CN110715705A - 一种基于图像采集的稻田水位监测系统及方法 - Google Patents

一种基于图像采集的稻田水位监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于图像采集的稻田水位监测系统及方法，包括标尺、图像采集处理系统、滤网、沉砂槽、基准平台、光伏板、立柱及固定部件；标尺垂直竖立于基准平台之上，用于标识稻田实时水位，利用具有定时红外摄像、文件储存、蓄电功能以及数据处理功能的图像采集处理系统定时拍摄标尺、储存图像并识别水位，通过滤网和沉砂槽保证系统的可靠性，利用光伏板为图像采集处理系统提供电力。本发明提供的稻田水位监测系统测量准确、可靠度高、施工方便、成本低廉。

Description

一种基于图像采集的稻田水位监测系统及方法
技术领域
本发明属涉及农业面源污染监测领域的系统，具体地说，涉及一种用于稻田水位监测的系统及方法。
背景技术
随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，农业面源污染已经逐渐成为水环境污染的最重要来源。水稻作为最重要的农作物之一，全世界有超过1.35亿公顷的土地用于水稻种植。我国是世界水稻生产第一大国，水稻产量约占粮食总产量的40％。水稻耗水量约占农业用水总量的60-70％，化肥用量超过20％，外界普遍认为：作为水肥消耗大户，稻田氮磷流失十分严重，是造成水体污染的重要原因。
稻田氮素的流失途径主要包括降雨引起的机会径流流失、农田排水流失、土壤侵蚀流失、淋溶流失和挥发等。影响稻田氮素流失的因素众多，包括降雨、施肥、灌溉耕作方式和轮作制度等等。由于稻田所处地理环境、栽培技术和水稻品种的差异，加之降雨时空分布不均等因素影响，水稻种植过程中，田面水位存在动态变化，而水是稻田中氮素等污染质的直接载体，故田面水位对稻田营养元素流失具有重要的影响。故监测水稻生长期内稻田水位，对于计算区域稻田面源污染物排放量，衡量稻田面源污染风险具有重要作用。
目前用于稻田水位监测的方法，主要有水位传感器法和浮子法等。如申请号为CN201620660297.9的专利公开了一种一体化遥测稻田水分水位监测仪，利用设置在防护壳内的水分传感器、水位传感器、采集模块、通信模块进行工作，实现了稻田水位、温度和土壤水分、温度参数的同时测量，并能计算水稻实际需水。申请号CN201721342643.X的专利公开了一种稻田水位监测系统，该稻田水位监测系统，水箱放入水稻田中，里面的水会给浮箱一个浮力，当水位下降时，浮箱也随之下降，这时伸缩杆就会带动压杆下降，下降到设定的警报位置时，导电弹簧与下侧的导电片接触，警报灯亮，这样从远处就能观察到，就能确定水稻田缺水，进行及时灌溉。
以上现有技术都是利用传感器或浮子对稻田水位进行监测。浮子法适用于对稻田水位的瞬时警报，无法获得长期监测结果；而传感器法则受制于传感器本身的精度和误差，可靠度有限。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于图像采集的稻田水位监测系统及方法，通过水位标尺确定稻田水位，利用定时拍摄及储存图像，并识别图像中的水位信息，从而实现稻田水位的精确监测的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的第一方面，提供一种基于图像采集的稻田水位监测系统，所述监测系统包括箱体，所述箱体的一侧设有进水口，所述进水口处设置滤网；
所述箱体内设有基准平台、标尺、沉沙槽和图像采集处理系统，其中，所述标尺垂直竖立于所述基准平台上，所述标尺用于标识稻田实时水位；
所述沉砂槽设置于所述滤网和所述基准平台之间，用于沉淀水中泥沙，使所述基准平台不被泥沙覆盖；
所述图像采集处理系统包括红外摄像机、储存模块、蓄电模块和数据处理模块，所述红外摄像机用于定时采集所述标尺的图像；所述数据处理模块对所述红外摄像机采集的所述标尺的图像进行水位识别；所述存储模块用于储存所述红外摄像机采集的所述标尺的图像及所述数据处理模块识别后的水位信息。
优选地，所述图像采集处理系统还包括信息传输模块，通过所述信息传输模块将采集的所述水位信息传输至终端设备。
优选地，所述箱体的底部设置固定部件，所述固定部件用于支撑所述箱体。
优选地，所述标尺采用白色背景，所述标尺为黑色填充；所述标尺的底端与所述基准平台上表面处于相同水平。
优选地，所述图像采集处理系统设置于所述基准平台上方，所述图像采集处理系统中所述红外摄像机的拍照方向对准所述标尺。
优选地，所述滤网的下边沿与所述基准平台高齐平；所述滤网为不锈钢交叉过滤网。
优选地，所述箱体内设置3道所述沉砂槽，所述沉砂槽上边沿与所述基准平台处于相同水平。
