CN109784224B - 一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，适用于河道冰花特征及冰盖厚度分析；提供了具有高精度、实时在线功能，并可以对冰花密度、颗粒大小及冰盖剖面进行连续测量的图像检测系统；技术方案为：包括圆筒容器、图像采集模块、旋转移动模块、控制模块、加热模块和无线传输模块，图像采集模块、旋转移动模块、加热模块和无线传输模块均与控制模块相连，圆筒容器设置在被检测地点的冰孔中，加热模块相邻地设置在圆筒容器的周围，图像采集模块随旋转移动模块在圆筒容器内进行升降及旋转，对圆筒容器周围的冰孔图像进行采集，无线传输模块用于将冰孔图像无线传送至监控中心及接收来自监控中心的指令。

Description

一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统

技术领域

本发明涉及一种冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，尤其涉及一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统。

背景技术

我国高纬度地区的河流冬季会出现结冰现象，在河道上形成封闭的冰盖。由于种种原因，如沿岸电厂向河道中持续排水，会导致该河段无法冻结，敞露的水面与冷空气直接进行热交换，使得水温始终处于0℃以下的过冷却状态，从而产生大量的水内冰，即冰花。冰花随着水流流动，在一些河道拐弯处速度减慢，产生堆积并沾附在冰盖下层，促使冰盖迅速变厚，阻塞河道，形成冰坝、冰塞等自然灾害，对沿岸水利设施的正常运行以及人民生命财产安全带来极大的威胁。因此，准确掌握河道冰花特征以及冰盖厚度的演变趋势，并向相关决策和管理部门提供准确的监测结果，对于冬季河道的防凌减灾具有重要意义。

目前河道中冰盖厚度的检测方法可分为接触式和非接触式两类，常见的接触式测量如人工钻孔和热电阻丝检测法最为可靠，但其自动化程度低、劳动强度大、无法实现在线检测；遥感、雷达等非接触式测量方法可实现大范围的冰厚普查，缺点是精度低，造价高，不能反映冰盖内部的变化过程。对于冰盖底部冰花特征的检测目前只有人工现场观测的方法，而具有高精度、实时在线功能的冰花检测技术在国内外仍然是空白。

发明内容

本发明一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，克服了现有技术存在的不足，提供了一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，该系统具有高精度、实时在线功能，并可以对冰花密度、颗粒大小及冰盖剖面进行连续测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，包括圆筒容器、图像采集模块、旋转移动模块、控制模块、加热模块和无线传输模块，图像采集模块、旋转移动模块、加热模块和无线传输模块均与控制模块相连，圆筒容器设置在被检测地点的冰孔中，加热模块相邻地设置在圆筒容器的周围，图像采集模块随旋转移动模块在圆筒容器内进行升降及旋转，对圆筒容器周围的冰孔图像进行采集，无线传输模块用于将冰孔图像无线传送至监控中心及接收来自监控中心的指令。

进一步，所述旋转移动模块包括第一步进电机、第二步进电机、载物滑块平台、螺旋滑动杆和载物圆盘，螺旋滑动杆设置在所述圆筒容器的轴心位置，所述圆筒容器的上端面和下端面分别设有圆形凹槽，支撑挡板的上端和第二步进电机的下端分别镶嵌到圆形凹槽内，支撑挡板与第一步进电机之间通过第二联轴器进行连接，第一步进电机的下端与螺旋滑动杆的上端通过第三联轴器进行连接，螺旋滑动杆的下端与挡板连接，挡板下端与载物圆盘上端紧密连接，第二步进电机的上端与载物圆盘下端之间通过第一联轴器进行连接，所述图像采集模块固定在载物滑块平台上，载物滑块平台在第一步进电机的驱动下沿螺旋滑动杆升降，第二步进电机驱动载物圆盘旋转，进而带动载物滑块平台发生旋转。

进一步，所述圆筒容器的上部外侧分别呈90度固定四个安装架，所述加热模块包括四根电热丝，在四个安装架上分别固定一条电热丝，且每条电热丝均与所述圆筒容器的轴向保持平行。

