（控制理论与控制工程专业论文）基于视觉分析的淤积河道流量测量方法的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 传统的河道侧流方法大部分是依靠测流船、铅鱼等设备通过人工定时读取流道进、 出口处水尺得到水位值，然后通过查有关河道形状、流态等参数对应的曲线取修j 下参数 后，借助于经验公式，通过计算得到流量值。这种方法不仅费时费力，不能连续或实时 计量，而且其准确性也受到人为因素等影响。尤其是对于像黄河这种多泥沙河流，由于 受到淤积情况的影响，其引水渠道河底形成淤积，渠道底面形成不规则的形状，往往得 不到较为理想的流量曲线，进而影响测量结果，用传统的测流方法无法完成全自动测流。 本文针对这一情况，提出了一种计算机自动视觉和测流铅鱼相结合的流量测量的新方 法，解决了淤积河道无法全自动测流的问题。利用计算机视觉在子像素分辨率下自动分 析河水表面的宽度，控制铅鱼沿横向进行多点的水深和流速的测量，从而得到淤积河道 河水横断面的形状，依此计算河水的瞬时流量。该方法已经在黄河引水河道中得到了成 功的应用，应用结果表明了该方法的有效性。 本文以位山引黄涵闸为实例，介绍基于视觉分析的淤积河道流量测量新方法。系统 地介绍了本课题的的设计思想、硬件构成和软件实现，其中重点叙述对视觉图像的分析 和处理。首先根掘河边图像的特点，采用迭代阈值法对图像进行二值化，对二值化后的 图像利用形态学方法进行滤波并进行细化处理，除去非边缘图像，得到动态水面的边缘 图像，再采用h o u g h 变换求得子像素分辨率下的河面边缘和标志杆的直线方程，从而自 动分析河水表面的宽度。再根掘河面宽度，确定测点数及测点位置，利用p l c 控制测流 铅鱼，测量水深和瞬时流速，从而计算出瞬时流量。系统根据控制要求还可以实现三种 不同的工作方法，即远程自动测流和远程半自动测流及现场手动测流三种方式，三种测 流方式的测流数据( 瞬时流量、累计流量、流速等) 都能够自动进入计算机系统。 系统由p l c 控制测流铅鱼进行实时测量，并将数掘传送到上位机进行处理，本文介 绍了p l c 输入输出信号的分配、采样信号的获取以及p l c 与上位机的通讯，给出了较为详 细的接线图、程序流程图。 关键词：淤积河道；计算机视觉；流量测量；视觉分析；监控系统 a b s t r a c t m o s t l yw er e a dt h ew a t e rg a u g ea ti n l e ta n do u t l e to ft h ef l o wp a t hd e p e n d i n go nd e v i c e ss u c ha s m e a s u r e m e n ts h i pa n dl e a df i s h ，a n dt h e nc a l c u l a t et h ef l u xv a l u er e c u r r i n gt oe x p e r i e n t i a lf o r m u l ab y c o n s u l t i n gc u r v e sw i t hp a r a m e t e r sr e l a t i n gt of i g u r eo f f l o wp a t ha n df l o wp a t t e r n s t h i si st h et r a d i t i o n a l m e t h o do fc h a n n e ls i d ef l o wm e a s u r e m e n t s u c hm e t h o di sn o t o n l yt i m ec o n s u m i n ga n dp o w e r c o n s u m i n g ，i n c a p a b l eo fc o n t i n u o u so rr e a lt i m ec o m p u t a t i o nb u ta l s oe a s i l yi n f l u e n c e di nv e r a c i t yb y c o n t r i v e df a c t o r s e s p e c i a l l yf o ry e l l o wr i v e rw h o s ec h a n n e li ss i l t e du pw i t hm u da n ds a n d ，s o m e t i m e s w ec a n n o to b t a i np e r f e c tc h i v e so f f l u xv a l u ea n di n f l u e n c et h er e s u l t ss e q u e n t i a l l y t h i si sf o rr e a s o nt h a t i n f l u e n c eo f f i l l i n gu ps i t u a t i o nr e s u l t si nf i l l i n gu po f d i v e r s i o nw a t e r c h a n n e l ，t h e na n o m a l i s t i cs