本發(fā)明涉及水利監(jiān)測裝置，尤其涉及一種基于計算機視覺技術(shù)的凌汛觀測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國北方沿黃地區(qū)，冬季嚴寒，特別黃河下游兩岸人民深受冰凌堵塞造成的洪水漫灘之苦，疏通河道，防止凌汛成災(zāi)是歷年來治黃人民不懈的追求，因此，進行冬季冰凌觀測是掌握河道凌期變化第一手資料和防治洪水的重要手段之一，而冰凌觀測一般都是在淌凌期、冰凍發(fā)展期、開河期三個時期進行密切關(guān)注，為確保黃河安度凌汛，防凌人員密切關(guān)注冰凌變化，各觀測點工作人員全天候密切注視河道的凌情變化，特別是窄河道和彎道等易出現(xiàn)險情河段，從河道河面寬度、流凌密度、冰厚、流冰面積、岸冰情況等方面進行觀測記錄，而這些工作都靠觀測人員憑經(jīng)驗和目估法進行觀測記錄和計算，當(dāng)天觀測的數(shù)據(jù)進行整理和上報都要靠手寫，這些傳統(tǒng)辛苦和低效率的工作已不適應(yīng)現(xiàn)代高速發(fā)展的電子信息技術(shù)要求，而且這種目估法觀測數(shù)據(jù)誤差較大，占用人員多，風(fēng)雪天觀測不便，存在人員不安全因素等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，節(jié)省了人工成本，又提供了工作質(zhì)量和工作效率的的一種基于計算機視覺技術(shù)的凌汛觀測系統(tǒng)和圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：設(shè)計了由無線信號連接的觀測裝置和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，以及終端設(shè)備組成的系統(tǒng)；并設(shè)計了基于上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及處理方法，通過攝像機構(gòu)自動采集圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)用無線信號傳輸給數(shù)據(jù)處理設(shè)備，而后數(shù)據(jù)處理設(shè)備對攝像機構(gòu)采集的圖像作圖像空間轉(zhuǎn)換處理，實現(xiàn)對河道冰凌分布圖像數(shù)據(jù)的量化分析，在圖像處理中，采用基于亞像素視覺技術(shù)冰水分離法，有效降低閾值選擇難度。分析研究現(xiàn)有圖像分割算法，結(jié)合冰凌圖像特點，針對河道的現(xiàn)場實際情況，編寫適用于冰凌圖像處理的基于opencv冰凌分析算法，利用輪廓檢測、邊緣檢測、圖像灰度化、圖像二值分化等技術(shù)研發(fā)的河面冰清分析算法的實現(xiàn)可將系統(tǒng)獲得的冰凌圖像數(shù)據(jù)中冰凌和河水部分進行分割，實現(xiàn)了對河道冰凌密度、最大冰塊、冰塊厚度的實時、科學(xué)、有效的觀測。其中，在保證整幅圖像的整體和局部的色彩和亮度等級的分布和特征的前提下，灰度圖的計算量變得少一些。為了整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，需要再將圖片進行二值化處理，也就是將圖像上的點的灰度值置為0或者255。然后對圖像進行邊緣檢測算法處理，通過設(shè)置參數(shù)閥值和矩陣，采用sobel算子與高斯拉普算子進行邊緣處理。根據(jù)邊緣檢測的處理結(jié)果，進行輪廓檢測。

具體為，一種基于計算機視覺技術(shù)的凌汛觀測系統(tǒng)，包括觀測裝置和終端設(shè)備，所述觀測裝置由無線信號連接有數(shù)據(jù)處理設(shè)備，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備信號連接所述終端設(shè)備；

所述觀測裝置包括新能源供電裝置，所述供電裝置電連接有數(shù)據(jù)采集裝置和信號收發(fā)裝置；

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括攝像機構(gòu)和云臺機構(gòu)，所述攝像機構(gòu)和云臺機構(gòu)信號連接所述信號收發(fā)裝置。

其中，所述云臺機構(gòu)包括內(nèi)置型直流控制器和半球形防護罩，所述半球形防護罩內(nèi)設(shè)置有所述攝像機構(gòu)；

所述控制器包括用于控制云臺轉(zhuǎn)動的云臺控制模塊，所述云臺控制模塊信號連接有兩臺步進電機分別用于實現(xiàn)云臺左右方向和上下方向的轉(zhuǎn)動；

