法總體流程圖；圖3為用戶標(biāo)記的區(qū)域圖示；圖4為圖像預(yù)處理步驟流程圖；圖5為符號連通域提取與過濾步驟流程圖；圖6為符號識別步驟流程圖；圖7為結(jié)冰現(xiàn)象判別流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的較佳實施例。本發(fā)明觀測對象為室外放置盛水的圓形蒸發(fā)水槽。在水面放置一輕質(zhì)塑料圓盤， 圓盤上標(biāo)記阿拉伯?dāng)?shù)字，如1-9，大寫英語字母，如A-T等字符，如圖1所示。在圓盤上方懸 掛一個微量噴氣裝置。該裝置每隔固定時間，持續(xù)噴氣固定時長，每次噴氣都會使圓盤發(fā)生 旋轉(zhuǎn)運動。作為一種驅(qū)動裝置，采用噴氣方式的好處在于沒有與結(jié)冰圓盤或是水面發(fā)生物 理接觸，同時短暫的噴氣持續(xù)時間也能夠在保證在沒有發(fā)生結(jié)冰時圓盤能夠緩慢轉(zhuǎn)動的條 件下，盡可能的減少對結(jié)冰這種自然現(xiàn)象產(chǎn)生造成的干擾。利用攝像頭定時采集水槽固定 區(qū)域圖像。若水面沒有結(jié)冰，在一定時間間隔內(nèi)采集的圖像序列中，圓盤上的字符會發(fā)生變 化，若水面發(fā)生結(jié)冰，圓盤將被凍結(jié)，在一定時間間隔內(nèi)采集的圖像序列中，圓盤上的字符 會保持不變。通過上述兩種情況，可以判斷水面是否發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。下面的說明將假定我們已經(jīng)獲得了室外結(jié)冰水槽部分區(qū)域圖像序列，圖像序列采 集時間間隔為10分鐘。圖像處理算法整體檢測流程如圖2所示，下面詳細說明應(yīng)用本發(fā)明的檢測步驟(1)感興趣區(qū)域標(biāo)記步驟該步驟流程圖如圖3所示，對室外結(jié)冰水槽部分區(qū)域圖像序列任意第t幀圖像It， 手工標(biāo)記圖像It中圓盤外邊緣。標(biāo)記的方式是從圓盤外邊緣任意一個點(χ，y)作為起始 點，沿著外邊緣輪廓繪制閉合曲線，曲線上的點以及內(nèi)部點組成區(qū)域點集合A，A應(yīng)完全包 含圖像上可見的圓盤部分。同時，求取區(qū)域點集合A中如下四個數(shù)值
權(quán)利要求
1.一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，具體為在一圓盤表面作不同符號標(biāo)記，標(biāo)記 后將其置于水槽中，按一定時間間隔對圓盤施加瞬時力，同時采集圓盤的序列圖像；將序列 圖像的最后一幀分別與前面各幀圖像進行逐符號的形狀和位置匹配，若形狀和位置匹配均 成功，表明圓盤在序列圖像的采集時間段內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動，則水面結(jié)冰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，其特征在于，所述逐符 號的形狀和位置匹配方式具體為(1)在序列圖像的各幀圖像中提取包含圓盤的感興趣區(qū)域；(2)在感興趣區(qū)域內(nèi)提取各符號的連通域以及圓盤區(qū)域，保留位于圓盤區(qū)域內(nèi)的符號 連通域；(3)將序列圖像的最后一幀分別與前面各幀圖像的保留符號連通域做逐一的形狀和位置匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，其特征在于，所述感興 趣區(qū)域為圓盤的外接矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，其特征在于，對 圓盤施加非接觸式瞬時力。
5.一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，具體為將一圓盤置于水槽中，按一定時間間 隔對圓盤施加瞬時力，同時采集圓盤的序列圖像；將序列圖像的最后一幀分別與前面各幀 圖像進行相似性匹配，若相似性匹配均成功，表明圓盤在序列圖像的采集時間段內(nèi)沒有轉(zhuǎn) 動，則水面結(jié)冰。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，其特征在于，對圓盤施 加非接觸式瞬時力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于圖像處理的結(jié)冰檢測方法，實現(xiàn)無人值守情況下對結(jié)冰現(xiàn)象的自動化觀測。該方法在一圓盤表面作不同字符標(biāo)記，標(biāo)記后將其置于水槽中，按一定時間間隔對圓盤施加瞬時力，采集圓盤的序列圖像；將序列圖像的最后一幀分別與前面各幀圖像進行逐字符的形狀和位置匹配，若形狀和位置匹配均成功，表明圓盤在序列圖像的采集時間段內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動，則水面結(jié)冰。本發(fā)明利用圖像處理算法自動檢測圓盤是否發(fā)生了旋轉(zhuǎn)運動，并通過此結(jié)果間接檢測水面是否發(fā)生了結(jié)冰現(xiàn)象，在檢測過程中，該方案無需人工干預(yù)，操作簡單，成本低。
文檔編號G01W1/00GK102073070SQ201110006549
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者卓問, 曹治國, 朱磊, 李肖霞, 鄢睿丞, 馬舒慶 申請人:華中科技大學(xué)