h a p e sa r e f o r m e do nc h a n n e lu n d e r s i d e s ot h et r a d i t i o n a lf l o wm e a s u r e m e n tm e t h o di si n c a p a b l eo f a u t o m a t i cf l o w m e a s u r i n g t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o ns u c hs i t u a t i o n ，an e wf l o wm e a s u r e m e n tm e t h o di sp r e s e n t e dt o s o l v et h ea u t o m a t i cf l o wm e a s u r e m e n tp r o b l e mo f s i l t e dc h a n n e lb yu s i n gc o m p u t e rv i s i o na n dl e a df i s h t h er i v e rs u r f a c ew i d t hi sa u t o m a t i c a l l ya n a l y z e du n d e rt h es u b - p i x e lr e s o l u t i o nb yu s i n gt h e c o m p u t e r v i s i o n ，a n dt h er i v e rd e p t ha n df l o wv e l o c i t yo fm u l t i - p o i n t sa r em e a s u r e db yc o n t r o l l i n gt h el e a df i s ht o m o v ea l o n gt h el a n d s c a p eo r i e n t a t i o n s ot h ec r o s ss h a p eo ft h es i l t e dr i v e rc a nb eo b t a i n e d ，a n dt h e o n - t i m ef l o wc a l lb ec a l c u l a t e da c c o r d i n g l y t h i sm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e di nd i v e r s i o n c h a n n e lf o ry e l l o wr i v e r , a n dt h ep r a c t i c a lm e a s u r i n gr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h em e t h o di se f f e c t i v ea n d r e l i a b l e t h ew e i s h a nd i v e r s i o nc u l v e r t - b r a k ei sp r e s e n t e d 鹪a r le x a m p l ei nt h ea r t i c l ea n dan e wf l o w m e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nm a c h i n ev i s i o na n a l y s i su s e df o rs i l t e dc h a n n e li si n t r o d u c e d t h ed e s i g n i d e ao ft h et a s k , t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n dt h er e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea r ei n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y t h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gf o rv i s i o ni m a g ei s g i v e nf o c u sd e p i c t i o n f i r s t l yt h ei t e r a t i v et h r e s h o l d m e t h o di s a d o p t e dt ob i n a r yt h ei m a g ea c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fr i v e rw a t e r t h ef i l t e r i n g a l g o r i t h ma n dt h i n n i n ga l g o r i t h ma r ea p p l i e di