优选地，所述系统还包括光伏板和支柱，所述光伏板通过所述支柱支撑于所述箱体的上方，所述光伏板为所述图像采集处理系统提供电力。
根据本发明的第二方面，提供一种采用上述系统进行的基于图像采集的稻田水位监测方法，所述方法包括：
在稻田中下挖一个与所述监测系统大小一致的坑，然后将所述监测系统放置于坑中，并固定于稻田土壤中；
使所述稻田土壤表面与所述监测系统的所述基准平台高度一齐平，所述监测系统的标尺垂直于所述基准平台，通过图像采集处理系统对水位标尺读数的定时拍摄，并识别图像中的水位信息，实现稻田水位的精确监测。
与现有技术相比，本发明具有以下至少一种有益效果：
(1)本发明采用图像采集方式测量稻田水位，其结果是对水位的直接反映，克服了其他测量手段的误差。
(2)本发明采用图像采集方式测量稻田水位，可以获得长期监测结果，使得实现稻田水位的精确监测。
(3)本发明通过滤网过滤大尺寸杂物，通过沉砂槽沉淀水中泥沙，保证了测量结果的可靠性，避免了由于泥沙和杂物造成的相对水位变动。
(4)本发明利用光伏板提供电力，结合图像采集处理系统的蓄电功能，做到了系统的独立可用，可以灵活放置于稻田中任何位置，避免了电源等束缚，方便灵活，节能环保。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例的结构示意图；
图中标记分别表示为：1为标尺、2为图像采集处理系统、3为滤网、4为沉砂槽、5为基准平台、6为光伏板、7为立柱、8为固定部件、9为箱体。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明一优选实施例中基于图像采集的稻田水位监测系统的结构示意图，监测系统包括箱体9，箱体9的一侧设有进水口，进水口处设置滤网3；通过设置滤网3，用于在稻田水通过进水口进入系统中时，滤网3可以起到对大尺寸杂物的过滤作用，维护系统内整洁。箱体9内设置基准平台5、标尺1、沉沙槽4、图像采集处理系统2，其中，标尺1垂直竖立于基准平台5上，标尺1用于标识稻田实时水位；标尺1的每格刻度依次为黑、白两种颜色填充，可以采用白色背景，黑色填充；标尺1的0刻度线与基准平台5上表面处于相同水平。沉砂槽4设置于滤网3和基准平台5之间，沉砂槽4上边沿与基准平台5处于相同水平，通过设置沉沙槽4，用于沉淀水中泥沙，使基准平台5不被泥沙覆盖，提高系统的可靠信。
作为一优选实施方式，箱体9内设置3道沉砂槽4。
作为一优选实施方式，滤网3可以采用不锈钢交叉过滤网，将滤网3的下边沿与基准平台5高齐平设置。
图像采集处理系统2包括红外摄像机、储存模块、蓄电模块和数据处理模块，其中，红外摄像机用于定时采集标尺1的图像，红外摄像机的输出端与储存模块的输入端连接，将采集的图像输入至存储模块；存储模块用于储存红外摄像机采集的图像和识别后的水位信息；数据处理模块的输入端和输出端与存储模块连接，数据处理模块用于对红外摄像机采集的图像进行水位识别，并通过存储模块存储。图像采集处理系统2设置于基准平台5上方，将图像采集处理系统2中红外摄像机的拍照方向对准标尺1。
图像采集处理系统2中的数据处理模块，首先将采集的RGB图像转化为灰度图像，进行阈值分割后，得到二值化水位图像，计算标尺1与水面交汇处的像素坐标，依据标尺1原有像素坐标，计算得到水位信息。
作为一优选实施例，图像采集处理系统2还包括信息传输模块，通过信息传输模块将采集的水位信息传输至终端设备。通过该系统可以使水位监测实现终端实时监控。
系统以稻田实际水土情况为基础，通过对水位标尺1读数的定时图像采集，实现稻田水位的精确监测。
上述系统中，在箱体9内设置滤网3过滤大尺寸杂物，设置沉砂槽4可以沉淀水中泥沙，保证了测量结果的可靠性，避免了由于泥沙和杂物造成的相对水位变动。
箱体9的底部设置固定部件8，固定部件8用于支撑箱体9。系统利用固定部件8固定于稻田土壤中，施工时首先在稻田中下挖一个与系统大小一致的坑，然后将系统置于坑中，利用固定部件8固定，保证稻田土壤表面与滤网3下边沿齐平。
在本发明另一优选实施例中，系统还包括光伏板6、光伏板6通过支柱支撑于箱体9的上方，光伏板6为图像采集处理系统2提供电力。利用光伏板6提供电力，结合图像采集处理系统2的蓄电功能，做到了系统的独立可用，可以灵活放置于稻田中任何位置，避免了电源等束缚，方便灵活，节能环保。
在另一优选实施例，还提供一种稻田水位监测的方法，采用上述的优选实施例中的监控系统进行，具体的，可以按照以下操作实现：
首先在稻田中下挖一个与箱体9大小一致的坑，坑的深度大约15cm，然后将上述监控系统放置于坑中，利用固定部件8固定于稻田土壤中，将光伏板6通过立柱7固定，稻田土壤表面与滤网3下边沿齐平，即稻田土壤表面与基准平台5高度一齐平，从而保证标尺1的水位度数可以客观反映稻田水位。标尺1垂直于基准平台5，标尺1的0刻度线与基准平台5上表面处于相同水平，利用光伏板6结合图像采集处理系统2的蓄电功能，为系统提供电力保障。