进一步，所述图像采集模块包括高清微型摄像头，LED光源与高清微型摄像头共同固定在载物滑块平台上。

进一步，所述高清微型摄像头的前方安装有偏振片。

进一步，所述圆筒容器的材质为透明有机玻璃。

进一步，所述圆筒容器的内壁上在垂直方向上设有刻度。

进一步，每条所述电热丝到所述圆筒容器外壁的距离都相等，且贯穿于空气层、积雪层、冰盖层、冰花层和流水层。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明可以有效解决现有冰盖厚度检测方法的自动化程度低、劳动强度大、无法实现在线检测、不能反映冰盖内部变化过程的问题，并具有分辨出漂浮在水中的冰花密度及其颗粒大小，以及空气、积雪、冰盖、冰花、流水的界面从而得到精确的积雪层、冰盖层、冰花层厚度的功能。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的机械结构示意图。

图3为本发明机械结构示意俯视图。

图4为图像处理过程流程图。

图5为采集得到的图像的剖面示意图。

图6为对垂直剖面厚度层识别方法的流程图。

图中，1-圆筒容器，2-第一联轴器，3-第一步进电机，4-挡板，5-第二步进电机，6-电热丝，7-安装架，8-第二联轴器，9-第三联轴器，10-LED光源，11-图像采集模块，12-载物滑块平台，13-螺旋滑动杆，14-刻度，15-载物圆盘，16-圆形凹槽，17-支撑挡板，18-旋转移动模块，19-控制模块，20-加热模块，21-无线传输模块，22-监控中心，23-供电模块，25-偏振片，26-二次冻结区，27-第一角点，28-第二角点，29-第三角点，30-第四角点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1-图3所示，本发明一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，包括圆筒容器1、图像采集模块11、旋转移动模块18、控制模块19、加热模块20和无线传输模块21，图像采集模块11、旋转移动模块18、加热模块20和无线传输模块21均与控制模块19相连，圆筒容器1设置在被检测地点的冰孔中，加热模块20相邻地设置在圆筒容器1的周围，图像采集模块11随旋转移动模块18在圆筒容器1内进行升降及旋转，对圆筒容器1周围的冰孔图像进行采集，无线传输模块21用于将冰孔图像无线传送至监控中心22及接收来自监控中心22的指令。

旋转移动模块18包括第一步进电机3、第二步进电机5、载物滑块平台12、螺旋滑动杆13和载物圆盘15，螺旋滑动杆13设置在圆筒容器1的轴心位置，圆筒容器1的上端面和下端面分别设有圆形凹槽16，支撑挡板17的上端和第二步进电机5的下端分别镶嵌到圆形凹槽16内，支撑挡板17与第一步进电机3之间通过第二联轴器8进行连接，第一步进电机3的下端与螺旋滑动杆13的上端通过第三联轴器9进行连接，螺旋滑动杆13的下端与挡板4连接，挡板4下端与载物圆盘15上端紧密连接，第二步进电机5的上端与载物圆盘15下端之间通过第一联轴器2进行连接，图像采集模块11固定在载物滑块平台12上，载物滑块平台12在第一步进电机3的驱动下沿螺旋滑动杆13升降，第二步进电机5驱动载物圆盘15可以进行360度旋转，进而带动载物滑块平台12发生旋转。

圆筒容器1的材质为透明有机玻璃。圆筒容器1的内壁上在垂直方向上设有刻度14。圆筒容器1的上部外侧分别呈90度固定四个安装架7，加热模块20包括四根电热丝6，在四个安装架7上分别固定一条电热丝6，且每条电热丝6均与圆筒容器1的轴向保持平行。电热丝6贯穿于空气层、积雪层、冰盖层、冰花层和流水层，且每条电热丝6到圆筒容器1外壁的距离都相等。为了实现空气层、积雪层、冰盖层、冰花层和流水层之间的分界面高精度识别，本系统在工作时需要为四条电热丝6通以恒定电流，目的是当电热丝6周围的介质融化并再次冻结后，会在积雪层、冰花层内部垂直方向出现新的冰结晶体，更有利于进行积雪层、冰盖层和冰花层的判断。二次冻结的冰结晶体的图像特征区别于积雪图像特征及冰花图像特征，更有利于运用图像处理的方法进行积雪层、冰盖层和冰花层的判断。