nb i n a r yi m a g e sb yu s i n gm o r p h o l o g ym e t h o d a f t e rt h a t t h en o n - e d g ei m a g e sa r er e m o v e da n dt h ee d g ei m a g e so fd y n a m i cw a t e rs u r f a c ea r eo b t a i n e d ，t h e nt h e l i n e a re q u a t i o no fr i v e rs u r f a c ee d g ea n ds i g np e r c hi sc a l c u l a t e du n d e rs u b - p i x e lr e s o l u t i o nb y u s i n g h o u g ha l g o r i t h m s ot h ew i d t ho fr i v e rs u r f a c ec a nb ea n a l y z e da u t o m a t i c a l l y n e x tw ef i x e do nt h e n u m b e ra n dp o s i t i o no fm e a s u r e m e n tp o i n t s ，c o n t r o lt h ef l o wm e a s u r e m e n tl e a df i s hb yp l ca n d c a l c u l a t ei n s t a n t a n e o u sf l o wb ym e a s u r i n gw a t e rd e p t ha n di n s t a n t a n e o u sv e l o c i t yo ff l o w t h r e ed i s t i n c t l i 山东大学硕士学位论文 w o r k i n gm o d e si n c l u d i n gr e m o t ef u l la u t o m a t i cf l o wm e a s u r e m e n t ，r e m o t es e m i a u t o m a t i cf l o w m e a s u r e m e n ta n ds p o tm a n u a lf l o wm e a s u r e m e n tc a nb er e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f c o n t r 0 1 a i t h e s et h r e em o d e sc a ne n t e rt h ec o m p u t e rs y s t e ma u t o m a t i c a l l y w ec a r r yo u tr e a l - t i m em e a s u r e m e n tb yc o n t r o l l i n gf l o wm e a s u r e m e n tl e a df i s hb yp l ci nt h e s y s t e m t h e nt h ed a t ai st r a n s m i t l i n gi n t oe p i g y n o u sm a c h i n ef o rd i s p o s a l t h ed i s t r i b u t i o no fi n p u ta n d o u t p u ts i g n a l sf r o mp l ci sp r e s e n t e di nt h ep a p er m o r e o v e rt h ea c q u i s i t i o no fs a m p l i n gs i g n a la n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n de p i g y n o u sm a c h i n ea r ei n t r o d u c e da sw e l l b e s i d e st h ed e t a i l e d i n t e r c o n n e c t i o r , d i a g r a ma n dp r o g r a mf l o wc h a r ta r ea l s oi n c l u d e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：s i l t e dc h a n n e l ；c o m p u t e rv i s i o n ；f l o wm e a s u r e m e n t ；v i s i o na n a l y s e ；s u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o ls y s t e m 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：里翌日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文s u r e 编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 咀导师签名：纽 翠 第一章引言 针对像黄河这种淤积严重的河道流量测量中存在的问题，本文提出了一种利用计 算机视觉分析和p l c 控制相结合的新的流量测量方法，实现了远程全自动测流，并在 黄河涵闸远程多级监控系统中应用，取得了良好的经济效益。 