CN104007273A - 一种河流泥沙含量的监测设备及其测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流泥沙含量的监测设备及其测算方法，该设备包括河岸信息处理机构和河中信息采集机构，河岸信息处理装置中安装有图像处理专用软件和类园型颗粒检测通用软件，河中信息采集机构包括有水样采集装置(11、12、13)、图像拍摄装置(21、22、23)、信息接收和发出装置(3)、密封舱(4)和电源(5)，所述的图像拍摄装置、信息接收和发出装置(3)和电源(5)设置在密封舱(4)内；测算方法，具体步骤如下：水样图像摄影→图像传输→图像处理→图像中泥沙含量的测算；其优点是，改革传统水文泥沙测量落后技术，提升到远程自动监测、测量数据准确及时的先进测量技术。

Description

一种河流泥沙含量的监测设备及其测算方法

技术领域：

本发明涉及一种水文监测设备及测量方法，具体讲是一种河流泥沙含量的监测设备及其测算方法。

背景技术：

监测河流中泥沙含量是水文监测的一项重要工作内容，它对于预测河流或库区淤塞速度和淤塞状况以及对河流或库区区域内的生态环境治理、防止水土流失有着重要的指导意义。目前，对于河流泥沙含量的监测，多数还是采用传统的烧干法。所谓烧干法，即从河流采集水样，然后对水样中的水相进行烧干，余下的的泥沙进行称重，最后进行计算，求得该河流中的泥沙含量。烧干法，如果取样规范、科学合理，其测量数据是比较准确可信。但是，该方法，所需测量周期长，检测过程繁琐、水文工作人员取样过程劳动强度大，且存在较大的危险性。这种测量方法已远远落后于现代文明和科学进步的要求。

发明内容：

本发明要解决的技术问题之一是，采用了现代计算机、声像、通讯等技术手段，提供一种自动化程度高的河流泥沙含量的监测设备。

本发明要解决的技术问题之二是，利用上述监测设备，以测量河流泥沙含量的测算方法。

本发明的技术解决方案之一是，提供一种具有以下结构的河流泥沙含量的监测设备，该设备包括河岸信息处理机构，其特征在于，还包括河中信息采集机构，所述的河岸信息处理机构中包含有信息处理装置和信息控制装置，所述的信息处理装置中安装有图像处理专用软件和类园型颗粒检测通用软件，所述河中信息采集机构包括有水样采集装置、图像拍摄装置、信息接收和发出装置、密封舱和电源，所述的图像拍摄装置、信息接收和发出装置和电源设置在密封舱内。

作为改进和完善，所述的图像拍摄装置中设置有X轴、Y轴和Z轴方向三个拍摄装置。

所述的水样采集装置是由进水管、采样瓶和出水管构成，所述的采样瓶为透明体。

所述的信息接收和发出装置是由微处理器和控制电路组成。该装置担负着接收河岸信息处理机构中信息控制装置发出的指令，控制图像拍摄装置的拍摄起动或终止，以及向河岸信息处理机构发出水样图像信息。

所述的采样瓶的两侧面还设置有补光灯。

本发明的技术解决方案之二是，一种利用上述监测设备，以测量河流泥沙含量的测算方法。该方法的具体步骤如下：

1、水样图像摄影；要求图像拍摄装置中各摄影机在同一时间内必须同步对水样进行图像拍摄；

2、图像传输；由信息接收和发出装置向河岸信息处理机构发出水样图像信息；

3、图像处理；

①去噪处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对图像进行去噪处理；

②分割处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对去噪后图像进行分割处理；

③图像增强，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对分割后后图像进行增强处理；图像增强是为了更好的将图像中的泥沙颗粒与背景分开，从而获取泥沙颗粒的投影面积比。

