TWI783533B - 海浪高度之偵測及預警系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種海浪高度之偵測及預警系統，係將岸邊架設的影像接收單元即時接收的影像，透過影像處理與幾何計算方式，若發現目前觀測到的海浪高度不斷增加且已達危險等級，即向周邊環境及岸邊管理中心發送告警訊息的一種預警系統。

Description

海浪高度之偵測及預警系統

本發明係關於一種海浪高度之偵測及預警系統，特別是有關於一種利用影像接收單元獲取的海浪影像，透過處理單元尋找影像中海浪部分並計算高度，若計算結果表示海浪高度不斷增加且已達危險等級，就透過告警單元向岸邊管理中心發送告警之系統。

目前觀測海浪以浮標和雷達兩種方式為主。以浮標偵測波浪方式係依靠浮標內的感測器偵測海浪經過時造成浮標位移程度，然後根據GPS定出浮標位置及傳送位移規模訊息，管理中心便可得知該區域海浪大小。雷達則以都卜勒效應偵測海浪。該方法是藉由分析海浪回波強度分布推算波浪周期、波長及海表面水流向和流速等。目前這兩種做法皆有些限制，浮標雖然應用廣泛，但是投放回收成本高；至於雷達方法則因佔地面積大、移動困難且海岸地區受到海水、大氣以及陸地交互作用影響，必須在建設所在地點建立正確的模型才能得到準確的結果。

由此可見，傳統習用技術不但需要長時間收集數據及調整參數進行修正才能發揮最大功效，再加上採購、現場環境評估、設置與後續維護成本很高，對於短期內即時提供岸邊人員當時海浪高度預警而言實非一良善設計，亟待加以改良。

本案發明人鑑於上述習用方式遭遇到的限制，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件海浪高度之偵測及預警系統。

本發明之目的即在於提供一種海浪高度之偵測及預警系統，利用現有影像接收單元，對該裝置獲取的近岸海浪影像區分出海浪並估算高度，若海浪高度不斷增加且浪高達到警戒高度以上時即對附近居民和岸邊管理中心發出告警的系統，以改善某些地區因為成本與建置地點限制而無法設置浮標或雷達站進行觀測的問題。

本發明之次一目的即在於提供一種海浪高度之偵測及預警系統，可將每次海浪高度超出警戒高度時的計算結果、影像與時間資訊儲存起來，作為日後評估建置新的近岸雷達觀測站或投放浮標的參考。

達成上述發明目的之海浪高度之偵測及預警系統，係包含一影像接收單元、一處理單元、一通訊單元、一資料儲存單元、一電源單元以及一告警單元。影接收單元係不斷取得監看區域的 海浪影像，連同取得影像時間和影像接收單元唯一識別碼透過電性耦接或網路方式傳送到處理單元。處理單元接收到影像接收單元傳來的影像後，找出影像中的海浪，並計算影像中的海浪的高度。若海浪高度不斷增加並在浪高超過警戒高度時經由告警單元發出警告，以達到預警的目的。同時處理單元會將此一時間序列裡的複數張影像、相對應的複數筆計算結果與時間資訊經由電性耦接直接或經由通訊單元以網路連接方式儲存在資料儲存單元裡，提供日後研究使用。

1:海浪高度之偵測及預警系統

10:影像接收單元

11:處理單元

12:通訊單元

13:資料儲存單元

14:電源單元

15:告警單元

IM1~IM3:海面影像

L1:海浪高度警戒線

S201~S207:偵測海浪高度及預警流程步驟

圖1為本發明海浪高度之偵測及預警系統之架構模組圖；圖2為該海浪高度之偵測及預警系統分析海浪高度示意圖；圖3為該海浪高度之偵測及預警系統透過幾何運算估算海浪高度的示意圖以及圖4為該海浪高度之偵測及預警系統分析海浪高度及行進速度流程圖。

請參閱圖1，為本發明海浪高度之偵測及預警系統之架構方塊圖，從圖中可知，本發明海浪高度之偵測及預警系統1，其包 含影像接收單元10、處理單元11、通訊單元12、資料儲存單元13、告警單元15及電源單元14。

影像接收單元10用以取得海面景像。影像接收單元10具備唯一識別碼，以便在調閱資料時做為查詢條件。影像接收單元10將擷取到的畫面以電性耦合或網路方式傳送到處理單元11。

處理單元11用以設定影像接收單元10操作參數、根據影像接收單元10輸出的畫面海浪及計算海浪高度。處理單元11藉由電性耦合(例如：CSI、MIPI CSI-2或USB，但不以此為限)或網路方式(例如：行動通信網路、無線網路(Wi-Fi)、WiMAX、無線光通信、有線網路(Ethernet)或光纖等方式，但不以此為限)對影像接收單元10進行操作模式設定以及處理影像接收單元10傳來的海浪影像。以電性耦合方式與影像接收單元10連接時，計算結果與告警訊息藉由通訊單元12與位於後方管理中心的資料儲存單元13連線。處理單元11亦可與資料儲存單元13同處在後方管理中心，並以電性耦接方式連接，於此實施方式中，處理單元11透過通訊單元12取得影像接收單元10的畫面。