1 1 研究的背景及意义 中国是一个水资源相对贫乏的国家，水资源的有效合理利用与调度，对国民经济 的发展和人民生活的提高具有重要意义，尤其是对誉为中华民族母亲河的黄河，由于黄 河水资源短缺、国民经济用水量的急剧增加，加之缺乏有效的管理手段和一些地区的用 水浪费、中游河段调节能力不足等方面的原因，曾造成黄河下游自7 0 年代以来频繁断流， 特别是9 0 年代来水偏枯，下游河段断流愈演愈烈，这不但影响了黄河下游的工农业生产 和人们的生活用水，还严重破坏了下游的生态平衡。面对黄河面临的重大问题，针对2 l 世纪的黄河治理，国家提出了“堤防不决口，河道不断流、污染不超标、河床不抬高” 的具体目标和建设“数字黄河”的口号，其中，围绕水资源短缺问题，确保黄河不断流 是经济社会发展对黄河提出的新要求，这是治理黄河必须考虑的生念、环境与可持续发 展的战略问题。 回顾近年来的山东黄河水量调度管理工作，主要依靠行政手段和传统的调度方法， 凭经验和估算进行调度，缺乏足够的科技手段的支持，工作量大，工作任务艰巨，工作 效率不高。山东黄河6 3 座引黄涵闸，大部分为人工观测，部分涵闸测验设施不全，观测 方法落后，精度有待提高。多数涵闸的信息报送手段落后，难以及时、准确地掌握引黄 涵闸的引水状况。水量调度所需的各类信息尚未规范化，实时信息的接收处理、预报、 调度、综合监视等计算机软件尚未开发；信息的收集管理不集中，信息和方案实施情况 的反馈不及时，不能及时而有效的行使监督职能；水量调度业务处理的自动化程度低、 速度慢；缺乏直接、有效和及时的引水口控制手段。 为了逐步实现山东黄河水量调度管理工作的正规化、规范化、科学化，实现黄委 提出的“堤防不决口，河道不断流、污染不超标、河床不抬高”的具体目标和建设“数 字黄河”的概念，由国家水利部和国家黄委会统一下达任务，根掘黄河水量调度管理 系统建设项目的规划，研究、开发并实施涵闸远程智能化监控调度系统，并建立国家 黄委、省局、各市地局和闸管所的多级远程指挥中心。这就是本研究课题的来源和背 景。 黄河作为一条中国特有的多泥沙河流，其河道的水位、含沙量、流量、河床高度 的监测十分困难，历来没有较好的解决方案，目前黄河上水文监测工作仍旧使用较传 统的方法，设备陈旧、操作环境恶劣、手段落后已经严重阻碍着监测精度的提高和控 山东大学硕士学位论文 制效果的改善。由于泥沙河道中的泥沙含量较大，河床高度和断面面积依掘河水含沙 量和水流速度的变化而变化不定，其后果直接导致计算所得的流量值偏差很大。本文 针对这一情况，提出了一种计算机自动视觉和测流铅鱼相结合的流量测量的新方法， 解决了淤积河道无法全自动测流的问题，为实现黄河管理的数字信息化和监控自动化 奠定了基础。 1 2 研究的目的及现状 随着科学技术的发展水流量测量的方法也在不断的发展和改进，各种新型电磁式 流量计、超声波流量计等新型测流设备在河道、明渠等流量测量中推广应用，这些 新的设备和新方法的研究应用，使流量测量的精度、速度和自动化程度有了很大的提 高和改掣2 jd 】，但是，水流量的获耿是通过测得的流速和已知的河道面积计算得t i ， 这些新设备和方法没有涉及和解决河道淤积严重，截面积不确定的流量测量问题。因 而，找到一种新的方法，能准确、可靠实现全自动侧流，且使用方便经济合理是实现 “数字黄河”的重要基础。 传统的黄河输水流量的计量是通过人工定时读取流道进、出口处水尺得到水位值， 然后通过查有关流道形状、流念等参数对应的曲线取修正参数后，再通过计算算出流 量的方法获得。这种方法不仅费时费力，不能连续或实时计量，而且其准确性也受到 天气、人为因素等影响。尤其是对于象黄河这种多泥沙河流，由于受到淤积的情况的 影响，往往得不到较为理想的流量曲线，进而影响测量结果。传统的流速仪测流量是 依靠测流船、铅鱼等设备，借助于经验公式，采用分段测量的方法，计算得到流量值。 该方法虽然得到的流量值比较准确，但是测量一次要消耗较多时白j ，而且操作过程比 较危险。 传统的黄河水位测量方法是在测验断面设立水尺，人工定时观测水位。这种测验 方法不适应自动化迅速发展的需要。闸门控制1 i i 前普遍采用在闸室内安装大型启闭机， 由附近操作台进行单独控制，闸门的启闭时机完全由操作人员根据经验掌握。传统系 统采用机械式的高度指示仪显示当前高度，无法实现数据的统一监视、采集和处理。 本文利用计算机视觉在子像素分辨率下自动分析河水表面的宽度，据此控制铅鱼 沿横向进行多点的水深和流速的测量，从而得到淤积河道河水横断面的形状，依此计 算河水的瞬时流量。在此基础上，实现黄河流域具有优先权控制的多级( 国家黄委、 省局、各市地局和闸管所) 远程信息图像控制一体化的综合监控系统，这在国内河流、 水库的监管方面尚无报道，国外在单个河流、水库的调度方面有类似的系统。 