CN109827554B - 一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法 - Google Patents

一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，包括智能终端，所述智能终端包括视频处理服务器、电源单元、视频采集单元、软件客户端和数据处理平台，所述视频采集单元包括普通相机一、红外相机和普通相机二，所述红外相机包括红外热像仪和近红外摄像头，所述软件客户端包括信息展示APP、远程数据读取端和无线收发器，所述数据处理平台包括存储单元、坐标处理单元、视频处理单元、接收单元、输出单元和远程数据采集单元，所述存储单元包括数据库，本发明提升了河流流速流量测验方法的计算速度，具有精度高的优点。

Description

一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测 验方法
技术领域
本发明属于水文测验技术领域，特别涉及一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法。
背景技术
现有非接触式测流技术有雷达、电磁波和图像测流技术，其中图像测流技术与本技术相关，其可以根据临时搭建的摄像机拍摄的视频计算大致的河流表面流速，并根据经验公式估计河流底部流速，从而估计河流流量，但是，1.现有技术不能满足夜晚工作和雨雾天气工作的需要，并且河流的洪水往往伴有大雨，使得洪峰期测量河流流量十分困难，但此时的洪峰流量数据格外重要，对于防洪抗灾，保护人民生命财产安全意义重大。2.现有技术计算速度慢，不能满足实时计算的需要，河流洪峰流量数据对于水文预报具有重要意义，可以使决策者在险情发生前做出判断，为抗洪救灾赢得宝贵时间。现有技术采集视频后需要数小时的时间才能得出计算结果，远远不能满足实际业务的需要。3.现有技术将图像中流速矢量转成中实际矢量过程中假设河流是水平面，这不符合实际情况，使得坡度较大的河流流速计算误差大幅增加。4.现有技术对流量的估计基于已有的经验，不能根据实际河道的具体情况精确计算，往往带来较大的误差。5.现有技术往往借用高精度可操作的工业摄像机，价格十分昂贵。基于此，本发明提供一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，基于此，本发明提供一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，本发明提升了非接触式河流流速流量测验方法的测验效率和测验精度。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，包括智能终端，所述智能终端包括视频处理服务器、电源单元、视频采集单元、软件客户端和数据处理平台，所述视频采集单元包括全站仪、普通相机一、红外相机和普通相机二，所述红外相机包括红外热像仪和近红外摄像头，所述软件客户端包括信息展示APP、远程数据读取端和无线收发器，所述数据处理平台包括存储单元、坐标处理单元、视频处理单元、接收单元、输出单元和远程数据采集单元，所述存储单元包括数据库，所述测验方法的具体步骤如下：
相机架设：将普通相机一、红外相机和普通相机二并列架设在高塔上或者河流岸边，并使用全站仪测量出其三维投影坐标；
视频传输：普通相机一、红外相机和普通相机二将采集的视频传输给远程数据采集单元；
视频处理：远程数据采集单元将数据传输给视频处理单元，视频处理单元对视频进行对比度增强，然后进行高通滤波，对相邻两帧之间的图像进行互相关，匹配两帧图像间的相似粒子以计算粒子相对位移，除以两帧图像之间经过的时间，得到粒子运动的相对速度，此时，粒子运动速度的单位为“像素每秒”。
坐标处理：坐标处理单元将普通相机一、红外相机和普通相机二拍摄的视频做空间三维重建，利用事先布置在河流两岸的标志点获取视频中对应像素点的真实坐标点定标，利用摄影测量学共线方程和双目测距原理求取其他像素的真实坐标。
流量计算：实测河流表面流速数据，加水力模型计算流量，具体如下：用三维激光扫描仪和多波束测深仪事先测量河流河道与河岸三维地形，以上两项构成水动力学计算的边界条件，根据圣维南方程组计算表面以下流速的数值解，求得精确的流速与流量；有些河流冲淤情况复杂，导致河道情况变化，计算精度降低。本方法通过多摄像头（相机）重建得出的实时河道地形，精确计算河流流量，基于图像法自动读取水尺水位，将普通相机一、红外相机和普通相机二拍摄到的水尺图片，使用计算机视觉的方法识别其具体的水位内容。
结果存储：坐标处理单元将矢量计算结果通过接收单元存入数据库；
信息展示：软件客户端的远程数据读取端通过无线收发器读取数据库内的数据，并将信息显示在信息展示APP。
作为本发明的一种优选方式，所述接收单元和输出单元均与存储单元电性连接。
作为本发明的一种优选方式，所述视频处理服务器与视频采集单元之间的通讯使用WiFi通讯或RJ45接头的6类网线。
作为本发明的一种优选方式，所述视频处理服务器分别与存储单元、坐标处理单元、视频处理单元、接收单元、输出单元和远程数据采集单元电性连接。