以稻田实际水土情况为基础，通过图像采集处理系统2中的红外摄像机对水位标尺1读数的定时拍摄并进行水位识别。
在一具体实施例中，上述各部分可以选择以下参数：
标尺1采用的长度40cm，宽度为5cm，刻度1cm，每格刻度依次利用黑、白两种颜色填充；标尺1垂直于基准平台5之上，标尺1的0刻度线与基准平台5上表面处于相同水平，基准平台5高度15cm，宽度10cm。
图像采集处理系统2的设置高度高于基准平台5以上30cm，拍照方向对准标尺1，水平距离标尺150cm。
滤网3采用不锈钢交叉过滤网，孔径0.5cm，滤网3的下边沿与基准平台5高度一致；沉砂槽4共设置3道，高度15cm，间距10cm，沉砂槽4上边沿与基准平台5处于相同水平。
本发明上述实施例通过获取稻田中标尺的图像进行水位识别，无需人工，可以节约大量的人力成本，而且通过这种智能化的监控，可以获得长期监测结果，使得实现稻田水位的精确监测。本发明上述监测方法中通过图像采集方式测量稻田水位，其结果是对水位的直接反映，相对于现有常用的浮子法、传感器法，测量精度和可靠度都大大提升。
本发上述实施例提供的稻田水位监测系统测量准确、可靠度高、施工方便、成本低廉。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述监测系统包括箱体，所述箱体的一侧设有进水口，所述进水口处设置滤网；
所述箱体内设有基准平台、标尺、沉沙槽和图像采集处理系统，其中，所述标尺垂直竖立于所述基准平台上，所述标尺用于标识稻田实时水位；
所述沉砂槽设置于所述滤网和所述基准平台之间，用于沉淀水中泥沙，使所述基准平台不被泥沙覆盖；
所述图像采集处理系统包括红外摄像机、储存模块、蓄电模块和数据处理模块，所述红外摄像机用于定时采集所述标尺的图像；所述数据处理模块对所述红外摄像机采集的所述标尺的图像进行水位识别；所述存储模块用于储存所述红外摄像机采集的所述标尺的图像及所述数据处理模块识别后的水位信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述图像采集处理系统还包括信息传输模块，通过所述信息传输模块将所述水位信息传输至终端设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述数据处理模块，首先将采集的标尺的RGB图像转化为灰度图像，进行阈值分割后，得到二值化水位图像，计算标尺与水面交汇处的像素坐标，依据标尺原有像素坐标，计算得到水位信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述标尺采用白色背景，所述标尺为黑色填充；所述标尺的底端与所述基准平台上表面处于相同水平。
5.根据权利要求4所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述图像采集处理系统设置于所述基准平台上方，所述图像采集处理系统中所述红外摄像机的拍照方向对准所述标尺。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述滤网的下边沿与所述基准平台高齐平，通过所述滤网过滤大尺寸杂物。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述箱体内设置所述沉砂槽，所述沉砂槽上边沿与所述基准平台处于相同水平，通过所述沉砂槽沉淀水中泥沙。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述系统还包括光伏板和支柱，所述光伏板通过所述支柱支撑于所述箱体的上方，所述光伏板为所述图像采集处理系统提供电力。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于图像采集的稻田水位监测系统，其特征在于：所述箱体的底部设置固定部件，所述固定部件用于支撑所述箱体。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述系统的基于图像采集的稻田水位监测方法，其特征在于：包括：
在稻田中下挖一个与监测系统大小一致的坑，然后将所述监测系统放置于坑中，并固定于稻田土壤中；
使所述稻田土壤表面与所述监测系统的所述基准平台高度一齐平，所述监测系统的标尺垂直于所述基准平台，通过图像采集处理系统对水位标尺读数的定时拍摄，并识别图像中的水位信息，实现稻田水位的精确监测。
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