1 3 位山闸远程监控调度系统概述 黄河下游山东省境内有6 4 座引黄涵闸，其中位山闸担负着引黄济津的重要任务， 是最早建设远程监控调度系统的引黄涵闸。 2 山东大学硕士学位论文 本系统主要包括了5 个子系统：现场p l c 控制系统、计算机监控系统、自动测流 系统、水文查询系统和视频监视系统，各子系统的主要功能如下。 1 ) 现场p l c 控制系统的功能 利用p l c 智能控制，采用编码器技术，完成了闸门的自动测量高度和闸门的定高 自启动，定流量反馈控制，涵闸高度的自动校准，启闭的各种限值保护及连锁： 2 ) 计算机监控系统的功能( 包括闸管所监控机，市局、省局和黄委监控机) 采用动态逼真的模拟画面，实时监控涵闸的各种动作和信息，如闸前水位，1 详7 后7 j ( 位，涵闸开启高度，启闭机的启、闭和运行情况以及各种故障信号等；监控系统能 根据操作员或上级水调部门的命令控制涵闸启闭机，进行涵闸的启闭操作。 3 ) 自动测流系统的功能 闸前闸后水位的自动测量，并通过计算机视觉和图象处理技术，实现了特殊条件 下的引水流量的自动测量，完全无人化运行； 4 ) 水文查询系统的功能 水量调度信息以电子表格及电子图形等形式实现，数掘来源于各专项数掘库，包含 水情、水质、雨情、墒情、气象预报及水表。 6 ) 视频监视系统的功能 在闸管所( 包括市局、省局、黄委) 能够实时监视查看闸前、闸后及闸室的实时 现场视频图像；根据权限设置，可以对闸前、闸后视频镜头进行远程调节，以便于 监视不同方位、不同细节视频画面，能够调节的动作有：视频镜头的上、下、左、 右四方位的旋转，焦距、聚焦以及光圈等。 本系统集通信、网络、 n t e r n e t 、现场总线、p l c 、计算机、视频监控、视频实时 传输、微波通讯、图像自动分析与识别、模糊控制及自动化、远程控制等诸多先进技 术于一体，充分体现了现代信息技术和自动化技术在数字黄河中的应用。 该系统根据地理位置主要分为五大部分：闸室控制系统，闸管所监控系统，聊城 市河务局监控中心，省河务局监控中心，国家黄委监控中心。根据当地的现有条件， 闸管所和闸室之间的信息( 控制信号、状态信号、水文信号、图象信号等) 由于距离 较近，采用有线传输，闸管所和市河务局之间采用无线宽带接入设备，其监控主机作 为中心服务器上网，通过现有的i n t e r n e t 和省河务局监控中心连接，实现三地信息的 共享。系统结构如图卜1 、1 - 2 所示。 3 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 图1 - 2远程监控系统结构框图 自动测流系统的设计思想：通过计算机视觉和图像处理技术，实现了特殊条件下 的引水流量的自动测量，完全无人化运行： 河面宽度的视觉分析：根据河边图像的特点，采用迭代阈值法对图像进行二值化， 对二值化后的图像利用形态学方法进行滤波并进行细化处理，除去非边缘图像，得到 动态水面的边缘图像，再采用h o u g h 变换求得子像素分辨率下的河面边缘和标志杆 的直线方程，从而自动分析河水表面的宽度。 流量的测量和计算：根据河面宽度，确定测点数及测点位置，利用p l c 控制测流 铅鱼，测量水深和瞬时流速，从而计算出瞬时流量。 5 山东大学硕士学位论文 自动测流系统的实现：由p l c 控制测流铅鱼进行实时测量，并将数掘传送到上位 机进行处理，因而设计了p l c 的信号分配、信号的获取以及p l c 与上位机的通讯。 论文各章节的内容安排如下： 第二章：主要内容是测流系统的设计思想，测流系统的构成和测流系统的 工作方式。 第三章：主要内容为利用边缘特征检测的各种方法，对河面宽度进行视觉 分析。 第四章：主要内容为流量的测量和计算，包括测点的布置及测量方法和河 道流量计算。 第五章：主要介绍自动测流系统的是实现，包括p l c 信号的获取，上位 机的设计以及p l c 与上位机的通讯。 第六章：结束语 山东大学硕士学位论文 第二章自动测流系统概述 由于黄河含沙量高，位山闸闸后渠道淤积严重、闸后过水断面的水位流量关系散 乱等特点，无法利用闸后渠道水位直接计算流量。本文设计为利用计算机计算机视觉 和图像处理技术对传统的测流方法进行改造，实现远程自动测流和远程半自动测流及 现场手动测流三种工作方式，三种测流方式的测流数据( 瞬时流量、累计流量、流速 等) 都能够自动进入计算机系统。 2 1 流量测量综述 流量检测过程包含测量水深、测量流速、测量水面宽度及汇总计算流量几个过 程。整个系统由两台电机、两台o 7 5 k w 变频器、两个编码器、现场操作控制台及一 套缆道采样器组成。测流过程是通过p l c 控制缆道车将带有流速仪的铅鱼丌出水面， 以三至四米的日j 距依次测得相应位冒的水深和流速，通过p l c 计算得到相应区域的水 道断面面积，乘以相应点的水流速度，得到部分区域的断面流量，最后求和则可得到 整个断面的流速【4 l ，具体计算方法如表2 1 所示。 