CN117058085A - 一种水尺及其水位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水尺及其水位检测方法，属于水位检测领域。该方法为：通过监控拍摄并裁剪，得到初始水尺图像；在需要检测水位时，通过监控拍摄并裁剪，得到实时水尺图像作为待检测水尺图像；对待检测水尺图像和初始水尺图像进行灰度化和二值化处理，然后对二值图像进行腐蚀、膨胀、删除部分面积区域和孔洞填冲的操作，得到水尺的像素区域；根据换算好的比例计算出待检测水尺图像和初始水尺图像两者底部未封口的矩形边框的像素高度差，得到实际的水位高度。本发明在低光照、高噪声、远距离拍摄环境下能够有效地检测水尺水位，并且该方法配合高清监控可以满足各种环境安装，可以安装在河流、水库、城市道路、隧道、地下轨道等设施。

Description

一种水尺及其水位检测方法

技术领域

本发明属于水位检测领域，涉及一种水尺及其水位检测方法。

背景技术

掌握水位情况对于防洪减灾工作意义重大。及时掌握河流、城市道路、隧道、地下工程积水水位可以第一时间采取应急措施，防止城洪水、城市内涝的发生。传统的接触式水位检测装置一般是通过机械式或物理方式进行水位数据测量，精确度和稳定性较差，长时间与水面接触容易损坏导致后期维护成本上升。同时当水位检测装置附着泥土时会造成检测结果出错的问题。非接触式的水位检测装置现有的技术手段包括通过声学法、雷达、红外线等方式进行水位测量。但此类测量技术普遍有着抗干扰能力的问题。例如水面的泡沫会影响超声波的穿透。

近年来，计算机视觉技术发展迅猛，基于计算机视觉技术的水位检测技术得到了发展。这种检测技术是非接触式的，仅需安装高清摄像机就可以实现水位检测。并且该技术还可以实现远距离检测，能够适应恶劣的环境，维护成本低，可以实时检测，通过大数据可以预测水位趋势。现有的方法中主要是基于图像分割计算水位高度、基于图像配准换算出水位高度、基于深度学习识别水尺数字和刻度线计算出水位高度。这些检测方法虽然可以很好地实现水位的检测，但是当图像亮度很低、噪声干扰大和监控拍摄距离远时，图像中水尺上的刻度线和数字由于像素点稀少导致信息不完整，在图像分割、图像配准和目标检测时都无法成功找到特征信息。因此现有的基于计算机视觉技术的水尺水位检测方法在设备安装条件、适用低光照和高噪声干扰上还有明显的不足，对于这些问题有必要提出相应的解决方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水尺及其水位检测方法。该方法包括设计了一种新的构造水尺，安装高清监控监控拍摄水尺图像，最后由程序计算水尺水位。该方法可以实现远距离、低光照和高噪声下的水位检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水尺，包括底部未封口的矩形边框；

所述矩形边框内排列有0～N个E字符号结构；

所述E字符号结构分为两列，每列中E字符号结构的凹陷处相对排列，并间隔一定距离首尾相接；

所述E字符号结构的凹陷处侧边设置有对应的0～N个数字符号结构；

所述E字符号结构标注有高度和宽度。

可选的，所述一定距离为20cm。

基于所述水尺的水位检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：若需要水位检测的地方没有所述水尺和监控，则在需要水位检测的地方安装所述水尺和监控；若需要水位检测的地方已经安装有原始水尺和监控，则将原始水尺更换为所述水尺；

