一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備及其測算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備及其測算方法，該設(shè)備包括河岸信息處理機(jī)構(gòu)和河中信息采集機(jī)構(gòu)，河岸信息處理裝置中安裝有圖像處理專用軟件和類園型顆粒檢測通用軟件，河中信息采集機(jī)構(gòu)包括有水樣采集裝置(11、12、13)、圖像拍攝裝置(21、22、23)、信息接收和發(fā)出裝置(3)、密封艙(4)和電源(5)，所述的圖像拍攝裝置、信息接收和發(fā)出裝置(3)和電源(5)設(shè)置在密封艙(4)內(nèi)；測算方法，具體步驟如下：水樣圖像攝影→圖像傳輸→圖像處理→圖像中泥沙含量的測算；其優(yōu)點是，改革傳統(tǒng)水文泥沙測量落后技術(shù)，提升到遠(yuǎn)程自動監(jiān)測、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時的先進(jìn)測量技術(shù)。
【專利說明】一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備及其測算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種水文監(jiān)測設(shè)備及測量方法，具體講是一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備及其測算方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]監(jiān)測河流中泥沙含量是水文監(jiān)測的一項重要工作內(nèi)容，它對于預(yù)測河流或庫區(qū)淤塞速度和淤塞狀況以及對河流或庫區(qū)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境治理、防止水土流失有著重要的指導(dǎo)意義。目前，對于河流泥沙含量的監(jiān)測，多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的燒干法。所謂燒干法，即從河流采集水樣，然后對水樣中的水相進(jìn)行燒干，余下的的泥沙進(jìn)行稱重，最后進(jìn)行計算，求得該河流中的泥沙含量。燒干法，如果取樣規(guī)范、科學(xué)合理，其測量數(shù)據(jù)是比較準(zhǔn)確可信。但是，該方法，所需測量周期長，檢測過程繁瑣、水文工作人員取樣過程勞動強(qiáng)度大，且存在較大的危險性。這種測量方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代文明和科學(xué)進(jìn)步的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題之一是，采用了現(xiàn)代計算機(jī)、聲像、通訊等技術(shù)手段，提供一種自動化程度高的河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備。
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題之二是，利用上述監(jiān)測設(shè)備，以測量河流泥沙含量的測
算方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案之一是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備包括河岸信息處理機(jī)構(gòu)，其特征在于，還包括河中信息采集機(jī)構(gòu)，所述的河岸信息處理機(jī)構(gòu)中包含有信息處理裝置和信息控制裝置，所述的信息處理裝置中安裝有圖像處理專用軟件和類園型顆粒檢測通用軟件，所述河中信息采集機(jī)構(gòu)包括有水樣采集裝置、圖像拍攝裝置、信息接收和發(fā)出裝置、密封艙和電源，所述的圖像拍攝裝置、信息接收和發(fā)出裝置和電源設(shè)置在密封艙內(nèi)。
[0006]作為改進(jìn)和完善，所述的圖像拍攝裝置中設(shè)置有X軸、Y軸和Z軸方向三個拍攝裝置。
[0007]所述的水樣采集裝置是由進(jìn)水管、采樣瓶和出水管構(gòu)成，所述的采樣瓶為透明體。
[0008]所述的信息接收和發(fā)出裝置是由微處理器和控制電路組成。該裝置擔(dān)負(fù)著接收河岸信息處理機(jī)構(gòu)中信息控制裝置發(fā)出的指令，控制圖像拍攝裝置的拍攝起動或終止，以及向河岸信息處理機(jī)構(gòu)發(fā)出水樣圖像信息。
[0009]所述的采樣瓶的兩側(cè)面還設(shè)置有補(bǔ)光燈。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案之二是，一種利用上述監(jiān)測設(shè)備，以測量河流泥沙含量的測算方法。該方法的具體步驟如下:
[0011]1、水樣圖像攝影；要求圖像拍攝裝置中各攝影機(jī)在同一時間內(nèi)必須同步對水樣進(jìn)行圖像拍攝；
[0012]2、圖像傳輸；由信息接收和發(fā)出裝置向河岸信息處理機(jī)構(gòu)發(fā)出水樣圖像信息；[0013]3、圖像處理；