還包括用于限制云臺轉(zhuǎn)動范圍的垂直限位栓、水平限位栓和兩個配合所述垂直限位栓、水平限位栓的微動開關(guān)。

所述太陽能電池包括30-40塊太陽能電池片。

所述無線傳輸設(shè)備采用蜂窩移動通信網(wǎng)。

所述觀測裝置還包括時間繼電器。

一種基于計算機視覺技術(shù)的凌汛觀測系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：使用攝像機構(gòu)采集圖像；

步驟2：將采集得到的圖像發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備；

步驟3：數(shù)據(jù)處理設(shè)備將圖像中每個點的由紅色、綠色和藍色3 個分量組成的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為灰度的數(shù)據(jù)；

步驟4：圖像灰度均衡化處理；

步驟5：用高斯濾波法降噪處理；

步驟6：圖像閾值分割；

步驟7：計算冰凌密度和最大冰塊的面積。

步驟8：由氣溫、冰凌密度和最大冰塊面積計算冰厚。

新能源供電裝置采用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)。由于系統(tǒng)設(shè)計目標為能夠?qū)崿F(xiàn)在野外黃河河道長期穩(wěn)定工作，而這些地段多沒有市電等電源來為系統(tǒng)供電，所以系統(tǒng)設(shè)計選擇新能源供電裝置來為系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作提供電源。河道冰情冰凌圖像監(jiān)測系統(tǒng)工作在黃河河道岸邊，考慮到河道無供電的情況以及河道開闊日照充足的現(xiàn)場條件，系統(tǒng)設(shè)計時選用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)為系統(tǒng)供電。即冰水情測報系統(tǒng)和云臺控制冰凌圖像采集系統(tǒng)均由蓄電池供電，并通過太陽能控制器控制太陽能板向蓄電池充電。太陽能電池板由太陽能電池片(相當(dāng)于一節(jié)0.5V左右的電池)組成，是利用光伏發(fā)電原理將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，繼而存儲在蓄電池中或為負載供電使其工作。太陽能電池板中電池片的數(shù)量由系統(tǒng)電壓來決定，一般取系統(tǒng)電壓的1.4-1.5倍。整個太陽能供電系統(tǒng)的質(zhì)量和成本很大程度上受太陽能電池板的質(zhì)量和成本決定，而太陽能電池片的多少又決定著太陽能電池板的價格。因而系統(tǒng)設(shè)計時太陽能電池板選型時既要能夠滿足系統(tǒng)在野外長期穩(wěn)定工作的要求，又要滿足太陽能電池板面積最小即太陽能電池片最少從而使其價格最小。

采用無線信號傳輸將現(xiàn)場采集的冰水情、冰凌圖像數(shù)據(jù)定時或者實時發(fā)送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，總體看可以分為黃河現(xiàn)場信息采集部分和監(jiān)控中心信息接收處理與控制兩部分?，F(xiàn)場信息采集部分完成冰情冰凌圖像數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分負責(zé)數(shù)據(jù)的接收和后期處理，連接兩部分的紐帶就是數(shù)據(jù)的通信，因而通信網(wǎng)絡(luò)的選擇顯得尤為重要，是保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定傳回監(jiān)控中心的基礎(chǔ)?？紤]到系統(tǒng)工作在無人堅守的野外，所以須選擇無線通信技術(shù)完成對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

本系統(tǒng)采用云計算模式，黃河現(xiàn)場信息采集部分就是觀測裝置部分，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分就是數(shù)據(jù)處理設(shè)備和終端設(shè)備。攝像機構(gòu)的室外運行比較成熟穩(wěn)定，故障一般出現(xiàn)在作為數(shù)據(jù)處理是被的工控處理器上，如采用云計算模式將省去異地維護的工作。云計算模式是將工控處理器放回辦公地點作為云計算中心，各個監(jiān)控點的攝像機構(gòu)作為采集終端，各個監(jiān)控點攝像機構(gòu)采集完圖像后，實時發(fā)回云計算中心進行分析計算并得出數(shù)據(jù)。這樣不僅省去異地維護工作，而且節(jié)省了每個監(jiān)控點都安裝工控處理器的費用，達到效益最大化。