4、图像中泥沙含量的测算。通过信息处理装置中的类园型颗粒检测通用软件对图像中的泥沙含量进行测算；

①图像的单取；

②图像颗粒粒度分类与计数；对同一时间内各方向同步拍摄的图像中泥沙颗粒进行分类并计数；

③输入预先测定的各组的颗粒粒度当量特征值；各河流的集雨区域内泥质与岩石质的比重不完全相同，一般对该河流的集雨区域内泥质与岩石质的粒度当量值预先已经测定；

④计算。

作为上述测算方法的补充，

所述图像的单取，是指对同一时间内各方向同步拍摄的单桢图像中泥沙颗粒进行进行分类并计数，取其平均值；

本发明具有以下优点：

由于本发明提供一种自动化程度高的河流泥沙含量的监测设备，采用了现代计算机、图像、通讯等技术手段，对河流中的泥沙含量进行计算机处理分折和计算，可以解决水文监测中对泥沙测量的难题，改革了采用河中取样、烧干、称重、计算的现有传统水文泥沙测量落后技术。把现有的现场取样测量、测量数据延时滞后的测量技术，提升到远程自动监测、测量数据准确及时的先进测量技术；把水文测量人员从河中取样的艰辛和危险，烧干、称重、计算的烦锁的劳累中解放出来，是水文监测工作的现代文明和进步。

附图说明：

图1为本明河流泥沙含量的监测设备中的河中信息采集机构结构示意图；

图中所示：11、进水管，12、采样瓶，13、出水管，21、X轴图像拍摄装置，22、Y轴图像拍摄装置，23、Z轴图像拍摄装置，3、信息接收和发出装置，4、密封舱，5、电源，6、补光灯，7、数据线孔，8、固定爪。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

本发明属一个总的发明构思的二个研究开发课题，一是河流泥沙含量的监测设备，二是利用上述监测设备，以测量河流泥沙含量的测算方法。

一种河流泥沙含量的监测设备，该设备包括二个部份，第一部份是河岸信息处理机构，第二部份是河中信息采集机构，见附图1。河岸信息处理机构的主要是现代计算机，该计算机内包含有信息处理装置和信息控制装置，所述的信息处理装置中安装有图像处理专用软件和类园型颗粒检测通用软件；河中信息采集机构包括有水样采集装置、图像拍摄装置、信息接收和发出装置3、密封舱4和电源5；所述的图像拍摄装置包括数码摄像机，所述的数码摄像由机信息接收和发出装置3中的微处理器控制。所述的图像拍摄装置、信息接收和发出装置3和电源5设置在密封舱4内。所述的图像拍摄装置中设置有以采样瓶为中心点的三维坐标，即X轴、Y轴和Z轴方向的三个拍摄装置21、22、23。三个拍摄装置21、22、23的对焦点为采样瓶12的中心点。所述的水样采集装置是由进水管11、采样瓶12和出水管13构成，所述的采样瓶12为透明体。所述的信息接收和发出装置3是由微处理器和控制电路组成。该装置担负着接收河岸信息处理机构中信息控制装置发出的指令，控制图像拍摄装置21、22、23的拍摄起动或终止，以及向河岸信息处理机构发出水样图像信息。所述的采样瓶12的两侧面还设置有补光灯6，在密封舱的舱壁上还设置有数据线孔7，用于信息传输线穿入密封舱4内。在密封舱4的下面还设置有固定爪8，通过固定爪8将河中信息采集机构固定在铅鱼内。

一种利用上述监测设备，以测量河流泥沙含量的测算方法。该方法的具体步骤如下：

1、水样图像拍摄：要求图像拍摄装置中各拍摄装置在同一时间内必须同步对水样进行图像拍摄；

2、图像传输；由信息接收和发出装置通过有线或无线向河岸信息处理机构发出水样图像信息；

3、图像处理；

(1)去噪处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对图像进行去噪处理；所谓图像中的噪声，是指来自各种干扰因素影响图像拍摄效果的因子，如光照、图中景物背景分辩率等。图像中的噪声主要为加性噪声和乘性噪声，所谓加性噪声是在图像在传输过程中产生的干扰而图像的像素发生某些变化，而乘性噪声是在图像在拍摄过程中受到光照等因素的影响而产生的像素些许变化。例如，在图像中泥沙颗粒是呈现黑色像素，而采样瓶中的有机物，例如藻类及苔藓类对光线的吸收较好，因此它们所形成的阴影没有泥沙颗粒的阴影这么明显，因此必须对该水样图像进行去噪处理，凸显泥沙颗粒在图像中的态。

