[发明专利]一种免水尺的河流水位视觉测量方法

说明书

本发明公开了一种免水尺的河流水位视觉测量方法，包括如下步骤：利用标定好内参和外参的相机拍摄河流完整断面的图像并做非线性畸变校正；在校正后的图像中的测量断面上选取水边线区域，其大小覆盖水位变幅；采用基于深度学习的PSPnet网络对选取的水边线区域进行图像分割，获得河岸为前景、水面为背景的二值图像；对二值图像进行水平投影并搜索梯度最大值得到水边线像点纵坐标的观测值；基于变高水面摄影测量模型迭代水位值计算水边线像点纵坐标，将其与观测值之差小于测量精度作为迭代停止条件得到水位近似值。本发明仅需测流断面地形，无需安装水尺及标志物，具有布设简单、抗损毁性强、结果直观的优点。

技术领域

本发明属于水面监测技术领域，涉及图像法水位监测技术，具体涉及一种免水尺的河流水位视觉测量方法。

背景技术

水位不仅是江河湖库水体状况的重要参数，也是水资源调配和水利工程运行的重要依据，此外城市和灌区的供水情况、暴雨情况、洪涝灾害情况、径流信息、泥沙含量、养分输移率等信息通常需要根据实测水位进行计算，随着智慧水利行业的发展，出现越来越多的水位自动化检测设备，其中水位视觉测量技术成为了当前水位测量方法的重要部分，其中有水尺的水位测量难免存在人工涉水安装危险，水尺维护繁琐等问题，因此免水尺的河流水位视觉测量方法应运而生，可以作为有图像法水尺水位测量方法的重要补充和替代手段。

目前，国内外免水尺的水位视觉测量方法可分为：

(1)设置控制点。设置控制点的方法进行水位测量需要事先在被测水域岸边处较高点处设置三个及以上控制点，获取控制点之间的位置数据以及控制点自身的大小数据，然后对在实验室内已经进行内参标定的相机架设在固定位置根据控制点的数据位置信息进行外参的标定，然后根据水边线检测得到的像素位置与控制点之间的位置关系根据标定得到的参数进行三角相似原理由水边线像素坐标获取实际水位值。例如Yu J等人在实验室内进行了相机内参的标定，在现场采用了一种通过在世界坐标系下设置四个控制点的方式，四个控制点呈现十字型排列，获取它们相关的物理距离信息，得到十字中心处到相机光心的距离，然后根据图像中水边线位置与四个控制点中心位置的像素值根据变换关系求得实际水位值。该方法在较适用于水岸垂直易于布设控制点的混凝土边坡，对于野外测站来说控制点在沙石水岸难以布设，并且在大断面、岸坡陡峭的水岸布设控制点分辨率低并且较为危险，难以实施。

(2)双目视觉法。双目视觉法是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。石晗耀等人提出一种基于双目视觉进行水位测量的方法，首先分别对两架相机进行张正友法标定，得到其内外参数，然后选取左摄像头拍摄的图中水边线上一点根据立体匹配找到左摄像头拍摄图像中的同名点，得到两个点的视差，然后进行空间坐标点的求取。通过双目视觉的方法需要两个摄像机拍摄水面的相同区域，在拍摄前首先要对两个摄像机在实验室中进行内外参标定，标定过程较为复杂，需要保证标定时两个摄像机的成像平面在同一水平面，但是两个摄像机的内部参数完全相同(包括两摄像机的拍摄状态也相同)是很难选到的，因此该方法目前在工程实际上的应用并不成熟。

(3)关系拟合法。该方法通过所拍摄图像中的水岸像素面积与水位值之间的关系拟合出的线性变化函数来获取水位值。马洋洋等人提出了一种利用河道水域面积和实际水位之间关系的水位测量方法，首先通过边缘检测得到包含清晰水边线的边缘图像，把水位基准线所在位置作为待匹配曲线模板。随后通过从图像中自下而上的曲线相似度匹配得到水边线所在位置，随后计算出水面区域的面积，通过水域面积与实际水位之间的关系拟合得到实际上水位值。该方法对于场景有特殊的要求，需要不同水位级下的水边线形态与事先做好的曲线模板相匹配，不具有普遍的适用性。