CN103852130A - 基于图像识别的水位采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于图像识别的水位采集方法，本发明的特征在于：用图像识别的方法辨识照片上的水面、照片上一个特定的参照点，结合照片的中心点，推算水面的水位高度，因为照片的形成是一个光学成像过程，照片上的每个点与实物是一一对应的，本发明利用摄像头、照片、实物三者的投影关系，建立投射三角形，进而根据参照点的高度、参照点与摄像头的水平距离、摄像头的高度等信息推算出水面的水位高度。本发明利用一张照片就可以测算出河道中河水的水位，使得河道水位的测算更简便，并可以有效地节省水位站、水文站的建设成本。

Description

基于图像识别的水位采集方法

技术领域

本发明应用在河道水位测算领域，尤其是图像识别的方法来采集河道水位。 

背景技术

传统的水位测量有浮子式、静态压力式、气泡压力式、超声波式、雷达式、振弦式等，这些方法有的安装复杂、有的测量不够精确，有的难以适应特大洪水过程，且都难以与测量其他水文要素的仪器进行组合进而节约成本。 

本发明公开的拍照水位测算方法，使用的设备是摄像头，运用光学成像原理和三角函数推算出水面的水位高度，在高清摄像头层出不穷的今天，测量精度可以达到很高，而摄像头的购置成本却越来越低，摄像头的体积也越来越小，这些便利的条件使得摄像头拍照设别可以很容易地与其他测量设备进行组合，重复利用其他测量设备的电源电路、数据传输电路等，从而可以有效地降低水位站、水文站的建设成本。 

发明内容

本发明公开的基于图像识别的水位采集方法中，对着水边垂面或斜面拍摄的照片，在图像识别模块识别出水面和特定标识后，计算出水位的高度，河边垂面或斜面可以是桥墩、也可以是斜坡或其他建筑物，特定标识是拍摄前在河边垂面或斜面上画上去的，以便图像识别模块可以准确地在照片上判读出来，特定标记对应的水位高度是已知的，拍摄时摄像头的位置是固定的，摄像头对应的水位高度是已知的，摄像头距离特定标记的水平距离是已知的，拍摄角度是已知的，拍摄后照片上的特定标记距离照片中心的垂直距离可以测量出来，水面距离照片中心点的垂直距离也可以测量出来，本发明用这些已知的参数和可以测量的参数推算出河道中水位的高度，本发明的特征在于：根据光学成像原理，利用摄像头、照片、实物三者的投影关系，建立投射三角形，进而根据一些已知的常数，通过三角函数计算出河道水位。 

为实现上述目标，本发明采用了如下方案： 

一种基于图像识别的水位采集方法，用于河道水位测算中，其包括：

获得对着水边的斜坡、水面上的桥墩、水面上的水位标尺拍摄的照片后，通过图像识别模块识别出水面和特定标识；

测量出拍摄后照片上的特定标记距照片中心的垂直距离和水面距照片中心点的垂直距离；

基于上述测量出的垂直距离和已知的参数推算出河道中水位的高度；

其中所述已知的参数包括：特定标记处的水位高度、拍摄时摄像头的位置、摄像头的水位高度、摄像头距特定标记的水平距离、和拍摄角度。

如图1所示，拍照水位测算法，要求用于拍摄的相机固定在一个特定的位置上，对着河边斜面和水面拍照，斜面也可以是垂直的，斜面可以是水面的桥墩，可以是固定在水中的水位标尺，也可以是一个建筑物或河边山石，拍摄的照片既包括水面也包括河边斜面，在斜面上要事先预备一个标记，以便拍摄后的照片可以被图像识别模块快速判读出位置来。 

为便于描述计算过程，图2中做了一些辅助线，点a代表摄像头的位置，点b是河边斜面上画上去的参照点，点c是摄像头垂直映射到河床的投影点，W是摄像头距离参照物的水平距离，H1是参照物的水位高度，H2是摄像头的水位高度，河边斜面的倾角是B，摄像头的拍摄倾角是A，照片可以视作在投射面上映射（如图中的投射的照片平面，中心点为g），假定摄像头中心线和摄像头与参照点所在直线的夹角是D，摄像头中心线和摄像头与斜坡上的水面所在直线的夹角是E，照片上参照点距离照片中心点的距离m可以测量出来，水面距离照片中心点的距离n也可以测量出来，则角E的推算过程如下： 

ab与ac的夹角 

，ag与ab的夹角D=C-A，直线

，从而：

。

如图3所示，水面与河边斜面、合并斜面与河床、摄像头与河边斜面上的水面这三点构成了一个三角形，放大这个三角形，H即为要测算的数位高度，角B为合并斜面与河床的夹角，角F是摄像头与河边斜面上的水面所在直线与河床的夹角，l是三角形的底边，j、k是三角形顶点垂足距离左右侧顶点的距离，则H的推算过程如下：

，

，角F=90-(角A-角E)，，k

，带入j 、k的值得，变换公式得，从而推算出水位：。 

本发明利用一张照片就可以测算出河道中河水的水位，使得河道水位的测算更简便，并可以有效地节省水位站、水文站的建设成本。 

  