表2 - 1 流量计算表 施测时问：2 0 0 0 年1 2 月1 3 日天气：睛风力风向：f2 级流向： 顺流 流速仪牌0 及公止：v - 02 4 9 n + 00 0 6l s 2 5 i7 8 2 2 4 9 巫线叶 洫速仪位测速记录流速m s水深i n他由积 垂部甲亚 部分 起水 4 底测 总总 测线分均问 线 部 流量 测 测点深高程相点 转历 点 平平水距问 分 m ， 深速距 mm 对深 数时m 2 m m均均 深m 2 52 523 53 8 1 8 2 1 5306 4 5 632 8 27 03 7s 30 20 5 44 2 01 0 4l0 109 609 225 33o 75 8 1 4 01 29 3 78 3 082 1 63 6 09 909 i 73 228 0 3 77 327 54 l lo 843 527 53 77 8 02o5 54 2 01 0 2l0 30 9 60 9 627 7383 21 931 8 6 3 77 8o822 03 6 01 0 3 o8 8 2 2 流速仪及缆道车工作原理 流速仪由螺旋桨、壳体及计数机构等部件组成。螺旋桨受水流的作用而旋转，一 般每转20 圈计数机构发出一个脉冲信号。当测得脉冲信号个数m 和测量历时t 后， 就可计算螺旋桨转速n 20 m t ，根据经验一般选取t 为1 0 0 s 左右时所测得的流速较 为准确。于是，水流的速度v = a 十b 1 1 ，式中：a ，b 为流速仪的率定系数。该系统中 所使用的流速计算公式可参照上表。 缆道车的工作过程是，两台电机分别负责缆车的水平运动和垂直运动，当铅鱼接 触水面和到达水底时分别向控制器发一个脉冲，以此来计算河水深度。由横向距离计 数器检测铅鱼的横向位置来控制铅鱼的测深及测流的相对位置。 7 山东大学硕士学位论文 2 3 测流系统的构成 自动化测流控制系统主要包括以下设备；缆道、缆道电机、测流铅鱼、自动化测 流控制拒、计算机测流分析软件系统、测流视频系统等。测流房牵引机构和测流铅鱼 如图2 - 2 所示，系统结构如图2 - 3 所示。 圈2 - 2 测流房牵引机构和测流铅鱼 图2 - 3 系统结构 图2 3 中，计算机置于闸管所内，s 7 2 0 0 p l c 和解码器置于现场测流房内，三台摄 像机分别置于测流房顶和东西河道。计算机通过2 个r s 2 3 2 口经r s 4 8 5 转换器与p l c 和解码器进行通讯，距离为3 0 0 米，计算机内部安装一块图像采集卡，可接3 路视频 输入，图像采集卡最大分辨率7 6 8 * 5 7 6 * 2 4 b i t 。s 7 2 0 0 p l c 采用自由口与上位机通讯， 进行信号检测与控制。解码器接收到上位机的指令后控制摄象机镜头和云台的动作。3 台摄象机中1 台置于测流房顶，采用云台和变焦镜头，主要用于监视河面、缆道，铅 鱼的运行状况，并在远程手动测流中使用；另外2 台分别置于东西河道，对准河面一 侧，用于自动测流时，通过图像在线分析，自动测量河面的宽度。 山东大学硕士学位论文 2 4 测流系统的工作方式 测流系统分为远程自动测流和远程半自动测流及现场手动测流三种工作方式： 远程半自动测流方式 在闸管所控制室内，利用闸后测流房顶安装的摄像机和p l c ，在闸管所控制室内 计算机上遥控测流铅鱼的上下、前后运行，控制现场测流。把测得的参数( 河面宽度、 各测点的测速断面水深和流速等) ，通过通讯线传输到闸管所控制计算机内，按照流量 测验记载表格式及资料整编要求，自动生成流量测验报表、实测流量表及水位流量系 数关系曲线。 铅鱼底部安装触底托板，铅鱼从空中触及水面和河底后都会发出脉冲信号【2 1 。铅 鱼头部安装测速仪，铅鱼到达水中后，测速仪转动，发出脉冲信号，通过单位时间内 脉冲信号的个数来计算流速。见图1 3 所示。按照测速测点布设要求( 水深1 5 m 以下， 一点法，即相对水深0 6 m 处；l5 3 【i ，二点法，即相对水深0 2 、0 8 m 处 3 0 m 以 上，三点法，相对水深0 2 、0 6 m 、0 8 米处) ，计算机自动控制绞车把流速仪送到观 测点处，进行测流速p j 。 远程全自动测流 在每一条放水河道安装一台摄象机，通过计算机实时图像处理和识别分析，自动 分析河面的宽度，并根据河面的宽度和深度，给p l c 发送控制参数( 测点数等) ，p l c 控制铅鱼的运行，自动完成各种参数的测量，发送给上位机，完成无人参与的远程全 自动测流。 现场手动测流 在现场通过p l c 的液晶控制面板和按钮，手动控制铅鱼行走实现手动测流。 2 5 自动测流系统的主要技术路线 通过测量水闸下游某地的水面宽度和此处河流横截面若干点的水深，流速，束计算 出水闸放水的瞬时流量。采用上位机与现场控制台相结合的方法，借助摄像头的视频 图像，实现了既能在控制室测流，又能在现场测流。 其中水面的宽度是用图像分析的方法得到的，在河道的一侧架设摄像头，并在河 岸上与河边平行放置一根足够粗的黑色标志杆作为参照物，通过摄像头采集图像，分 析图像中标志杆与河边的间隔像素数，然后与标志杆到河边的实际宽度作对照，就可 以得到图像中一个像素宽度对应实际中的多大的距离。一旦河水上涨或者下降，图像 中标志杆与河边的间隔像素值一定会发生变化，我们就可以根据以前计算出的实际距 离像素，得到现在标志杆到河边的距离，从而得到河面的宽度。 9 山东大学硕士学位论文 第三章河面宽度的视觉分析方法 为实现远程全自动测流，本文采用计算机视觉分析和图像处理的各种方法，得 到河面宽度，进而由p l c 控制测量多点水深和流速。