作为本发明的一种优选方式，所述电源单元通过电线与视频处理服务器连接。
本发明的有益效果为：本发明的一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，包括视频处理服务器、电源单元、视频采集单元、软件客户端、数据处理平台、全站仪、普通相机一、普通相机二、红外热像仪、近红外摄像头、信息展示APP、远程数据读取端、无线收发器、存储单元、坐标处理单元、视频处理单元、接收单元、输出单元、远程数据采集单元和数据库。
1、本发明能够更加准确的计算河流表面流速与实际流量，能全天候工作，增加近红外摄像头和红外热像仪，能够在任何光线条件下工作。
2、使用三个相机，能提供实时三维立体河道情况，不再对河流水面进行不符实际的假设。
3、本发明将数据实时存入数据库，能够方便的供其他系统使用，联合做出更加准确的水文预报，并且提供河流水位预警信息。
4、本发明加入了基于力学原理的计算方式，能够根据圣维南方程计算表面以下流速的数值解，求得精确的流速与流量。
附图说明
图1为一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法的设计图；
图2为一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法的流程示意图；
图中：1-视频处理服务器、2-电源单元、3-视频采集单元、4-软件客户端、5-数据处理平台、6-全站仪、7-普通相机一、8-红外相机、9-普通相机二、10-红外热像仪、11-近红外摄像头、12-信息展示APP、13-远程数据读取端、14-无线收发器、15-存储单元、16-坐标处理单元、17-视频处理单元、18-接收单元、19-输出单元、20-远程数据采集单元、21-数据库。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，包括智能终端，所述智能终端包括视频处理服务器1、电源单元2、视频采集单元3、软件客户端4和数据处理平台5，所述视频采集单元3包括全站仪6、普通相机一7、红外相机8和普通相机二9，所述红外相机8包括红外热像仪10和近红外摄像头11，所述软件客户端4包括信息展示APP12、远程数据读取端13和无线收发器14，所述数据处理平台5包括存储单元15、坐标处理单元16、视频处理单元17、接收单元18、输出单元19和远程数据采集单元20，所述存储单元15包括数据库21，所述测验方法的具体步骤如下：
相机架设：将普通相机一7、红外相机8和普通相机二9并列架设在高塔上或者河流岸边，并使用全站仪6测量出其三维投影坐标；
视频传输：普通相机一7、红外相机8和普通相机二9将采集的视频传输给远程数据采集单元20；
视频处理：远程数据采集单元20将数据传输给视频处理单元17，视频处理单元17对视频进行对比度增强，然后进行高通滤波，对相邻两帧之间的图像进行互相关，匹配两帧图像间的相似粒子以计算粒子相对位移，除以两帧图像之间经过的时间，得到粒子运动的相对速度，此时，粒子运动速度的单位为“像素每秒”。
坐标处理：坐标处理单元16将普通相机一7、红外相机8和普通相机二9拍摄的视频做空间三维重建，利用事先布置在河流两岸的标志点获取视频中对应像素点的真实坐标点定标，利用摄影测量学共线方程和双目测距原理求取其他像素的真实坐标。
流量计算：实测河流表面流速数据，加水力模型计算流量，具体如下：用三维激光扫描仪和多波束测深仪事先测量河流河道与河岸三维地形，以上两项构成水动力学计算的边界条件，根据圣维南方程组计算表面以下流速的数值解，求得精确的流速与流量；有些河流冲淤情况复杂，导致河道情况变化，计算精度降低。本方法通过多摄像头（相机）重建得出的实时河道地形，精确计算河流流量，基于图像法自动读取水尺水位，将普通相机一7、红外相机8和普通相机二9拍摄到的水尺图片，使用计算机视觉的方法识别其具体的水位内容。
结果存储：坐标处理单元16将矢量计算结果通过接收单元18存入数据库21；
信息展示：软件客户端4的远程数据读取端13通过无线收发器14读取数据库21内的数据，并将信息显示在信息展示APP12。
作为本发明的一种优选方式，所述接收单元18和输出单元19均与存储单元15电性连接。
作为本发明的一种优选方式，所述视频处理服务器1与视频采集单元3之间的通讯使用WiFi通讯或RJ45接头的6类网线。
作为本发明的一种优选方式，所述视频处理服务器1分别与存储单元15、坐标处理单元16、视频处理单元17、接收单元18、输出单元19和远程数据采集单元20电性连接。
作为本发明的一种优选方式，所述电源单元2通过电线与视频处理服务器1连接。