(2)分割处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对去噪后图像进行分割处理；

河流泥沙图像中，我们感兴趣的即为泥沙本身，为了将其提取出来，对于降噪后的图像，选择二值化处理使其成为黑白两色图像，在利用图像分割方法将泥沙颗粒从图像中分割出来。

(3)图像增强，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对分割后后图像进行增强处理；图像增强是为了更好的将图像中的泥沙颗粒与背景分开，从而获取泥沙颗粒的投影面积比。

(4)图像中的颗粒特征提取；

4、图像中泥沙颗粒含量的测算。通过信息处理装置中的类园型颗粒检测通用软件对图像中的泥沙含量进行测算；

(1)图像颗粒粒度分类与计数；对同一时间内各方向同步拍摄的图像中泥沙颗粒进行分类并计数；是指对同一时间内各方向同步拍摄的单桢图像中泥沙颗粒进行进行分类并计数，取其平均值；

(2)输入预先测定的各组的颗粒粒度当量特征值；各河流的集雨区域内泥质与岩石质的比重不完全相同，一般对该河流的集雨区域内泥质与岩石质的粒度当量值预先已经测定；

(3)计算。通过计算，其结果可以采用二种表达方式，一种是重量百分比表达方式，另一种是体积百分比表达方式。

具体使用举例：

1、水样图像拍摄；在一个测量面上安装有高架循环索道缆，循环索道缆上设置有铅鱼设备，河中信息采集机构安装在铅鱼设备内。按照测量规范要求，在不同位置及不同深度，由高架循环索道缆控制将河中信息采集机构沉入水中，由河岸信息处理机构中的信息发出装置，通过有线或无线方式发出图像采集指令，河中信息采集机构由信息接收装置接收图像采集指令，同时对经进水管流过采集瓶的流水使用数码相机进行同步图像采集。

2、图像传输；河中信息采集机构由信息发出装置，通过有线或无线方式，向河岸信息处理机构发出上传图像信息请求，河岸信息处理机构由信息发出装置回复应答信号，河中信息采集机构由信息发出装置，通过有线或无线方式向河岸信息处理机构上传图像，河岸信息处理机构接收到图像数据后，存储在计算机内。

3、图像处理；

(1)去噪处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件，采用高斯中值非线性滤波器去噪。步骤如下：

①打开图像处理专用软件，将软件模板与采集图像位置重合；

②读取各对应的采集图像像素点的灰度值；

③对这些灰度值排序，求出中间的灰度值：

④将求得的中间灰度值赋给模板对应的中心位置的像素；

⑤在图中漫游，直到遍历图像中的所有像素点。

⑥得到去噪后的图像

(2)分割处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对去噪后图像使用迭代方法选取阈值进行分割处理；在初始条件中设一个阈值，在对图像的迭代运算中不断地更新这一阈值，以得到最佳阈值。初始阈值取灰度平均值，这样，以平均值分割图像后，计算分割后的2类区域的平均值，低于初始阈值区域的平均值记为T1，另一区域的均值计为T0，然后计算(T1+T0)/2，并以此作为新的阈值，重复上述步骤，直到计算的阈值不在变化，这时就得到了最佳阈值，迭代停止。以T0作为初始阈值的估计，则迭代中阈值的k次计为：

$T_K=\frac{\underset{i=0}{\overset{J_{k=i}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ih}\left[i\right]d}{2\underset{i=0}{\overset{T_{k=1}}{\mathrm{\Σ}}}h\left[i\right]}+\frac{\underset{j=J_{k-1}+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{jh}\left[j\right]d}{2\underset{j=J_{k-1}+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}h\left[i\right]}$

式中h是图像灰度直方图。同样当T_K＝T_K+1时迭代停止，T_K就是得到的最佳阈值。

(3)图像增强，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对分割后后图像进行增强处理；图像增强是为了更好的将图像中的泥沙颗粒与背景分开，从而获取泥沙颗粒的投影面积比。