作为边缘特征检测的实际应 用，我们针对河边检测这一具体情况研究了特有的边缘检测方法。 3 1 计算机视觉与图像处理概述 计算机视觉又称机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) ，它是用计算机来模拟生物外 显或宏观视觉功能的科学和技术，计算机视觉系统的首要目标是用图像创建或 恢复现实世界的模型，然后认知现实世界【3 】。 计算机视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域，它是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别丌始。6 0 年代r o b e r t s ( 1 9 6 0 ) 丌创了以理解三维场景为目 的的三维机器视觉的研究。他对积木世界的创造性研究给人们以极大的启发。 1 9 7 7 年，d a v i dm a r r 提出了不同于“积木世界”分析方法的计算视觉 ( c o m p u t a t i o n a lv i s i o n ) ，该理论在8 0 年代成为计算机视觉研究领域中的一个十 分重要的理论框架( m a r t1 9 8 2 ) t 6 】【7 1 。 m a r t 把视觉过程看作是一个信息处理的过程，而对信息处理过程的研究， 又分为三个层次，即计算理论层次、表达与算法层次、硬件实现层次。 计算理论层次要回答系统各个部分的计算目的与计算策略，亦即各部分的 输入输出是什么，之间的关系是什么变换或具有什么约束。m a r r 对视觉系统 的总的输入输出关系规定了一个总的目标，即输入是二维图像，输出是由二维 图像“重建”( r e c o n s t r u c t i o n ) 出来的三维物体的位置与形状。 对于表达与算法层次，视觉系统的研究应给出各部分( 或称各模块) 的输 入、输出和内部的信息表达，以及实现计算理论所规定的目标的算法。算法与 目标有关，不同的表达方式，完成同一计算的算法会不同。但m a r r 认为，算 法与表达是比计算理论低一层次的问题，不同的表达算法，在计算理论层次上 可以是相同的。 m a r r 的这一理论强调了计算理论层次，使得计算机视觉研究有了一个比 较明确的体系，并大大推动了计算机视觉研究的发展【8 】 从8 0 年代初m a r r 的视觉理论成为计算机视觉领域中重要的理论框架至今，计 算机视觉研究取得了令人瞩目的成果，也正广泛的应用于从医学图像到遥感图像， l0 山东大学硕士学位论文 从工业检测到文件处理的各个方面，被称为自动化的眼睛。可以说，需要人类视 觉的场合几乎都需要计算机视觉，许多人类视觉无法感知的场合，如精确定量感知、 危险场景感知、不可见物体感知等方面计算机视觉更突显其优越性【3 1 【5 1 。 图像处理是与计算机视觉关系十分密切的一个领域。数字图像处理 ( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 也叫计算机图像处理，是一个覆盖面非常广泛的新兴 学科。数字图像处理技术是指将一幅模拟的图像信号经a d ( 模数) 转换器量化 后，图像转换为由一定数量级的数所表示的数学矩阵，然后运用计算机根掘一 定的算法对其进行处理的过程。在一般的图像处理过程中，数字图像处理硬件 系统主要由图像采集装置、数字计算机以及图像输出设备三部分组成，如图 3 1 所示。 图像处理技术发展至今，不仅在理论上取得了很大的进展，而且其应用范 围也闩益扩大，目前图像处理技术j 下广泛用于国防工业、民用工业以及人们同 常q 活中1 9 1 1 10 1 。 图像处理与计算机视觉越来越相互渗透、融合在一起。狭义上的图像处理 在计算机视觉系统的早期阶段起着很大的作用，通常被用来增强图像特定信息 并抑制噪声】1 1 2 。 模拟幽像 j 五丕至三三三 r 刮 垂至五三夏e 卜 亘至困 3 2 河边图像的特点 图3 - 1 图像处理系统构成 如图3 2 所示大坝河边图像，图中粗黑线为模拟标杆。由图可以看出，图 像基本由两部分组成：一部分是用青石所砌成的堤岸，一部分是坝内的带动态 波纹的河水。我们要做的就是用计算机视觉的方法检测出这两部分的分界线， 然后计算它与标杆间的水平距离( 用像素表示) ，最后乘以一个测定的系数得 到实际距离。 由图3 2 可以看出，河边图像有如下特点： ( 1 ) 由于摄像机的视角问题，河边总是倾斜的； ( 2 ) 由于水的流动，在堤岸与水之间总是有一条湿边颜色较深，如图5 所 示，其边沿在小范围内不停变动； 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 堤岸与波纹存在许多不规则的杂点。 3 3 河边图像的处理方法 图3 2 大坝河边图像 根据以上几个特点，我们做了相应的处理，以准确的提取出分界线。具体 实现方法如下： 第一步：将灰度图像二值化。根据特点( 2 ) ，为了处理的方便，二值化时 我们将湿边处理为黑，堤岸与水均处理为白。由于实际系统在检测河边时，摄 像头位置角度基本不动，也就是堤岸与水在采集来的图像中所占的比例基本不 变，采集时设定水作为图像的大部分。此处我们采用的二值化方法是改进阈值 法。