CN103616530B - 基于移动智能终端的流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移动智能终端的流速测量方法，属于水利量测技术领域,该方法包括：首先在移动智能终端中预先设置图像处理及水流流速计算程序及输入示踪物体的直径；测量时向待测水面抛洒示踪物体，手持或固定移动智能终端，在固定位置以相同姿态对准示踪物体连续拍摄两张或多张图片；移动智能终端根据所拍摄的图片自动计算出水流流速，并将计算结果连同当前时间、空间坐标等信息自动存储以备后续使用。本发明方法具有易于携带、操作方便、价格便宜、准确度高等优点，具有极大的推广应用价值。

Description

基于移动智能终端的流速测量方法

技术领域

本发明属于水利量测技术领域，特别涉及水流流速的测量。

技术背景

流速是表征水流运动状态的特征变量，人类社会一切与水流有关的活动均以水流速度作为重要关注要素。例如，涉水时需要根据流速大小判断是否安全，防洪工程需要根据流速大小确定工程结构抗冲等级，船舶需要根据水流流速选择合适的航行线路。尽管水流流速可以通过数值求解纳维-斯托克斯方程精确获得，受计算机计算能力和数值模拟技术的制约，现阶段获取水流流速的主要途径仍然是测量。

为了准确测量水流流速，研究者发明了许多专用测量仪器，如旋桨流速仪、超声多普勒流速仪（ADV）、激光多普勒流速仪（LDV）、粒子示踪测速仪（PTV）和粒子图像测速仪（PIV）等。尽管这些仪器均可以较为准确的测量水流流速，但大多适用于室内应用，在野外应用时则存在诸多不便。例如，旋桨流速仪、ADV和LDV在野外测量时需要使用计算机、船舶或横跨河道的缆绳等辅助设施；PTV和PIV则不仅需要使用计算机和专用测架，还需要在测量前对摄像机进行标定；同时，上述仪器均存在价格昂贵、体积庞大、操作复杂等缺点，不便于随身携带和供非专业用户使用。

在日常生活中，人们主要通过传统的浮漂法估测水流流速。浮漂法测速的基本原理是：在水面任意抛洒漂浮物体，当漂浮物体通过事先选定的起点时开始计时，待漂浮物随水流运动至下游终点时停止计时，根据起点和终点之间的距离以及漂浮物通过两点的时间间隔即可获得水流流速。浮漂法不需要借助专业仪器且原理简单，但该方法需要人工估测漂浮物的位置，测量精度较低。

发明内容

本发明针对现有测量仪器和方法的不足，提出一种基于移动智能终端的流速测量方法，该方法具有易于携带、操作方便、价格便宜、准确度高等优点，具有极大的推广应用价值。

本发明提出的一种基于移动智能终端的流速测量方法，其特征在于：该方法包括：首先在移动智能终端中预先设置图像处理及水流流速计算程序及输入示踪物体的直径；测量时向待测水面抛洒示踪物体，手持或固定移动智能终端，在固定位置以相同姿态对准示踪物体连续拍摄两张或多张图片；移动智能终端根据所拍摄的图片自动计算出水流流速，并将计算结果连同当前时间、空间坐标等信息自动存储以备后续使用。

本发明的特点及效果为：

（1）利用本方法测速仅需随身携带移动智能终端，示踪物体可以现场制作或就近购买，因而具有便于携带、价格便宜的特点。

（2）测量过程中，使用者仅需对准示踪物体连续拍摄两张图片，其它操作过程皆由预先安装的应用程序自动完成，因而具有操作简单、易学易用、便于推广应用等特点。

（3）本方法以现有的常规数字图像处理方法为技术基础，以粒子图像示踪测试方法为理论基础，测量结果具有较高的测量精度。

具体实施方式

以下对本发明的一种基于移动智能终端的流速测量方法进行详细说明。

本发明的基于移动智能终端的流速测量方法为：首先在移动智能终端中预先设置图像处理及水流流速计算程序及输入示踪物体的直径；测量时向待测水面抛洒示踪物体，手持或固定移动智能终端，在固定位置以相同姿态对准示踪物体连续拍摄两张或多张图片；移动智能终端根据所拍摄的图片自动计算出水流流速，并将计算结果连同当前时间、空间坐标等信息自动存储以备后续使用。其中，示踪物体是圆形或球形漂浮物体，物体的大小应保证其对应的图像的直径大于10个像素；移动智能终端是指具有拍照功能和GPS定位功能的普通智能手机或平板电脑。

本发明的上述方法的一种实施例，具体包括以下步骤：

1）在移动智能终端内预先安装利用常规方法编写的图像处理及流速测量应用程序（均为成熟技术），该程序具有根据示踪物体的图像计算和保存水流流速的功能；且事先测量示踪物体的直径并输入到移动智能终端中；