[0014]①去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對圖像進(jìn)行去噪處理；
[0015]②分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對去噪后圖像進(jìn)行分割處理；
[0016]③圖像增強(qiáng)，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對分割后后圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；圖像增強(qiáng)是為了更好的將圖像中的泥沙顆粒與背景分開，從而獲取泥沙顆粒的投影面積比。
[0017]4、圖像中泥沙含量的測算。通過信息處理裝置中的類園型顆粒檢測通用軟件對圖像中的泥沙含量進(jìn)行測算；
[0018]①圖像的單取；
[0019]②圖像顆粒粒度分類與計數(shù)；對同一時間內(nèi)各方向同步拍攝的圖像中泥沙顆粒進(jìn)行分類并計數(shù)；
[0020]③輸入預(yù)先測定的各組的顆粒粒度當(dāng)量特征值；各河流的集雨區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)與巖石質(zhì)的比重不完全相同，一般對該河流的集雨區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)與巖石質(zhì)的粒度當(dāng)量值預(yù)先已經(jīng)測定;
[0021]④計算。
[0022]作為上述測算方法的補(bǔ)充，
[0023]所述圖像的單取，是指對同一時間內(nèi)各方向同步拍攝的單楨圖像中泥沙顆粒進(jìn)行進(jìn)行分類并計數(shù)，取其平均值；
[0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0025]由于本發(fā)明提供一種自動化程度高的河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，采用了現(xiàn)代計算機(jī)、圖像、通訊等技術(shù)手段，對河流中的泥沙含量進(jìn)行計算機(jī)處理分折和計算，可以解決水文監(jiān)測中對泥沙測量的難題，改革了采用河中取樣、燒干、稱重、計算的現(xiàn)有傳統(tǒng)水文泥沙測量落后技術(shù)。把現(xiàn)有的現(xiàn)場取樣測量、測量數(shù)據(jù)延時滯后的測量技術(shù)，提升到遠(yuǎn)程自動監(jiān)測、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時的先進(jìn)測量技術(shù)；把水文測量人員從河中取樣的艱辛和危險，燒干、稱重、計算的煩鎖的勞累中解放出來，是水文監(jiān)測工作的現(xiàn)代文明和進(jìn)步。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0026]圖1為本明河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備中的河中信息采集機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖中所示:11、進(jìn)水管，12、采樣瓶，13、出水管，21、X軸圖像拍攝裝置，22、Y軸圖像拍攝裝置，23、Z軸圖像拍攝裝置，3、信息接收和發(fā)出裝置，4、密封艙，5、電源，6、補(bǔ)光燈，7、數(shù)據(jù)線孔，8、固定爪。
【具體實施方式】:
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0029]本發(fā)明屬一個總的發(fā)明構(gòu)思的二個研究開發(fā)課題，一是河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，二是利用上述監(jiān)測設(shè)備，以測量河流泥沙含量的測算方法。
[0030]一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備包括二個部份，第一部份是河岸信息處理機(jī)構(gòu)，第二部份是河中信息采集機(jī)構(gòu)，見附圖1。河岸信息處理機(jī)構(gòu)的主要是現(xiàn)代計算機(jī)，該計算機(jī)內(nèi)包含有信息處理裝置和信息控制裝置，所述的信息處理裝置中安裝有圖像處理專用軟件和類園型顆粒檢測通用軟件；河中信息采集機(jī)構(gòu)包括有水樣采集裝置、圖像拍攝裝置、信息接收和發(fā)出裝置3、密封艙4和電源5 ;所述的圖像拍攝裝置包括數(shù)碼攝像機(jī)，所述的數(shù)碼攝像由機(jī)信息接收和發(fā)出裝置3中的微處理器控制。所述的圖像拍攝裝置、信息接收和發(fā)出裝置3和電源5設(shè)置在密封艙4內(nèi)。所述的圖像拍攝裝置中設(shè)置有以采樣瓶為中心點的三維坐標(biāo)，即X軸、Y軸和Z軸方向的三個拍攝裝置21、22、23。三個拍攝裝置21、22,23的對焦點為采樣瓶12的中心點。所述的水樣采集裝置是由進(jìn)水管11、采樣瓶12和出水管13構(gòu)成，所述的采樣瓶12為透明體。所述的信息接收和發(fā)出裝置3是由微處理器和控制電路組成。該裝置擔(dān)負(fù)著接收河岸信息處理機(jī)構(gòu)中信息控制裝置發(fā)出的指令，控制圖像拍攝裝置21、22、23的拍攝起動或終止，以及向河岸信息處理機(jī)構(gòu)發(fā)出水樣圖像信息。所述的采樣瓶12的兩側(cè)面還設(shè)置有補(bǔ)光燈6，在密封艙的艙壁上還設(shè)置有數(shù)據(jù)線孔7，用于信息傳輸線穿入密封艙4內(nèi)。在密封艙4的下面還設(shè)置有固定爪8，通過固定爪8將河中信息米集機(jī)構(gòu)固定在鉛魚內(nèi)。