首先根据统计直方图得到频数最大的灰度级( 水所对应的灰度级) ，然后 将其减去5 作为二值化的阂值。此方法实现简单，速度快，且不受光照条件的 影响。二值化后图像如图3 3 所示。 第二步：二值化后图像由于受堤岸与波纹杂点的影响，很难确定河边的具 体位置，所以我们将其做了数学形态学处理，使用十字型算子对图像膨胀3 次 腐蚀1 0 次，以在不产生断续的情况下去除杂点的影响，处理之后图像如图3 - 4 所示。 第三步：从腐蚀与膨胀之后的图像可以看出，图像中基本只剩下对应湿边 和标杆的黑线，根据每行中湿边和标杆对应黑线左边第一个像素点可以得到一 个水平距离( 用像素个数表示) ，如图3 - 4 所示。每隔一定行取该距离，共取 2 0 个，然后求出它们的算术平均值作为图像中河边与标杆的水平距离； 第四步：根据上述像素距离乘以一个由实际得出的固定系数，就得到河边 与标杆之间的实际距离。 由该方法得到图3 2 所示图像( 实际图像大小为6 4 0 4 2 7 像素大小) 中 山东大学硕士学位论文 河边与标杆的l 日j 水平距离为1 7 4 像素，经人工分析符合实际。 图3 3 改进阈值化后的河边图像 图3 - 4 去除杂点后的河边图像 根据对像的灰度特征，采用迭代阈值法对图像进行二值化，对二值化后的图像 利用形态学方法进行滤波并进行细化处理，除去非边缘图像，得到动态水面的 边缘图象。采用h o u g h 变换求得子像素分辨率下的河面边缘和标志杆的直线方程， 从而自动分析河水表面的宽度。由于h o u g h 变换采用参数空间的多数表决原理，它 对杂乱的孤立噪声不敏感，系统运行的快速性和鲁棒性较好。 3 3 1 图象预处理 为了增加图像的对比度，可以通过构造灰度级变换，改造图像的直方图，使变换 后图像的直方图达到一定的要求。直方图均衡可使原图像灰度级具有相同的出现频数。 即灰度级具有均匀的概率分布，具体方法参见文献【”j 。变换效果如图3 5 所示。 13 山东大学硕士学位论文 原始图像与灰应直方图 变换后的图像与灰度直方图 图3 - 5 灰度变换结果 3 3 2 迭代二值化 为了处理的方便，二值化时我们将湿边处理为黑，堤岸与水均处理为白。本文采 用了迭代_ - - 值化方法。迭代法既能较好的分割出目标子图像，又能自动实现1 1 4 。 本文的实现算法如下： 1 ) 求出图像中的最小和最大灰度值z ，和z 。，令阈值初值 矗= 半( 3 - 1 ) 2 ) 根据阈值瓦( 初始值为瓦) 将图像分割成目标和背景两部分，求出 两部分的平均灰度值z o 和乙： z ( i ，- ，) w ，d 弘型窬 z ( i j ) n 14 ( 3 - 2 ) 山东大学硕士学位论文 z ( i ，仍( f ，_ ，) 弘业葛而厂( 3 - 3 ) ：t j 挣瑶 其中z 0 ，) 是图像上( ，) 点的灰度值，( f ，) 是“，) 点的权重系数，一般 n ( i ，) = 1 0 。 3 ) 求出新的阈值： = 半( 3 - 4 ) 4 ) 如果瓦= 瓦+ i ，则结束，否则k 卜k + 1 ，转第2 步。 二值化后图像如图3 - 6 ( a ) 所示。由图3 - 6 ( a ) 可以看出，二值化后图像由于受堤岸与 波纹杂点的影响，仍然有很多细小区域。为了去掉这些细小区域，我们将其做了数学 形态学处理，利用闭运算和腐蚀的滤波性质，对上述二值图象进行滤波处理【1 4 1 i ts 1 。 根据二值化后水边缘图像的特点，采用数学形态学方法进行滤波处理。 3 3 3 数学形态学运算 数学形态学( m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ) 是- - 种应用于图像处理和模式识别领域的 新方法，是分析几何形状和结构的数学方法。它是一门综合了多学科知识的交叉学科， 理论基础颇为艰深，但是基本观念却比较简单，体现了逻辑推理与数学演绎的严禁性， 又要求具备与实践密切相关的实验技术与计算技术。它涉及到微分几何、积分几何、 测度论、论证分析和随机过程等许多数学理论，其中积分几何和随机集论是其赖以生 存的基石。数学形态学是建立在严格的数学理论基础上而又密切联系实际的科学。 数学形态学是以二值数字图像为研究对象，以集合论为基础发展起来的。它是利 用结构元素的概念通过各个不同位置上相类似的形状来描述目标图像的结构。根据不 同的目的，选择不同类型大小和形状的结构元素与目标图像相互作用形成图像的形态 转换，从而达到图像分析和特征提取的目的【1 ”。 数学形态学方法比其他空域或频域的图像处理和分析方法具有一些明显的优势。 如在图像恢复处理中，基于数学形态学的形态滤波器可借助于先验的几何特征信息， 利用形态学算子有效地滤除噪声，又可以保留图像中的原有信息。数学形态学算法易 于用并行处理方法有效地实现，而且硬件实现容易。基于数学形态学的边缘信息提取 处理优于基于微分运算的边缘提取算法，不像微分算法对噪声敏感，提取的边缘比较 平滑。利用数学形态学方法提取的图像骨架也比较连续、断点少。 数学形态学是一套严谨的数学体系，腐蚀和膨胀运算是它的基本运算。打一个比 方，腐蚀和膨胀运算在数学形态学中的地位好比是数学中的“加减法”，集合运算中的 “与或非”。腐蚀和膨胀运算的基本思想都是用某种“探针”( 即某种形状的结构元素) 15 山东大学硕士学位论文 对图像进行探测