(4)图像中的颗粒特征提取；特征提取采用圆形度来表征颗粒的形状。

4、图像中泥沙颗粒含量的测算：

(1)图像颗粒粒度分类与计数；对同一时间内各方向同步拍摄的图像中泥沙颗粒进行分类并计数；是指对同一时间内各方向同步拍摄的单桢图像中泥沙颗粒进行进行分类并计数，取其平均值；

①分类，利用类园型颗粒检测通用软件对图像中的泥沙颗粒采用采用线扫描法进行分类标号；

②计数，利用类园型颗粒检测通用软件对图像中的各类泥沙颗粒进行统计；

对颗粒进行标号之后，分别统计出不同标号在图像中所占的数目，就代表着不同颗粒所占的像素数，也就可以得到颗粒的面积大小。

(2)输入颗粒粒度当量特征值；

输入预先测定的各组的颗粒粒度当量特征值；各河流的集雨区域内泥质与岩石质的比重不完全相同，一般对该河流的集雨区域内泥质与岩石质的粒度当量值预先已经测定；

(3)计算：

利用类园型颗粒检测通用软件中的已设定的公式，按照上述步骤中已经得到的图像颗粒粒度的分类与数量，及输入颗粒粒度当量特征值对同一时间内各方向同步拍摄的图像中泥沙颗粒进行分类并计数；是指对同一时间内各方向同步拍摄的单桢图像中泥沙颗粒进行分类并计数，取其平均值；

通过计算，其结果可以采用二种表达方式，一种是重量百分比表达方式，另一种是体积百分比表达方式。

Claims (6)

1.一种河流泥沙含量的监测设备，该设备包括河岸信息处理机构，其特征在于，还包括河中信息采集机构，所述的河岸信息处理机构中包含有信息处理装置和信息控制装置，所述的信息处理装置中安装有图像处理专用软件和类园型颗粒检测通用软件，所述河中信息采集机构包括有水样采集装置(11、12、13)、图像拍摄装置(21、22、23)、信息接收和发出装置(3)、密封舱(4)和电源(5)，所述的图像拍摄装置(21、22、23)、信息接收和发出装置(3)和电源(5)设置在密封舱(4)内。

2.如权利要求1所述的一种河流泥沙含量的监测设备，其特征在于，所述的图像拍摄装置中设置有X轴、Y轴和Z轴方向三个拍摄装置(21、22、23)。

3.如权利要求1所述的一种河流泥沙含量的监测设备，其特征在于，所述的水样采集装置是由进水管(11)、采样瓶(12)和出水管(13)构成，所述的采样瓶(12)为透明体。

4.如权利要求1所述的一种河流泥沙含量的监测设备，其特征在于，所述的信息接收和发出装置(3)是由微处理器和控制电路组成。

5.如权利要求1所述的一种河流泥沙含量的监测设备，其特征在于，所述的采样瓶(12)的两侧面还设置有补光灯(6)。

6.一种利用权利要求1所述的监测设备测量河流泥沙含量的测算方法，该方法的具体步骤如下：

(1)水样图像摄影；要求图像拍摄装置中各摄影机在同一时间内必须同步对水样进行图像拍摄；

(2)图像传输；由信息接收和发出装置向河岸信息处理机构发出水样图像信息；

(3)图像处理；

①去噪处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对图像进行去噪处理；

②分割处理，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对去噪后图像进行分割处理；

③图像增强，通过信息处理装置中的图像处理专用软件对分割后后图像进行增强处理；图像增强是为了更好的将图像中的泥沙颗粒与背景分开，从而获取泥沙颗粒的投影面积比。

(4)图像中泥沙含量的测算。通过信息处理装置中的类园型颗粒检测通用软件对图像中的泥沙含量进行测算；

①图像的单取；

②图像颗粒粒度分类与计数；对同一时间内各方向同步拍摄的图像中泥沙颗粒进行分类并计数；

③输入预先测定的各组的颗粒粒度当量特征值；各河流的集雨区域内泥质与岩石质的比重不完全相同，一般对该河流的集雨区域内泥质与岩石质的粒度当量值预先已经测定；

④计算。