無線信號傳輸采用3G傳輸模塊。按照通信距離不同，無線通信方式主要有VHF、射頻RF、蜂窩通信(GSM,GPRS,3G)和衛(wèi)星通信，不同通信方式的通信距離各不相同，其中VHF和RF有著最遠通信距離的限制，而且對工作環(huán)境還有著較為嚴苛的要求，容易受地形和氣候的影響。觀測裝置工作在黃河河道沿岸，監(jiān)測數(shù)據(jù)要傳回距離很遠的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其距離遠遠大于40Km，因而VHF和RF射頻通信方式都不能滿足系統(tǒng)工作需求。反觀通信距離不受限制的衛(wèi)星，其0.6元/SOB的資費對于少則兒KB的圖像數(shù)據(jù)來說太過龐大，是系統(tǒng)成本所不能承受的，因而衛(wèi)星通信方式也不在選用之列。經(jīng)實地考察，黃河口監(jiān)測站點在蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，因此采用蜂窩移動通信網(wǎng)(3G)成為此次冰凌圖像監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的首選。

觀測裝置對原始圖片數(shù)據(jù)進行采集、處理和運算，并將原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，通過實驗室監(jiān)控中心上位機發(fā)送命令遠程控制云臺實現(xiàn)上、下、左、右方向的旋轉(zhuǎn)以及對鏡頭實現(xiàn)變焦、變倍、光圈開閉等操作。從而實現(xiàn)對黃河河道冰凌圖像的全方位多角度監(jiān)測。觀測裝置安裝時選擇安裝在距河面不遠處的河道邊，閘前泵站是最為理想的安裝地點，既能保證安全又便于運行維護，在開河前就得提前將儀器箱取回。安裝時通過地腳螺絲先將攝像頭和儀器箱的支架固定，然后將再將攝像頭和儀器箱固定在支架上，如此一來，既實現(xiàn)了系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行，在一定程度上也保證了儀器箱和攝像頭的的安全。

觀測裝置的攝像機構(gòu)運行過程中要能滿足整個河道斷面多角度的遠程調(diào)控監(jiān)測；還要能隨河道監(jiān)測區(qū)域現(xiàn)場圖像清晰度變化進行焦距的遠程調(diào)焦控制，因此設(shè)置了云臺機構(gòu)，將攝像機構(gòu)安裝于云臺機構(gòu)內(nèi)，通過監(jiān)控中心終端設(shè)備發(fā)送遠程控制命令，經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場冰凌圖像數(shù)據(jù)采集裝置，控制云臺機構(gòu)帶動攝像機構(gòu)實現(xiàn)左右、上下旋轉(zhuǎn)，以及攝像機構(gòu)焦距的遠近調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對河道斷面冰凌圖像的遠近多角度按需監(jiān)測。

云臺機構(gòu)是固定、安裝攝像機構(gòu)的支撐設(shè)備，按分類標準的不同可以分為不同的類型。按照使用環(huán)境不同分為室內(nèi)型和室外型。按照外形不同又可分為球型和普通型，其中球型云臺是將攝像機等安放在一個半球形防護罩內(nèi)以防止灰塵干擾鏡頭。按照工作電壓不同分為直流高變速型和交流定速型。按照云臺控制器的安裝分為內(nèi)置型和外置型。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置工作在野外黃河河道岸邊，采用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)供電，因而不能選用交流定速云臺，且能夠?qū)崿F(xiàn)云臺的遠程控制和鏡頭的遠程調(diào)焦即可。此外相對于控制器外置型云臺，內(nèi)置型引出線較少，走線都在電路板上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。綜上，系統(tǒng)設(shè)計為直流控制器內(nèi)置球型云臺。云臺控制主要包括運動控制和鏡頭控制兩大模塊。鏡頭控制主要控制鏡頭的參數(shù)，細分為變焦、變倍、光圈等。而運動控制又細分為上下動作控制，左右動作控制。

云臺控制電路主要實現(xiàn)云臺在左右方向、上下方向的轉(zhuǎn)動，可以通過兩個歩進電機實現(xiàn)該功能。歩進電機是一種電磁機械裝置，能將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)線位移或角位移。它啟?？焖伲?dāng)電機動態(tài)轉(zhuǎn)矩大于等于電機負荷時，電機一瞬間的啟動或停止可以通過輸入脈沖來控制。歩進電機的轉(zhuǎn)速和歩距角一般只受輸入脈沖頻率影響，而與環(huán)境氣壓、溫度、振動、負載變化以及電壓波動等因素?zé)o關(guān)。因此，步進電機可以用于云臺轉(zhuǎn)動方向的控制，因而對云臺轉(zhuǎn)動的控制就變?yōu)閷i進電機工作方式的控制。