图像采集模块11包括高清微型摄像头及外围电路，LED光源10与高清微型摄像头共同固定在载物滑块平台12上。高清微型摄像头的前方安装有偏振片25，防止LED光源10产生的光经圆筒容器1的有机玻璃材料反射后进入图像采集模块11，从而影响被拍摄介质的成像效果。

在监控中心22，对图像处理过程包括对通过图像采集模块11所获得的图像数据进行图像合并、二值化处理、灰度处理、亮度处理、角点检测、腐蚀膨胀处理等步骤。

综上，加热模块20的作用为融化电热丝6周围的积雪、冰花，使其二次冻结，从而更有利于分辨出冰盖层和冰花层之间的界面；图像采集模块11的作用为采集空气层、积雪层、冰盖层、冰花层和流水层的连续图像；旋转移动模块18的作用为实现图像采集模块11在圆筒容器1内三轴多角度进行拍摄；控制模块19的作用为：第一、控制旋转移动模块18上下移动、旋转；第二、控制图像采集模块11工作；第三、控制加热模块20上电加热以及将采集到的图像存储并传回监控中心22；无线传输模块21的作用为实现监控中心22与控制模块19之间的无线通信，包括向控制中心发送命令、传输数据等；供电模块23的作用为向控制模块19、加热模块20、旋转移动模块18等提供所需电量，保证系统能够正常工作；监控中心22的作用为通过远程输入控制命令来控制系统的运行，并且能够接收传回的图像，以便进行图像处理。

如图4-图6所示，一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统的图像处理过程如下，包括以下步骤：

S1.对所有已编号图像进行合并：使用MATLAB图像处理工具将传回的图像按照编号1至编号n从上至下依次进行图像合并；

S2.将合并的图像进行灰度化处理；

S3.将灰度图像进行亮度处理，提高图像亮度；

S4.对垂直剖面厚度层的识别：

第一步利用37个像素的圆形模板遍历步骤1～3所得到的灰度图像，依次比较圆形模板内各个像素点的灰度与模板核的灰度，根据判别函数

判断是否属于核值相似区(Univalue Segment Assimilating Nucleus,USAN)；其中，r₀是模板核，r是模板内其他任意像素，I(r₀)是核的灰度值，I(r)是模板内其他任意像素的灰度值，t是灰度差门限。

第二步统计圆形模板中和核心点有相似亮度值的像素个数

其中，D(r₀)是以r₀为中心的圆形模板区域；

第三步设置特定阈值

利用角点响应函数

判断若某个像素点的USAN值小于这一特定阈值g，则该点被认为是初始角点；

第四步对初始角点进行非极值抑制来求得最终角点。假设从图像采集模块11的初始位置至第一角点27处的距离为D₁，初始位置至第二角点28处的距离为D₂，则积雪层的厚度H_s＝D₂-D₁；假设初始位置至第三角点29处的距离为D₃，则冰盖层的厚度H_i＝D₃-D₂；假设初始位置至第四角点30处的距离为D₄，则冰花层的厚度H_f＝D₄-D₃。

S5.对冰花特征的识别：将步骤S1的合并图像进行二值化处理，分别得到高阈值和低阈值二值图像，使用腐蚀和膨胀函数对二值图像进行处理，腐蚀的具体操作为：用一个3×3的结构元素(也可以说成操作数矩阵)扫描图像中的每一个像素，操作数矩阵中每一个像素与覆盖的像素做“与”操作，如果全部为1，则图像中的该像素为1，反之为0。而膨胀操作正好相反，全部为1时，则图像中的该像素为0，反之为1。通过上述操作能够使二值图像中的冰花更为明显。由于大多数冰花粒子都是圆盘形的，所以将二值图像中每个粒子的面积和周长与拟合椭圆的面积和周长进行比较，如果粒子的面积和周长与拟合椭圆的面积和周长足够相似，则该粒子被识别为冰花粒子，冰花的颗粒大小与分布密度可以通过二值图像中所有的“0”和“1”像素值计算得到。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (7)

