机器视觉微动仪在水文监测中的应用

2023年03月28日 14:32

　　在水文监测中，要想了解河流的变化，一般需要对水流的流速梯度和流速时间剖面进行测量，从而了解河流的特性。目前常用的流速仪有：拉绳流速仪、微波流速仪等。

　　由于这些仪器都需要用到人工观测，存在着工作量大、观测时间长和精度低等缺点。而传统的人工测量方法也存在着种种不足，如：测点布设不合理;测量过程中需要大量人力;受天气影响大，测量精度不高;野外条件下不易携带等。这些问题给水文监测带来了很大困难。

　　在此，我们提出一种基于机器视觉的微动法测量技术，可以实现对流速梯度的实时高精度测量。

　　一、微动法测量原理

　　微动法是基于视频图像处理的方法，利用摄像机在高速运动过程中采集到的视频图像，经过图像处理、数据处理和分析等步骤，获得物体运动的速度信息。首先，将视频图像传输至计算机进行预处理;其次，根据预处理后的图像信息提取出视频中的特征点;再次，通过特征点坐标计算出视频中的流速梯度;最后，将流速梯度与流速数据进行对比分析，计算出流速梯度值。微动法的优点在于设备简单、操作方便、精度高。

　　二、系统组成

　　(1)系统硬件：包括摄像机、镜头、照明系统和图像采集卡等。

　　(2)系统软件：包括图像处理软件、通信软件等。

　　(3)测量原理：系统将摄像机采集到的目标图像通过计算机处理成相应的速度场，在摄像机标定算法的基础上，通过对运动速度进行测量计算，从而得到物体的运动速度和位置。

　　(4)工作过程：将水流流速梯度转换为时间速度场，然后将流速时间剖面转换为速度场，并通过测量获得的流速梯度和时间剖面就可以计算出水流速度。

　　三、系统标定

　　在现场安装相机后，首先需要对相机进行标定。在系统标定时，我们使用相机的成像模型，得到相机的内外参数，如图5所示。然后使用标定好的相机和测速仪进行匹配，即可得到测速仪和相机之间的相对位置关系。

　　通过以上标定过程，我们可以确定系统中各个传感器之间的相对位置关系，从而实现了微动法的测量。

　　四、数据采集

　　通过图像采集设备将目标图像传输至计算机，并利用计算机对目标图像进行处理。具体方法是，采用彩色摄像机对目标图像进行拍摄，并将拍摄到的图像经过数据压缩，传输至计算机中。使用这种方法，可以实现对目标图像的实时处理，从而实现对流速梯度的高精度测量。

　　五、系统应用

　　(1)在测流断面上布设摄像机，获取水流的图像。