在設(shè)計中，為控制云臺轉(zhuǎn)動的范圍，即控制云臺垂直、水平轉(zhuǎn)動的角度極限，在硬件設(shè)計時考慮設(shè)計垂直、水平限位栓，分別通過兩個微動開關(guān)來實現(xiàn)垂直、水平限位功能。當(dāng)云臺垂直或水平轉(zhuǎn)動角度達到設(shè)定極限時，碰觸限位栓微動開關(guān)，微動開關(guān)斷開，切斷電源，云臺在此方向不再轉(zhuǎn)動。至此完成云臺控制點路的設(shè)計。

現(xiàn)定時與可選區(qū)域的冰凌圖像數(shù)據(jù)自動采集受到系統(tǒng)功耗限制，冰凌圖像采用定時采集方式，設(shè)定每日8:00、12:00、14:00、16:00時段為冰凌圖像采集時間。在此時間段，系統(tǒng)對攝像頭，3G無線視頻模塊以及完成冰凌圖像采集任務(wù)，其余時段系統(tǒng)處于低功耗。同時，通過上位機發(fā)送命令實現(xiàn)云臺的遠程控制，實現(xiàn)對選定區(qū)域的冰凌圖像監(jiān)測。

云臺控制冰凌圖像采集系統(tǒng)設(shè)計過程中，為保證系統(tǒng)在太陽能蓄電池供電模式下長時間穩(wěn)定工作，需要最大程度的考慮降低系統(tǒng)功耗，所以硬件電路設(shè)計時，設(shè)計加入繼電器控制電路，每天定時給系統(tǒng)中云臺歩進電機，攝像機以及3G無線視頻模塊上電，其他時間系統(tǒng)處在休眠狀態(tài)，以此來減小系統(tǒng)功耗。

觀測裝置設(shè)置有主程序和定時中斷上電程序。

為了實現(xiàn)對河道冰凌分布圖像數(shù)據(jù)的量化分析，首先對攝像頭采集的圖像作圖像空間轉(zhuǎn)換和降噪處理。由于現(xiàn)場光照隨時間變化是不均勻的，攝像頭長時間工作過程中偶爾會出現(xiàn)曝光不足現(xiàn)象，使得圖像中目標物體冰凌和背景河水的亮度不均勻，造成分割時閾值的選擇困難。因此，在圖像預(yù)處理中，采用基于亞像素精度輪廓檢測視覺技術(shù)，有效降低輪廓選擇難度。通過圖像閾值分割技術(shù)有效實現(xiàn)了冰、水分離，完成冰凌數(shù)據(jù)的計算。

圖像預(yù)處理主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)換、灰度均衡和圖像濾波等過程。圖像采集設(shè)備得到的圖像數(shù)據(jù)中每個點的數(shù)據(jù)是由紅色(Ｒ)、綠色(G)、和藍色(B)3個分量組成，為便于后續(xù)的處理和提高處理速度，灰度轉(zhuǎn)換過程將每個點的3個分量轉(zhuǎn)換成灰度(I)信息，通過采用基于亞像素精度輪廓檢測技術(shù)，提高了圖像對比度，經(jīng)過上述處理后圖像中含有很多噪聲點，嚴重影響了后續(xù)圖像分割效果，必須盡量濾除，本文采用高斯濾波方法，有效剔除了噪聲。

經(jīng)過圖像預(yù)處理后，解決了亮度不均勻現(xiàn)象，從而降低了后續(xù)閾值的難度

閾值分割圖像的過程可用下述數(shù)學(xué)方程描述:

（1）

式(1)中，g(x，y)表示圖像分割結(jié)果，f(x，y)是待處理圖像這里指獲取的冰凌圖像，T為閾值，任何滿足f(x，y)≥T的點稱為對象點，此處為圖像中的冰凌部分，其他點則稱為背景點，此處指圖像中的河水部分。由式(1)可見，要實現(xiàn)冰、水正確分離，選取合適的分割閾值T是關(guān)鍵值。選用迭代法，步驟歸納如下:

①選擇一個初始閾值T(j)，通?？梢赃x擇整體圖像的平均灰度值作為初始閾值，j為迭代次數(shù)。初始時j=0。

②用T(j)分割圖像。將圖像分為2個區(qū)域C1(j)和C2(j)。

③計算兩區(qū)域的平均灰度值。其中N1(j)、N2(j)為第j次迭代時區(qū)域C1和C2的像素個數(shù)。f(x，y)表示圖像中(x，y)點的灰度值。