1.一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：包括圆筒容器（1）、图像采集模块（11）、旋转移动模块（18）、控制模块（19）、加热模块（20）和无线传输模块（21），图像采集模块（11）、旋转移动模块（18）、加热模块（20）和无线传输模块（21）均与控制模块（19）相连，圆筒容器（1）设置在被检测地点的冰孔中，加热模块（20）相邻地设置在圆筒容器（1）的周围，加热模块（20）的作用为融化电热丝（6）周围的积雪、冰花，使其二次冻结；电热丝（6）贯穿于空气层、积雪层、冰盖层、冰花层和流水层，且每条电热丝（6）到圆筒容器（1）外壁的距离都相等，所述图像检测系统在工作时需要为四条电热丝（6）通以恒定电流，当电热丝（6）周围的介质融化并再次冻结后，会在积雪层、冰花层内部垂直方向出现新的冰结晶体；二次冻结的冰结晶体的图像特征区别于积雪图像特征及冰花图像特征，更有利于运用图像处理的方法进行积雪层、冰盖层和冰花层的判断；图像采集模块（11）随旋转移动模块（18）在圆筒容器（1）内进行升降及旋转，对圆筒容器（1）周围的冰孔图像进行采集，图像采集模块（11）的作用为采集空气层、积雪层、冰盖层、冰花层和流水层的连续图像；无线传输模块（21）用于将冰孔图像无线传送至监控中心（22）及接收来自监控中心（22）的指令；旋转移动模块（18）的作用为实现图像采集模块（11）在圆筒容器（1）内三轴多角度进行拍摄；控制模块（19）的作用为控制旋转移动模块（18）上下移动、旋转，控制图像采集模块（11）工作，控制加热模块（20）上电加热以及将采集到的图像存储并传回监控中心（22）；监控中心（22）的作用为通过远程输入控制命令来控制系统的运行，并且能够接收传回的图像，以便进行图像处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：所述旋转移动模块（18）包括第一步进电机（3）、第二步进电机（5）、载物滑块平台（12）、螺旋滑动杆（13）和载物圆盘（15），螺旋滑动杆（13）设置在所述圆筒容器（1）的轴心位置，所述圆筒容器（1）的上端面和下端面分别设有圆形凹槽（16），支撑挡板（17）的上端和第二步进电机（5）的下端分别镶嵌到圆形凹槽（16）内，支撑挡板（17）与第一步进电机（3）之间通过第二联轴器（8）进行连接，第一步进电机（3）的下端与螺旋滑动杆（13）的上端通过第三联轴器（9）进行连接，螺旋滑动杆（13）的下端与挡板（4）连接，挡板（4）下端与载物圆盘（15）上端紧密连接，第二步进电机（5）的上端与载物圆盘（15）下端之间通过第一联轴器（2）进行连接，所述图像采集模块（11）固定在载物滑块平台（12）上，载物滑块平台（12）在第一步进电机（3）的驱动下沿螺旋滑动杆（13）升降，第二步进电机（5）驱动载物圆盘（15）旋转，进而带动载物滑块平台（12）发生旋转。

3.根据权利要求1所述的一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：所述圆筒容器（1）的上部外侧分别呈90度固定四个安装架（7），所述加热模块（20）包括四根电热丝（6），在四个安装架（7）上分别固定一条电热丝（6），且每条电热丝（6）均与所述圆筒容器（1）的轴向保持平行。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：所述图像采集模块（11）包括高清微型摄像头，LED光源（10）与高清微型摄像头共同固定在载物滑块平台（12）上。

5.根据权利要求4所述的一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：所述高清微型摄像头的前方安装有偏振片（25）。

6.根据权利要求1所述的一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：所述圆筒容器（1）的材质为透明有机玻璃。

7.根据权利要求6所述的一种用于河道冰花特征及冰盖厚度分析的图像检测系统，其特征在于：所述圆筒容器（1）的内壁上在垂直方向上设有刻度（14）。

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