[发明专利]一种基于图像的铁路雪深测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及气象观测技术领域，特别是一种基于图像的铁路雪深测量装置及方法。

背景技术

下小雪对铁路运输并无大碍，但大雪或飞雪会严重影响运输安全和运输效率，雪崩则可能造成铁路安全事故。通过对铁路沿线雪情的实时监测，可以有效的避免雪灾引起铁路安全事故，提高运输安全和运输效率，为铁路安全运营提供量化参考。

雪深是从积雪表面到地面的垂直深度。传统的雪深测量方法是人工观测法，将雪尺或有同样刻度的测杆插入雪中至地表面来进行地面积雪深度的测量。人工观测费时、费力，随机误差较大，且天气变化对测量精度及实施难度均有较大影响，难以实现高精度、实时雪深监测。

目前的雪深自动化观测方法，包括超声波测量法、激光传感器测距法和图像识别法。超声波雪深传感器是应用超声波在声阻抗不同的两种物质界面上产生反射的性质测量界面距离的原理来测量雪的深度。风速、不平整的雪面、低吹雪、较低的温度等因素却会影响超声波传感器的测量结果，使得其测量距离比较短，测量精度较低。激光传感器测量雪深精度高，实时性好，但传统的单一激光传感器进行雪深测量，可能因为激光检测点的位置不同，得出不同的测量结果，造成列车的错误调度或者是误报警的情况。图像识别法受环境影响大，且识别精度只能达到整数像素级，精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、测量速度快、精度高、对被测对象的影响小的基于图像的铁路雪深测量装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于图像的铁路雪深测量装置，包括激光探头、支架、数据处理平台、网络摄像机、红外线带通滤波器、终端计算机、地面参考板；所述支架与地面垂直安装，地面参考板平行于地面；其中激光探头、网络摄像机、数据处理平台分别通过固定架从上到下设置于支架上，所述的激光探头、网络摄像机、数据处理平台分别通过螺钉固定在对应位置的固定架上，三个固定架分别通过螺栓水平紧固在支架上；所述红外线带通滤波器安装在网络摄像机的镜头前，所述数据处理平台包括数据处理单元、3G路由器，其中3G路由器采用3G移动数据通信平台，用来无线传输视频图像及积雪深度信息；所述激光探头与网络摄像机的数据线均接入数据处理平台内的数据处理单元；

所述网络摄像机拍摄激光探头所发射的激光在地面参考板上的图像，并发送至数据处理平台的数据处理单元进行处理得到积雪深度信息，处理结果通过3G路由器发送到3G无线网络，终端计算机通过配套的3G路由器接收视频图像及积雪深度信息。

一种基于图像的铁路雪深测量方法，包括以下步骤：

第1步，建立坐标系：网络摄像机自带坐标系记为XO₁Y，以网络摄像机的镜头光轴为X轴，过摄像机中心O₁且与X轴垂直的直线作为Y轴；过摄像机中心O₁建立坐标系IO₂J，以地面为I轴，过摄像机中心O₁且与I轴垂直的直线作为J轴，I轴与J轴交点记为O₂；

第2步，将地面参考板先设置在地面上的P₂(x₂,y₂)处，网络摄像机拍摄激光探头在地面参考板上的第一图像，再将地面参考板设置到离地面垂直距离为hp1的P₁(x₁,y₁)处，网络摄像机拍摄激光探头在地面参考板上的第二图像；

第3步，积雪后将地面参考板设置到积雪上的P处，地面参考板离地面垂直距离即积雪深度为D，网络摄像机拍摄激光探头在地面参考板上的第三图像；

第4步，数据处理平台的数据处理单元采集第一图像、第二图像、第三图像，并进行数字图像处理，获得三幅图像激光光斑在网络摄像机自带坐标系XO₁Y中的亚像素坐标值，P₁、P₂及P处的激光光斑在网络摄像机成像面的亚像素Y轴坐标值分别为u₁、u₂、u；

第5步，根据网络摄像机成像面与坐标系XO₁Y之间的几何关系，确定P在坐标系XO₁Y中的坐标值P(x,y)；

第6步，积雪深度的求取，将坐标系XO₁Y中的点P(x,y)换算到坐标系IO₂J中的坐标P(x′,y′)，y′即为积雪深度D。