通訊單元12用以將處理單元11的結果傳送出去。通訊單元12具備如2G、3G、4G、5G行動通訊系統、無線區域網路(WLAN)、WiMAX、有線乙太網路和光纖等有線與無線通訊媒體之其中一至數種網路介面，並根據不同實施方式，連接影像接收單元10、處理單元11和位在管理中心的資料儲存單元13。在一些實施例中，所述網路介面包含有線網路、光纖、無線網路、RS485、 行動通信網路、電力線中的一至數者。

資料儲存單元13用以透過通訊單元12收到處理單元11結果加以呈現及儲存。資料儲存單元13經由通訊單元12和處理單元11連線，或直接透過電性耦合方式與處理單元11連接。

電源單元14用以供應影像接收單元10、處理單元11、通訊單元12、資料儲存單元13正常運作所需電力。電源單元14係供應電力給影像接收單元10、處理單元11、通訊單元12和資料儲存單元13，確保這些設備即使在電力中斷時亦能正常運作。電源單元14電力來源可以是一般市電(100~240VAC，50/60Hz)、一般電池、充電電池、太陽能發電單元、風力發電單元、潮汐發電單元其中一至數種，但不以此為限。另外，告警單元15用以發出告警訊息。影像處理單元10、處理單元11、資料儲存單元13與告警單元15可以電性耦接或透過通訊單元12連接。在一些實施例中，告警單元15包括蜂鳴器、警報器、語音播放裝置中的一至數者，且所述告警訊息包括顯示於螢幕上的告警訊息。

上述中，影像接收單元10可為網路攝影機、電荷耦合元件鏡頭、互補式金氧半電晶體鏡頭、紅外線鏡頭、平板電腦、智慧型手機、立體攝影機中的一至數者。在一些實施例中，影像接收單元10為具有攝影功能、顯示、網路、通訊及唯一識別碼之行動通信設備或電子裝置。處理單元11可為一處理器、一嵌入式系統、一工作站、雲端伺服器。影像接收單元10和處理單元11可分開運作，或者整合為一具備邊緣運算能力的嵌入式系統。通訊 單元12可為一具備有線和無線通訊界面的設備，或者是整合在影像接收單元10或處理單元11裡，透過有線或無線通訊媒介達到在影像接收單元10、處理單元11和資料儲存單元13之間傳輸資料用的模組。資料儲存單元13可為一擁有磁碟機陣列的資料儲存伺服器、雲端資料儲存伺服器或與處理單元11整合成為一具備資料儲存功能之大型工作站。電源單元14可為一不斷電系統。以上僅為較佳之實施態樣，但不應以此述而有所限制者。在一些實施例中，影像接收單元10、處理單元11、通訊單元12、資料儲存單元13、告警單元15中的一至數者具備人機介面，且此人機介面包含機械式按鍵滑鼠、觸控式按鍵、顯示螢幕、操作視窗、射頻感應之其中一至數者。

請參閱圖2所示，為本發明海浪高度之偵測及預警系統分析海浪高度示意圖。影像接收單元10不斷對所負責的探測區域(例如某個海面區域)取得多個海浪影像，並經由電性耦合或網路方式傳送到處理單元11。處理單元11不斷分析各海浪影像中海浪高度，圖2左邊即是在處理單元11的海浪影像示意圖。

處理單元11根據觀測海浪資料，利用程式設計或計算座標等方式決定一警戒高度，並在各海浪影像中相應地產生虛擬的海浪高度警戒線L1，以判斷海浪影像中的海浪高度是否已達到警戒高度。例如：圖2中某一時刻處理單元11收到來自影像接取單元10取得之海浪影像IM1中，海浪高度為h1，經過一時間間隔後下一張海浪影像IM2中的海浪高度為h2，再下一張海浪影像IM3中 的海浪高度是h3。若處理單元11得到這幾張海浪影像中海浪高度排序分別為h3>h2>h1，且最後海浪高度h3甚至超過處理單元11中設定的海浪高度警戒線L1，處理單元11便透過告警單元15向岸邊管理中心及周圍人、車等發出告警訊息。

在本發明實施例中所提到的偵測海浪高度方式可以是光達(LiDAR)、飛行時間(Time of Flight，ToF)、擴增實境(AR)或利用深度學習等眾多技術。以本發明其中一實施例而言，假設影像接收單元10是一支智慧型手機，則被拍攝物體與其成像後的影像之間的關係可由公式1表示：

請參考圖3，為本發明海浪高度之偵測及預警系統透過幾何運算估算海浪高度的示意圖。其中

的長度代表智慧型手機的相機鏡頭焦距f，v是待測物體成像距離，該距離可以由相機鏡頭裡的馬達移動距離得知，因此即可根據公式1得到物體與智慧型手機的鏡頭之間的距離u。由圖3中可知△ABO與△DEO滿足相似三角形關係，因此被拍攝物體高度h、成像高度h’、物距u和像距v之間的關係可從公式2得到。