[0031]一種利用上述監(jiān)測設(shè)備，以測量河流泥沙含量的測算方法。該方法的具體步驟如下:
[0032]1、水樣圖像拍攝:要求圖像拍攝裝置中各拍攝裝置在同一時間內(nèi)必須同步對水樣進(jìn)行圖像拍攝；
[0033]2、圖像傳輸；由信息接收和發(fā)出裝置通過有線或無線向河岸信息處理機(jī)構(gòu)發(fā)出水樣圖像信息；
[0034]3、圖像處理；
[0035](I)去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對圖像進(jìn)行去噪處理；所謂圖像中的噪聲，是指來自各種干擾因素影響圖像拍攝效果的因子，如光照、圖中景物背景分辯率等。圖像中的噪聲主要為加性噪聲和乘性噪聲，所謂加性噪聲是在圖像在傳輸過程中產(chǎn)生的干擾而圖像的像素發(fā)生某些變化，而乘性噪聲是在圖像在拍攝過程中受到光照等因素的影響而產(chǎn)生的像素些許變化。例如，在圖像中泥沙顆粒是呈現(xiàn)黑色像素，而采樣瓶中的有機(jī)物，例如藻類及苔蘚類對光線的吸收較好，因此它們所形成的陰影沒有泥沙顆粒的陰影這么明顯，因此必須對該水樣圖像進(jìn)行去噪處理，凸顯泥沙顆粒在圖像中的態(tài)。
[0036](2)分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對去噪后圖像進(jìn)行分割處理；
[0037]河流泥沙圖像中，我們感興趣的即為泥沙本身，為了將其提取出來，對于降噪后的圖像，選擇二值化處理使其成為黑白兩色圖像，在利用圖像分割方法將泥沙顆粒從圖像中分割出來。
[0038](3)圖像增強(qiáng)，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對分割后后圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；圖像增強(qiáng)是為了更好的將圖像中的泥沙顆粒與背景分開，從而獲取泥沙顆粒的投影面積比。
[0039](4)圖像中的顆粒特征提取；
[0040]4、圖像中泥沙顆粒含量的測算。通過信息處理裝置中的類園型顆粒檢測通用軟件對圖像中的泥沙含量進(jìn)行測算；
[0041](I)圖像顆粒粒度分類與計數(shù)；對同一時間內(nèi)各方向同步拍攝的圖像中泥沙顆粒進(jìn)行分類并計數(shù)；是指對同一時間內(nèi)各方向同步拍攝的單楨圖像中泥沙顆粒進(jìn)行進(jìn)行分類并計數(shù)，取其平均值；
[0042](2)輸入預(yù)先測定的各組的顆粒粒度當(dāng)量特征值；各河流的集雨區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)與巖石質(zhì)的比重不完全相同，一般對該河流的集雨區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)與巖石質(zhì)的粒度當(dāng)量值預(yù)先已經(jīng)測定；
[0043](3)計算。通過計算，其結(jié)果可以采用二種表達(dá)方式，一種是重量百分比表達(dá)方式，另一種是體積百分比表達(dá)方式。
[0044]具體使用舉例:
[0045]1、水樣圖像拍攝；在一個測量面上安裝有高架循環(huán)索道纜，循環(huán)索道纜上設(shè)置有鉛魚設(shè)備，河中信息采集機(jī)構(gòu)安裝在鉛魚設(shè)備內(nèi)。按照測量規(guī)范要求，在不同位置及不同深度，由高架循環(huán)索道纜控制將河中信息采集機(jī)構(gòu)沉入水中，由河岸信息處理機(jī)構(gòu)中的信息發(fā)出裝置，通過有線或無線方式發(fā)出圖像采集指令，河中信息采集機(jī)構(gòu)由信息接收裝置接收圖像采集指令，同時對經(jīng)進(jìn)水管流過采集瓶的流水使用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行同步圖像采集。
[0046]2、圖像傳輸；河中信息采集機(jī)構(gòu)由信息發(fā)出裝置，通過有線或無線方式，向河岸信息處理機(jī)構(gòu)發(fā)出上傳圖像信息請求，河岸信息處理機(jī)構(gòu)由信息發(fā)出裝置回復(fù)應(yīng)答信號，河中信息采集機(jī)構(gòu)由信息發(fā)出裝置，通過有線或無線方式向河岸信息處理機(jī)構(gòu)上傳圖像，河岸信息處理機(jī)構(gòu)接收到圖像數(shù)據(jù)后，存儲在計算機(jī)內(nèi)。
[0047]3、圖像處理；