工作原理：相机架设：将普通相机一7、红外相机8和普通相机二9并列架设在高塔上或者河流岸边，并使用全站仪6测量出其三维投影坐标；视频传输：普通相机一7、红外相机8和普通相机二9将采集的视频传输给远程数据采集单元20；视频处理：远程数据采集单元20将数据传输给视频处理单元17，视频处理单元17对视频进行对比度增强，然后进行高通滤波，对相邻两帧之间的图像进行互相关，匹配两帧图像间的相似粒子以计算粒子相对位移，除以两帧图像之间经过的时间，得到粒子运动的相对速度，此时，粒子运动速度的单位为“像素每秒”。坐标处理：坐标处理单元16将普通相机一7、红外相机8和普通相机二9拍摄的视频做空间三维重建，利用事先布置在河流两岸的标志点获取视频中对应像素点的真实坐标点定标，利用摄影测量学共线方程和双目测距原理求取其他像素的真实坐标。流量计算：实测河流表面流速数据，加水力模型计算流量，具体如下：用三维激光扫描仪和多波束测深仪事先测量河流河道与河岸三维地形，以上两项构成水动力学计算的边界条件，根据圣维南方程组计算表面以下流速的数值解，求得精确的流速与流量；有些河流冲淤情况复杂，导致河道情况变化，计算精度降低。本方法通过多摄像头（相机）重建得出的实时河道地形，精确计算河流流量，基于图像法自动读取水尺水位，将普通相机一7、红外相机8和普通相机二9拍摄到的水尺图片，使用计算机视觉的方法识别其具体的水位内容。结果存储：坐标处理单元16将矢量计算结果通过接收单元18存入数据库21；信息展示：软件客户端4的远程数据读取端13通过无线收发器14读取数据库21内的数据，并将信息显示在信息展示APP12。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，其特征在于，包括智能终端，所述智能终端包括视频处理服务器（1）、电源单元（2）、视频采集单元（3）、软件客户端（4）和数据处理平台（5），所述视频采集单元（3）包括全站仪（6）、普通相机一（7）、红外相机（8）和普通相机二（9），所述红外相机（8）包括红外热像仪（10）和近红外摄像头（11），所述软件客户端（4）包括信息展示APP（12）、远程数据读取端（13）和无线收发器（14），所述数据处理平台（5）包括存储单元（15）、坐标处理单元（16）、视频处理单元（17）、接收单元（18）、输出单元（19）和远程数据采集单元（20），所述存储单元（15）包括数据库（21），所述测验方法的具体步骤如下：
相机架设：将普通相机一（7）、红外相机（8）和普通相机二（9）并列架设在高塔上或者河流岸边，并使用全站仪（6）测量出其三维投影坐标，在河流中安装水尺；
视频传输：普通相机一（7）、红外相机（8）和普通相机二（9）将采集的视频传输给远程数据采集单元（20）；
视频处理：远程数据采集单元（20）将数据传输给视频处理单元（17），视频处理单元（17）对视频进行对比度增强，然后进行高通滤波，对相邻两帧之间的图像进行互相关，匹配两帧图像间的相似粒子以计算粒子相对位移，除以两帧图像之间经过的时间，得到粒子运动的相对速度，此时，粒子运动速度的单位为“像素每秒”；
坐标处理：坐标处理单元（16）将普通相机一（7）、红外相机（8）和普通相机二（9）拍摄的视频做空间三维重建，利用事先布置在河流两岸的标志点获取视频中对应像素点的真实坐标点定标，利用摄影测量学共线方程和双目测距原理求取其他像素的真实坐标；
流量计算：实测河流表面流速数据，加水力模型计算流量，具体如下：用三维激光扫描仪和多波束测深仪事先测量河流河道与河岸三维地形，以上两项构成水动力学计算的边界条件，根据圣维南方程组计算表面以下流速的数值解，求得精确的流速与流量；有些河流冲淤情况复杂，导致河道情况变化，计算精度降低；
本方法通过多摄像头（相机）重建得出的实时河道地形，精确计算河流流量，基于图像法自动读取水尺水位，将普通相机一（7）、红外相机（8）和普通相机二（9）拍摄到的水尺图片，使用计算机视觉的方法识别其具体的水位内容；
结果存储：坐标处理单元（16）将矢量计算结果通过接收单元（18）存入数据库（21）；
信息展示：软件客户端（4）的远程数据读取端（13）通过无线收发器（14）读取数据库（21）内的数据，并将信息显示在信息展示APP（12）。
2.根据权利要求1所述的一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，其特征在于，所述接收单元（18）和输出单元（19）均与存储单元（15）电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，其特征在于，所述视频处理服务器（1）与视频采集单元（3）之间的通讯使用WiFi通讯或RJ45接头的6类网线。
4.根据权利要求1所述的一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，其特征在于，所述视频处理服务器（1）分别与存储单元（15）、坐标处理单元（16）、视频处理单元（17）、接收单元（18）、输出单元（19）和远程数据采集单元（20）电性连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于视频所测河流表面流速结合水力模型的河流流量测验方法，其特征在于，所述电源单元（2）通过电线与视频处理服务器（1）连接。
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