2）将示踪物体抛洒至待测水面，手持或固定移动智能终端使待测区域包含在摄像头的视野范围内，当示踪物体进入移动智能终端的摄像头的视野范围后，以相同的姿态连续拍摄两张或多张图片，拍照间隔Δt的最小值由摄像头性能确定，最大值以保证在连续拍摄过程中示踪物体不跑出摄像头视野范围为准。

本实施例的示踪物体为普通白色乒乓球（直径40毫米），移动智能终端为小米2S手机，图片拍摄间隔Δt为1s。

3）设拍照得到的两张图片分别为图片1和图片2，以图片的左下角为坐标原点，图宽为x轴，图高为y轴建立图像坐标系；利用事先安装在移动智能终端内的应用程序根据常规数字图像处理方法从图片1和图片2中识别出示踪物体的图像，并计算出示踪物体图像的边界轮廓线及对应的形心坐标O₁（x₁,y₁）和O₂（x₂,y₂），为了提高应用程序处理速度和处理精确性，还可以在示踪物体图像识别过程中加入人工辅助识别功能，即人工指定示踪物体图像在图片中的大致位置和范围。

3）由于图片1和图片2的视野范围完全一致，示踪物体在Δt时间内的像素位移d_p为：

$d_p=\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}---\left(1\right)$

同时，过O₁（x₁,y₁）和O₂（x₂,y₂）的直线L在图像坐标系下的方程为：

$y=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}x+\frac{x_2{y}_1-y_2{x}_1}{x_2-x_1}---\left(2\right)$

4）应用程序利用常规数字图像处理方法计算出示踪物体在图片1和图片2中的轮廓线与直线L的交线的像素长度ΔL₁和ΔL₂；设事先测量得到的示踪物体的直径为D，则沿位移方向的像素尺度与物理尺度的换算系数α等于：

$\mathrm{\α}=\frac{2D}{{\mathrm{\ΔL}}_1+{\mathrm{\ΔL}}_2}---\left(3\right)$

5）根据像素位移d_p，换算系数α和拍照间隔Δt得到水流的流速为：

$V=\frac{{\mathrm{\αd}}_p}{\mathrm{\Δt}}---\left(4\right).$

由于换算系数α沿直线L非线性变化，拍摄的图像平面与流速方向平行或垂直可以提高本方法的测量精度。

Claims (2)

1.一种基于移动智能终端的流速测量方法，其特征在于：该方法包括：首先在移动智能终端中预先设置图像处理及水流流速计算程序及输入示踪物体的直径；测量时向待测水面抛洒示踪物体，该移动智能终端在固定位置以相同姿态对准示踪物体连续拍摄两张或多张图片；移动智能终端根据所拍摄的图片自动计算出水流流速，并将计算结果连同当前时间、空间坐标等信息自动存储以备后续使用；所述示踪物体是圆形或球形漂浮物体，该漂浮物体的大小对应的图像的直径大于10个像素；

所述方法具体包括以下步骤：

1)在移动智能终端内预先安装利用常规方法编写的图像处理及流速测量应用程序，该程序具有根据示踪物体的图像计算和保存水流流速的功能；且事先测量示踪物体的直径并输入到移动智能终端中；

2)将示踪物体抛洒至待测水面，手持或固定移动智能终端使待测区域包含在摄像头的视野范围内，当示踪物体进入移动智能终端的摄像头的视野范围后，以相同的姿态连续拍摄两张或多张图片；图片拍摄间隔Δt的最小值由摄像头性能确定，最大值以保证在连续拍摄过程中示踪物体不跑出摄像头视野范围为准；

3)设拍照得到的两张图片分别为图片1和图片2，以图片的左下角为坐标原点，图宽为x轴，图高为y轴建立图像坐标系；利用事先安装在移动智能终端内的应用程序从图片1和图片2中识别出示踪物体的图像，并计算出示踪物体图像的边界轮廓线及对应的形心坐标O₁(x₁,y₁)和O₂(x₂,y₂)；

4)由于图片1和图片2的视野范围完全一致，示踪物体在Δt时间内的像素位移d_p为：

同时，过O₁(x₁,y₁)和O₂(x₂,y₂)的直线L在图像坐标系下的方程为：

5)利用常规数字图像处理方法计算出示踪物体在图片1和图片2中的轮廓线与直线L的交线的像素长度ΔL₁和ΔL₂；设事先测量得到的示踪物体的直径为D，则沿位移方向的像素尺度与物理尺度的换算系数α等于：

6)根据像素位移d_p，换算系数α和拍照间隔Δt得到水流的流速为：

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述移动智能终端是指具有拍照功能和GPS定位功能的普通智能手机或平板电脑。