S2：通过监控拍摄并裁剪，得到初始水尺图像；在需要检测水位时，通过监控拍摄并裁剪，得到实时水尺图像作为待检测水尺图像；

S3：对待检测水尺图像和初始水尺图像进行灰度化和二值化处理，然后对二值图像进行腐蚀、膨胀、删除部分面积区域和孔洞填冲的操作，得到水尺的像素区域；

在图像二值化时，将边框、E字符号结构和数字符号结构设置为黑色，其余部分为白色；

S4：计算待检测水尺图像和初始水尺图像中水尺像素区域的底部未封口的矩形边框，并计算出底部未封口的矩形边框的像素高和宽；

S5：将待检测水尺图像和初始水尺图像中水尺像素区域的像素比例换算成同一比例；

S6：根据换算好的比例计算出待检测水尺图像和初始水尺图像两者底部未封口的矩形边框的像素高度差；

S7：将像素单位换算成实际水尺的刻度单位，得到实际的水位高度。

可选的，所述监控距离水尺安装10米以内时，采用200mm宽的水尺；

监控距离水尺安装10米以外时，采用300mm宽的水尺。

可选的，所述S1中，水尺的安装有安装构造一和安装构造二两种方式：

安装构造一为：贴墙或贴柱子安装；

安装构造二为：当需要安装的场地有台阶时，将台阶拆除后按照安装构造一的方式安装；当无法拆除台阶时，在计算水位高度时分三段式计算：

(1)当水位在台阶以下的情况；

(2)当水位超过台阶，还未到达墙面的情况；

(3)水位超过台阶到达墙面的情况。

本发明的有益效果在于：本发明在低光照、高噪声、远距离拍摄环境下能够有效地检测水尺水位，并且该方法配合高清监控可以满足各种环境安装，可以安装在河流、水库、城市道路、隧道、地下轨道等设施，根据安装的环境不同水尺可以做出相应的调整。本发明的安装方式丰富，附图中的安装构造一为一般的安装方法，当需要在隧道、道路、地下空间安装时，墙边存在台阶可以采用安装构造二的方式安装，提出的程序可以根据安装方式做出调整换算出实际的水位。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为两种规格构造水尺；

图2为刻度线详图；

图3为安装构造一；

图4为安装构造二；

图5为本发明方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1和图2所示，本发明设计了一种黑白色水尺构造，该水尺是在标准水尺的基础上做了简化放大处理，标准水尺上的一个E的刻度为5cm，将一个E的刻度为设置为10cm。该水尺该可以根据安装的环境做出调整。

本发明提出了一种基于区域图像像素处理技术的水尺水位方法，该方法是由监控监控首先拍摄安装时的原始状态水尺图像和待测状态水尺图像，原始状态水尺水位高度为0，程序识别图像中的水尺，截取水尺图像，图像二值化、腐蚀、膨胀等操作，计算两种状态图像水尺在图像中的像素区域外包矩形的像素宽和高，并换算成统一比列，计算像素高差。根据水尺实际的高宽换算比例因子，根基比例因子换算出水位线以上部分水尺的实际高度。水位线的实际刻度则等于原始状态水尺图像的像素高减去待测状态的水尺图像像素高，根据比例因子将像素高差换算成实际的距离。

本发明提出的水尺构造可以根据实际的安装距离做出调整，监控距离水尺安装10米以内时可以采用200mm宽的水尺，或根据监控的距离在减小水尺宽度。若距离10米以上可采用300mm宽的水尺，或根据监控的距离再增大水尺宽度，可以轻松实现水位检测，同时该水尺在低光照、高噪声、远距离拍摄的情况下能满足算法检测的同时由于水尺刻度大，刻度线密度低，能在图像中保留的信息更多，也能满足人眼通过图像读取刻度。

本发明中提出的方法可以与深度学习目标检测结合，可以做到全自动化识别水尺、得到水尺图像、自动计算出水位高度。且对现有的安装设施只需简单地更换水尺就可以使用本发明提出的检测方法。

如图3和图4所示，水尺的安装有安装构造一和安装构造二两种方式，安装构造一为正常的贴墙、柱子等结构安装。安装构造二为当需要安装的场地有台阶、例如隧道，可以将隧道台阶切除部分按照安装构造一安装。若无法拆除台阶可以采用安装构造二的方式。此时在计算水位高度时分三段式计算：(1)当水位在台阶以下(2)当水位超过了台阶，还未到达墙面(3)水位超过了台阶到达了墙面。两种安装构造水位计算方法相同。

如图5所示，本发明流程如下：

S1：若需要水位检测的地方没有所述水尺和监控，则在需要水位检测的地方安装所述水尺和监控；若需要水位检测的地方已经安装有原始水尺和监控，则将原始水尺更换为所述水尺；