公式2中的h’是海浪在對應的海浪影像中的影像區域高度，也就是像高。h’可以先由海浪在對應的海浪影像中占有的像素數代表，影像接收單元110每個像素的邊長是固定的，於是就 決定了h’的大小，再由公式2可得到估算的海浪高度h為

。考慮到擷取海浪影像時的光照度、時間、環境以及鏡頭像差造成的誤差等因素，與實測比較後可以加上一個修正參數α(0<α≦1)代表估算的海浪高度，如公式3所表示。

請參閱圖4所示，為本發明海浪高度之偵測及預警系統一實施例所繪製出的偵測海浪高度和發出告警流程圖。使用前，先透過處理單元11對影像接收單元10進行操作上的設定(步驟S201)，接著處理單元11驅動影像接收單元10對偵測的海面範圍進行影像收取的動作(步驟S202)。此間處理單元12不斷對收到的海浪影像進行分析，找出各海浪影像中的海浪及算出海浪高度(步驟S203)。接著處理單元11分析海浪影像中的海浪高度是否增加(步驟S204)，若海浪高度不斷減少，處理單元11便捨棄目前的海浪影像(步驟S205)。若海浪高度不斷增加，處理單元11接著檢查海浪高度(步驟S206)，若超過警戒高度便發出告警訊息並儲存相關的海浪影像資料於資料儲存單元(步驟S207)，否則就繼續偵測(回到步驟S202)。

本發明所提供之海浪高度之偵測及預警系統，與其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：本發明架設簡單，各單元取得容易以及維護成本低廉，可於危險水域處多處佈放，經濟及安全效益明顯。

本發明透過直接分析影像內容取得海浪高度與判斷是否 超出警戒線，計算過程較習用技術簡單。

本發明計算所得之結果可提供研究單位進行後續研究，提升日後對異常海象預報的準確率。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

S210~S207:偵測海浪高度及預警流程步驟

Claims (13)

1. 一種海浪高度之偵測及預警系統，包括：一影像接收單元，該影像接收單元取得多個海面影像；一處理單元，該處理單元設定該影像接收單元的操作模式，並依據該影像接收單元輸出的該些海浪影像找出各該海浪影像中的海浪高度，並判斷各該海浪影像中的該海浪高度是否持續增加以及是否超出警戒高度；一通訊單元，該通訊單元負責傳遞訊息於該影像接收單元、該處理單元和一資料儲存單元之間；該資料儲存單元，該資料儲存單元能經由該通訊單元與處理單元或直接與影像接收單元連線；一電源單元，該電源單元負責提供該影像接收單元、該處理單元、該資料儲存單元、該通訊單元與一告警單元運作所需的電力；該告警單元，該告警單元負責向岸邊管理中心及周遭發布告警訊息，其中反應於該處理單元判定各該海浪影像中的該海浪高度持續增加且超出該警戒高度，該處理單元控制該告警單元發布該告警訊息。
2. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該影像接收單元具備影像感測功能以及唯一識別碼，並不斷地擷取探測區域內的該些海浪影像，其中由該影像接收單元擷取的各該海浪影像經標記有該影像接收單元的該唯一識別碼。
3. 如請求項2所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該資料儲存單元連接於該處理單元，用於儲存該探測區域的該些海浪影像。
4. 如請求項3所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該處理單元更記錄有各該海浪影像對應的該海浪高度、該告警訊息和發生日期時間。
5. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該影像接收單元、該處理單元、該通訊單元、該資料儲存單元、該告警單元、該電源單元之其中二至數個可以整合為一體。
6. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該影像接收單元、該處理單元、該通訊單元、該資料儲存單元、該告警單元其中一至數個可以具有網路介面，該網路介面包含有線網路、光纖、無線網路、RS485、行動通信網路、電力線中的一至數者。
7. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該影像接收單元、該處理單元、該通訊單元、該資料儲存單元、該告警單元中的一至數者具備人機介面，該人機介面包含機械式按鍵滑鼠、觸控式按鍵、顯示螢幕、操作視窗、射頻感應之其中一至數者。
8. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該影像接收單元包括網路攝影機、電荷耦合元件鏡頭、互補式金 氧半電晶體鏡頭、紅外線鏡頭、平板電腦、智慧型手機、立體攝影機中的一至數者。
9. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該處理單元包括工作站、伺服器、嵌入式系統的其中一至數者。
10. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該資料儲存單元包括工作站、伺服器、雲端伺服器中的一至數者。
11. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該告警單元包括蜂鳴器、警報器、語音播放裝置中的一至數者，且該告警訊息包括顯示於螢幕上的告警訊息。
12. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該電源單元包括充電電池、太陽能發電單元、風力發電單元、潮汐發電單元、市電中的一至數者。
13. 如請求項1所述之海浪高度之偵測及預警系統，其中該影像接收單元為具有攝影功能、顯示、網路、通訊及唯一識別碼之行動通信設備或電子裝置。

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