[发明专利]基于多点水位的明渠量水新方法

说明书

技术领域

本发明属于工程技术领域，具体涉及一种基于传统明渠水力学理论与现代计算机计算技术相结合的的测量明渠过流量的新方法。

背景技术

灌区量水设备和量水技术是实现计划用水和控制灌水质量的基本措施，是实行按方收费、促进节约用水的必要工具和手段。灌区量水常用的方法包括：一是利用水工建筑物量水，特点是较为经济而且简便；二是利用特设的量水设备量水，特点是成果比较精确，但设备费用较高，一般在没有水工建筑物或现有水工建筑物不能用于量水时，或是要求的量水精度超过水工建筑物所能达到的精度时采用；三是利用流速仪量水，特点是成果精确，但费用高，施测和计算繁杂，多在无水工建筑物及特设量水设备不可利用的情况下使用，同时对明渠而言还必须辅助水位测量；四是利用浮标量水，特点是经济简单节水灌溉，但精度低，同时也需要辅助水位测量；五是利用水尺量水，一般做法是在断面稳定均直、没有回水影响的渠段内设置水位尺，利用水位流量关系测水，或安设经过换算制成的流量尺，直接测读流量，但精度稍差。

从以上灌区量水的基本方法可以看出，目前采用的量水设备和技术，存在着诸如造价高、精度低、安装维护困难等各种缺点，不能满足现代灌区管理的整体要求。其中水位测量虽说精度稍差，但由于施测简单直观，易于为广大用水户所接受而且便于自动观测，因而在灌区水量计量乃至在整个灌区信息化建设中都占有十分重要的地位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于数字图像处理的水位检测方法，能够快速、简单、实时地反映渠段内的过流量。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于多点水位的明渠量水新方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1)将水位标尺设置在水流断面，将摄像头安设在水位标尺前方，保证能够获取水位标尺顶部至水面的原始图像，水位标尺在原始图像中的位置方向为垂直方向正负6度；

步骤2)对原始图像进行去噪处理：分别进行彩色增强和高斯平滑处理，然后将处理后的图像数据由RGB空间转换到HSV空间，提取其中的标尺刻度对应的颜色分量；

步骤3)对HSV空间图像进行倾斜校正处理：通过在旋转角度允许空间内对每一个旋转角度进行遍历，以投影面积进行度量，选择投影面积最小时的旋转角度作为实际倾斜角度，根据实际倾斜角度对HSV空间图像进行旋转变换，将水位标尺局部区域图像旋转使水位标尺严格竖直；

步骤4)对经过旋转变换后图像的水位标尺，在竖直方向上进行分析，根据水位标尺的刻度分布规律求解水位标尺每个刻度格子所占的像素数n及水位标尺起点位置，将水位标尺的颜色深浅交界处确定为水面位置；

步骤5)根据水位标尺起点位置和水面位置得到水位标尺在水面上的像素数N，计算水位标尺在水面以上占的刻度格子数量i＝N/n，根据一个刻度格子代表的实际高度值d得到水位标尺在水面以上的高度D＝d*i，最终得到水深H＝L-D，其中L为水位标尺总长；

步骤6)根据水深H，通过加权平均法，用曼宁公式Q＝FR^2/3I^1/2/n计算该时刻渠段内的过流量Q；其中F为断面面积，I为洪水坡降，n为粗糙系数，R为水力半径，本方法中R即为水深H。

按上述方案，所述的旋转角度允许空间为垂直方向正负6度。

按上述方案，所述的水位标尺的刻度格子由字母E正反交替排列而成，每个刻度格子的大小由E字型的整个高度决定，一个刻度格子代表的实际高度值d由用户输入计算机。

按上述方案，它还包括步骤7)在同一水流断面分散设置2-5个水位标尺，每个水位标尺重复步骤1)-6)，最后求取平均值。

按上述方案，所述的水位标尺底色为白色，刻度格子为红色；所述的彩色增强处理具体包括：对全图进行扫描，分别获取彩色图片的R、G分量pRed和pGreen，设定阀值T，通过每个像素点中pRed与pGreen分量的差值，在与阀值T对比判断是否为红色像素点，如果是红色点，则改变pRed与pGreen的值来增强图片中刻度格子的效果。

按上述方案，所述高斯平滑处理具体通过opencv高斯平滑函数对图像进行3*3的核卷积操作，对图像降噪滤波。

本发明的工作原理为：采用传统的水位标尺，模拟工作人员采集水位数据的原理，通过摄像头获取水位标尺的实时彩色图像数据，采用现代智能数字图像处理技术，分割出水位线，通过计算得到实际的水位数据，最后根据曼宁公式计算渠段内的过流量。

本发明的有益效果：