附图说明

图1：拍照识别水位示意图； 

图2：水位推算中间过程；

图3：求解三角形推算水位。

具体实施方式

如图1所示，使用本发明前，需要将摄像头固定在河水上方，可以是桥梁下方，也可以是合并的杆子上，水面上要有桥墩、水尺或者河边有斜坡（以下简称河边斜面），合并斜面上要有画上去的标记，并且要测算出标记的水位高度，拍摄时摄像头要能将河面斜坡上的标记和水面一并囊入镜头。 

摄像头拍到照片后，将照片传入到计算机系统，经过图像识别模块的识别后，可以自动测算出水面距离照片的距离n和标记点距离照片中心点的距离m。 

摄像头内装有用于辅助的倾角传感器，拍摄时，记录有照片对应的摄像头垂直倾角A。 

本发明分二步计算出河道中的水位。 

第一步，如图2所示，点a代表摄像头的位置，点b是河边斜面上画上去的参照点，点c是摄像头垂直映射到河床的投影点，W是摄像头距离参照物的水平距离，H1是参照物的水位高度，H2是摄像头的水位高度，河边斜面的倾角是B，摄像头的拍摄倾角是A，照片可以视作在投射面上映射（如图中的投射的照片平面，中心点为g），假定摄像头中心线和摄像头与参照点所在直线的夹角是D，摄像头中心线和摄像头与斜坡上的水面所在直线的夹角是E，照片上参照点距离照片中心点的距离m可以测量出来，水面距离照片中心点的距离n也可以测量出来，则角E的推算过程如下：ab与ac的夹角

，ag与ab的夹角D=C-A，直线

，从而：

。 

第二步，如图3所示，水面与河边斜面、合并斜面与河床、摄像头与河边斜面上的水面这三点构成了一个三角形，放大这个三角形，H即为要测算的数位高度，角B为合并斜面与河床的夹角，角F是摄像头与河边斜面上的水面所在直线与河床的夹角，l是三角形的底边，j、k是三角形顶点垂足距离左右侧顶点的距离，则H的推算过程如下： 

，

，角F=90-(角A-角E)，

，k

，带入j、k得

，变换公式得

，从而推算出水位：

。 

  

  经过上述二个步骤，第一步计算出河边斜面的水面与摄像头中心点，这二个点所在的直线与水平面的夹角，第二步求解三角函数，进而求得水位高度。

本发明利用一张照片就可以测算出河道中河水的水位，使得河道水位的测算更简便，并可以有效地节省水位站、水文站的建设成本。 

Claims (5)

1.一种基于图像识别的水位采集方法，用于河道水位测算中，其包括：

获得对着水边垂面或斜面拍摄的照片后，通过图像识别模块识别出水面和特定标识；

测量出拍摄后照片上的特定标记距照片中心的垂直距离和水面距照片中心点的垂直距离；

基于上述测量出的垂直距离和已知的参数推算出河道中水位的高度；

其中所述已知的参数包括：特定标记处的水位高度、拍摄时摄像头的位置、摄像头的水位高度、摄像头距特定标记的水平距离、和拍摄角度。

2.如权利要求1所述的基于图像识别的水位采集方法，其特征在于：

摄像头必须对着河边垂面或斜面进行拍照，且斜面上必须有画上去的特定标记，这个标记可被图像识别模块判读出来，照片必须同时包括河边斜面上的标记和水面。

3.如权利要求1所述的基于图像识别的水位采集方法其特征在于：

所述水位高度的推算过程具体包括二个步骤，第一步计算出河边斜面的水面与摄像头中心点、这二个点所在的直线与水平面的夹角，第二步求解三角函数，进而求得水位高度。

4.如权利要求3所述的基于图像识别的水位采集方法，其特征在于：

第一步的计算过程如下：

假定点a代表摄像头的位置，点b是河边斜面上画上去的参照点，点c是摄像头垂直映射到河床的投影点，W是摄像头距离参照物的水平距离，H1是参照物的水位高度，H2是摄像头的水位高度，河边斜面的倾角是B，摄像头的拍摄倾角是A，照片可以视作在投射面上映射，投射的照片平面中心点为g，假定摄像头中心线和摄像头与参照点所在直线的夹角是D，摄像头中心线和摄像头与斜坡上的水面所在直线的夹角是E，其中，照片上参照点距离照片中心点的距离m可以测量出来，水面距离照片中心点的距离n也可以测量出来，则角E的推算过程如下：

直线ab与ac的夹角                                               

，直线ag与ab的夹角D=C-A，直线

，从而：求得

。

5.如权利要求3所述的基于图像识别的水位采集方法，其特征在于：

第二步的计算过程如下：

水面与河边斜面、合并斜面与河床、摄像头与河边斜面上的水面这三点构成了一个三角形，放大这个三角形，H即为要测算的数位高度，角B为合并斜面与河床的夹角，角F是摄像头与河边斜面上的水面所在直线与河床的夹角，l是三角形的底边，j、k是三角形顶点垂足距离左右侧顶点的距离，则H的推算过程如下：

 

， 

，角F=90-(角A-角E)， 

，k

，即，变换公式得

，从而推算出水位： 

。

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