水位视频在线监测系统的设计与实现

城日

期

：2020年1月水利部南京水利水文自动化研究所水位视频在线监测系统的设计与实现水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology目录一、研究背景及意义二、研究思路及框架三、

总体技术路线四、

实验分析五、

其他工作水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology一、研究背景及意义当前水文工作主要矛盾是新时代水利和经济社会发展对水文服务的需求与水文基础支撑能力不足之间的矛盾。针对“水利工程补短板，水利行业强监管

”的水利改革发展总基调，通过深化改革和技术创新，全面推进水文

现代化建设来加以解决，水位视频在线监测是其中一项重

要指标，建设水位自动化监测具有重要的意义。由于当前传统水位监测数据的不准确、实时性差以及费时费力等问题，提出了采用图像处理、无线传输以及嵌

入式技术相融合实现水位视频在线监测。该方法具有精度

高、成本低、实时性强等优点。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology二、研究思路及框架水位视频在线监测系统分为两种：一种是基于前端识别系统(前端摄像机直接识别水尺的水位数据)；另一种是基于后端识别系统(前端摄像机采集图像，再由后端设备对图像进行识

别)，其前端识别系统只能够上传水位数据，并不能实时传输水位图像以及观测现场情况等,

故此开发一种基于图像识别的远程水位监测系统。系统的总体流程是通过处理器进行监测数据采集并处理，然后通过无线技术把处理后的数据传输到控制中心(本地也保存数据)，

以便在控制中心上实时显示，其系统总体架构如图所示。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology系统由高清网络摄像机、RTU终端和通信模块组成，其工作流程如图所示：(1)

RTU终端定时控制网络高清摄像机抓取图片。(2)

对抓取的图片进行图片识别并本地保存。(3)

通信模块将识别出的水位数据及图片传输到中心站。三、总体技术路线水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology3.

1

网络摄像机控制网络摄像机图片获取及时间校准技术采用通用规范的ISAPI协议进行二次开发，ISAPI协议是

一类基于HTTP协议的编程接口，通过动态链接

库（DLL）可以被HTTP协议服务器加载和调用

,

ISAPI应用的应用程序在运行时同HTTP服务器

位于相同的进程空间，从而实现透明访问HTTP

输出的资源。根据水利水文行业特点，

同时考虑到带宽流量要求数据采集及控制终端每间隔一定时间采集发送一幅图片，其摄像机控制流程如右图所示。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology水位视频图像的处理一般包括水尺定位算法、水尺倾斜校正算法和水位识别算

法3个步骤，其流程图如图所示3.2基于图像处理的水位数据计算水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology在基于图像处理的水位数据计算中，水尺定位是水位识别的前提，通常采用彩色图像灰

度化、双边滤波、边缘检测及二值化、形态学

处理、连通域标记、连通分量特征提取以及先

验知识限制等步骤，其流程图如图所示。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology(1)水尺定位算法(2)水尺倾斜校正算法网络摄像头抓取图片时，

由于拍摄距离以及角度不同，导致采集到的水尺图像会发生不同角度的倾斜，会造成水尺刻度线不准确，得到的结果也会产生较大误差。因此采用Hough变换方法将水尺转换成直立状态来提高识别精度。(3)水位识别算法在上述基础上通过水平边缘检测算子检测出水尺图像中水平线段，然后采用K-means算法去除不满足水

尺刻度线间隔条件的线段，从而得到水尺刻度线，其

水位识别算法流程图如图所示：水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology(4)

实例分析某省市某省市尤溪县水文站，选择最右边的水尺为对象，进行图像处理计算水位数

据，其处理流程如下图。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology摄像机获取图像截取水尺双边滤波灰度化后水位计算膨胀采用高性能的工业级无线模块，

以嵌入式操作系统为软件支平台，在服务器和4G无线通信子系

统之间搭建VPN通道，视频图像和水位等水文要

素信息由信息采集与处理模块统一管理与控制，

然后将相关数据按照相应要求传输至服务器，服

务器以WEB形式实现远程数据实时查询调度以及

远程数据下载等功能，

同时服务器端可远程操作

控制数据采集及控制终端。3.3水位数据及图像无线传输水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology3.4控制中心站设计驱动程序实现网络摄像机视频采集及继电器的控制功能；

设计应用程序实现

时间函数及驱动的初始化，循环开始后进

入睡眠模式，

当设定的采集时间到来后采

集图片信息及水位识别，并将数据信息处

理后按照一定数据格式存储至本地SD卡。

当发送时间到来后，唤醒嵌入式微处理器

,

通过TCP/IP协议将相关数据按照规定的

帧格式传输至中心站服务器，程序设计流

程图如下图所示：水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology中心站显示水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology四

实验分析实验现场将分别取自水利部南京水利水文自动化研究所的气象场内、福建尤溪水文站以及安徽滁州汊河集水文站实际现场，两者都采用基于后端识别系统的在线监测。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology4.

1室内水位数据分析实验中不考虑水位的波动、水尺脏污以及漂浮物遮挡等环境，每隔1小时或者半小时摄

像机抓拍图片，并在RTU终端处理，最后将数据与图片上传给中心站，其水位数据与人工记录水位数据比测如右图所示。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology考虑到需要监测的水位数据主要位于江河湖泊领

域，不可避免地受波浪、

大雾以及水质的影响

，为

了降低水位数据的误差采

用多次求取平均值。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology4.2室外水位数据分析结果显示水位视频数据和浮子式

水位计还存在水位

误差

，但精度已经满足水文规约要求。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology一般水文站选择白底蓝字或者白底红

字的水尺，夜间摄像

头采集回来的图片就

会出现“

白光

”，人

眼无法看清水尺数据，

也无法比测，与此同时这也增加识别的难度，为了更

好的数据比测选择特

殊材料的白底黑字水

尺，能够清晰获得水

尺数据在夜晚。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology针对多根水尺识别问题，通过设置网络摄像机的预置位，单

个摄像机能够识别多根水尺以期

来提高识别范围。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

WaterConservancyandHydrology案例：滁州汊河集水文站五、其他工作新型水上无人机(油电混动水空两用无人机)本单位与南京信息工程大学合作开发的水空两用无人

机产品具有水上起降作业以

及河湖巡检等特色功能

，极

大地拓宽了无人机的应用范

围，其续航时间2.5h-3h,负载15kg，抗风6级。水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteof

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