[0048](I)去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件，采用高斯中值非線性濾波器去噪。步驟如下:
[0049]①打開圖像處理專用軟件，將軟件模板與采集圖像位置重合；
[0050]②讀取各對應(yīng)的采集圖像像素點的灰度值；
[0051]③對這些灰度值排序，求出中間的灰度值:
[0052]④將求得的中間灰度值賦給模板對應(yīng)的中心位置的像素；
[0053]⑤在圖中漫游，直到遍歷圖像中的所有像素點。
[0054]⑥得到去噪后的圖像
[0055] (2)分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對去噪后圖像使用迭代方法選取閾值進(jìn)行分割處理；在初始條件中設(shè)一個閾值，在對圖像的迭代運算中不斷地更新這一閾值，以得到最佳閾值。初始閾值取灰度平均值，這樣，以平均值分割圖像后，計算分割后的2類區(qū)域的平均值，低于初始閾值區(qū)域的平均值記為Tl，另一區(qū)域的均值計為T0，然后計算(T1+T0)/2，并以此作為新的閾值，重復(fù)上述步驟，直到計算的閾值不在變化，這時就得到了最佳閾值，迭代停止。以TO作為初始閾值的估計，則迭代中閾值的k次計為:
【權(quán)利要求】
1.一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備包括河岸信息處理機(jī)構(gòu)，其特征在于，還包括河中信息采集機(jī)構(gòu)，所述的河岸信息處理機(jī)構(gòu)中包含有信息處理裝置和信息控制裝置，所述的信息處理裝置中安裝有圖像處理專用軟件和類園型顆粒檢測通用軟件，所述河中信息采集機(jī)構(gòu)包括有水樣采集裝置(11、12、13)、圖像拍攝裝置(21、22、23)、信息接收和發(fā)出裝置(3)、密封艙(4)和電源(5)，所述的圖像拍攝裝置(21、22、23)、信息接收和發(fā)出裝置(3)和電源(5)設(shè)置在密封艙(4)內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的圖像拍攝裝置中設(shè)置有X軸、Y軸和Z軸方向三個拍攝裝置(21、22、23)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的水樣采集裝置是由進(jìn)水管(11)、采樣瓶(12)和出水管(13)構(gòu)成，所述的采樣瓶(12)為透明體。
4.如權(quán)利要求1所述的一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的信息接收和發(fā)出裝置(3)是由微處理器和控制電路組成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種河流泥沙含量的監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的采樣瓶(12)的兩側(cè)面還設(shè)置有補(bǔ)光燈(6)。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的監(jiān)測設(shè)備測量河流泥沙含量的測算方法，該方法的具體步驟如下: (1)水樣圖像攝影；要求圖像拍攝裝置中各攝影機(jī)在同一時間內(nèi)必須同步對水樣進(jìn)行圖像拍攝； (2)圖像傳輸；由信息接收和發(fā)出裝置向河岸信息處理機(jī)構(gòu)發(fā)出水樣圖像信息； (3)圖像處理； ①去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對圖像進(jìn)行去噪處理； ②分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對去噪后圖像進(jìn)行分割處理； ③圖像增強(qiáng)，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟件對分割后后圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；圖像增強(qiáng)是為了更好的將圖像中的泥沙顆粒與背景分開，從而獲取泥沙顆粒的投影面積比。 (4)圖像中泥沙含量的測算。通過信息處理裝置中的類園型顆粒檢測通用軟件對圖像中的泥沙含量進(jìn)行測算； ①圖像的單取； ②圖像顆粒粒度分類與計數(shù)；對同一時間內(nèi)各方向同步拍攝的圖像中泥沙顆粒進(jìn)行分類并計數(shù)； ③輸入預(yù)先測定的各組的顆粒粒度當(dāng)量特征值；各河流的集雨區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)與巖石質(zhì)的比重不完全相同，一般對該河流的集雨區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)與巖石質(zhì)的粒度當(dāng)量值預(yù)先已經(jīng)測定； ④計算。
【文檔編號】G01N35/00GK104007273SQ201410239796
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月24日
【發(fā)明者】肖英, 朱兵, 彭宣戈, 袁波, 彭蕾 申請人:肖英