S2：通过监控拍摄并裁剪，得到初始水尺图像；在需要检测水位时，通过监控拍摄并裁剪，得到实时水尺图像作为待检测水尺图像；

S3：对待检测水尺图像和初始水尺图像进行灰度化和二值化处理，然后对二值图像进行腐蚀、膨胀、删除部分面积区域和孔洞填冲的操作，得到水尺的像素区域。

图像灰度化是将彩色图像由单个像素RGB三通道图像转变为一通道图像，即每一个像素点值只包括单一的灰度值。图像二值化的原理是将图像中的像素点的灰度值高于阈值的设置为白色，低于阈值设置为黑色，将整个图像设置为黑白两种颜色。由于水尺是黑白色的，因此在图像二值化时，将边框、E字符号结构和数字符号结构设置为黑色，其余部分为白色；

S4：计算待检测水尺图像和初始水尺图像中水尺像素区域的底部未封口的矩形边框，并计算出底部未封口的矩形边框的像素高和宽；

S5：由于待测水尺图像和初始水尺图像来源于两张图像，在图像的像素比例不同，无法直接计算两者外包矩形的像素高度差。因此需要将待检测水尺图像和初始水尺图像中水尺像素区域的像素比例换算成同一比例。

S6：根据换算好的比例计算出待检测水尺图像和初始水尺图像两者底部未封口的矩形边框的像素高度差；

S7：由于图像中像素高度只是反应水尺在图像中所占的高度，但实际的水尺长度单位与像素点单位是不一样的，因此最后需要将像素单位换算成实际水尺的刻度单位。最后得到实际的水位高度

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种水尺，其特征在于：包括底部未封口的矩形边框；

所述矩形边框内排列有0～N个E字符号结构；

所述E字符号结构分为两列，每列中E字符号结构的凹陷处相对排列，并间隔一定距离首尾相接；

所述E字符号结构的凹陷处侧边设置有对应的0～N个数字符号结构；

所述E字符号结构标注有高度和宽度。

2.根据权利要求1所述的一种水尺，其特征在于：所述一定距离为20cm。

3.基于权利要求1或2所述水尺的水位检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：若需要水位检测的地方没有所述水尺和监控，则在需要水位检测的地方安装所述水尺和监控；若需要水位检测的地方已经安装有原始水尺和监控，则将原始水尺更换为所述水尺；

S2：通过监控拍摄并裁剪，得到初始水尺图像；在需要检测水位时，通过监控拍摄并裁剪，得到实时水尺图像作为待检测水尺图像；

S3：对待检测水尺图像和初始水尺图像进行灰度化和二值化处理，然后对二值图像进行腐蚀、膨胀、删除部分面积区域和孔洞填冲的操作，得到水尺的像素区域；

在图像二值化时，将边框、E字符号结构和数字符号结构设置为黑色，其余部分为白色；

S4：计算待检测水尺图像和初始水尺图像中水尺像素区域的底部未封口的矩形边框，并计算出底部未封口的矩形边框的像素高和宽；

S5：将待检测水尺图像和初始水尺图像中水尺像素区域的像素比例换算成同一比例；

S6：根据换算好的比例计算出待检测水尺图像和初始水尺图像两者底部未封口的矩形边框的像素高度差；

S7：将像素单位换算成实际水尺的刻度单位，得到实际的水位高度。

4.根据权利要求3所述的水位检测方法，其特征在于：所述监控距离水尺安装10米以内时，采用200mm宽的水尺；

监控距离水尺安装10米以外时，采用300mm宽的水尺。

5.根据权利要求3所述的水位检测方法，其特征在于：所述S1中，水尺的安装有安装构造一和安装构造二两种方式：

安装构造一为：贴墙或贴柱子安装；

安装构造二为：当需要安装的场地有台阶时，将台阶拆除后按照安装构造一的方式安装；当无法拆除台阶时，在计算水位高度时分三段式计算：

(1)当水位在台阶以下的情况；

(2)当水位超过台阶，还未到达墙面的情况；

(3)水位超过台阶到达墙面的情况。