（2）

（3）

④再計算新的門限值，即:

（4）

⑤令j=j+1重復(fù)式(2)－(4)直到T(j+1)與T(j)的差小于規(guī)定值。由圖3可以看出，上部分圖像為圖像未經(jīng)過預(yù)處理直接進行閾值分割效果圖，由于圖像亮度不均勻，導(dǎo)致圖像分割后，冰、水混為一體，沒有實現(xiàn)冰水的正確分離。下部分圖像效果為圖像先經(jīng)過預(yù)處理，然后進行圖像分割的效果圖，可以看出，圖像二值化后，實現(xiàn)了冰、水完美分離，為后續(xù)冰凌數(shù)據(jù)統(tǒng)計提供正確數(shù)據(jù)支撐。

基于opencv的算法。攝像頭拍攝的圖片，進行8位的灰度值圖像處理，處理成灰度圖。在保證整幅圖像的整體和局部的色彩和亮度等級的分布和特征的前提下，灰度圖的計算量變得少一些。為了整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，需要再將圖片進行二值化處理，也就是將圖像上的點的灰度值置為0或者255。然后對圖像進行邊緣檢測算法處理，通過設(shè)置參數(shù)閥值和矩陣，采用sobel算子與高斯拉普算子進行邊緣處理。根據(jù)邊緣檢測的處理結(jié)果，進行輪廓檢測。

輪廓計算分為兩種模式：（1）只檢索最外邊的輪廓，并將他們組織為兩層。（2）檢索所有的輪廓，并重構(gòu)嵌套輪廓的整個層次。通過輪廓的計算可以計算出總共有多少個冰塊，各個冰塊的形狀，冰塊的面積、冰塊的厚度、冰塊的密度、冰塊的最大面積，以及冰塊群的大小，和整個河面寬度的百分比，并通過GPRS實時的傳入云計算平臺中，云計算平臺根據(jù)最新監(jiān)測情況，進行大數(shù)據(jù)分析，環(huán)比和同比進行數(shù)據(jù)對照和分析。

根據(jù)設(shè)置的閥值，進行業(yè)務(wù)處理。通過這些業(yè)務(wù)處理后，云計算平臺會智能控制設(shè)備的工作狀態(tài)。比如：拍攝具體點，增加參數(shù)值和閥值，來確切的得到當(dāng)前河面情況，以及聯(lián)動整個河面布防的攝像頭，進行聯(lián)合拍照，進行整體河面的數(shù)據(jù)分析，以并根據(jù)氣象信息、歷史信息和算法模型，產(chǎn)生報表和報警信息，以便做到冰情及時發(fā)現(xiàn)、快速處理。

在以上算法中解決了計算冰凌密度以及最大冰凌的方法，在防汛辦公室要求上報中還有“冰厚”的數(shù)據(jù)。冰厚的發(fā)展、變化在一段時間內(nèi)有一定的規(guī)律，其定量因素主要為氣溫，氣溫是影響冰厚最敏感的因素。在同一河段，當(dāng)其他條件相同時，氣溫愈低、累積負氣溫歷時愈長，冰厚值愈大，且冰厚與累積負氣溫存在著一定的函數(shù)關(guān)系。同時，冰凌的密度和最大冰塊和冰厚成正比關(guān)系，密度越大，冰塊越厚。冰塊越大，厚度越大。根據(jù)影響的冰厚定量因素的分析，可建立冰厚函數(shù)表達式為：,式中d為冰厚，m為冰凌密度；k為最大冰塊；t為氣溫，℃，即穩(wěn)定轉(zhuǎn)負的累積日平均負氣溫。

通過多年實測資料分析、篩選，河道冰厚d受累積日平均負氣溫t的影響較大，為此，冰厚公式可以簡單地表示為：

式中k為冰厚系數(shù)；為自秋季日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負之日起算的累積日平均負氣溫，℃。其中，k可通過點繪實測冰厚d與實測累積日平均負氣溫的關(guān)系圖分析確定（斜率），t為從網(wǎng)絡(luò)得到的氣溫。

本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，根據(jù)采集時間在一臺顯示器上讀取轄區(qū)內(nèi)所設(shè)工程觀測點冰凌觀測數(shù)據(jù)，具有讀取數(shù)據(jù)精度高、時間性強，方便快捷，可節(jié)省大量的觀測人員，減輕勞動強度，消除人身安全隱患，效率優(yōu)于人工，節(jié)省人力、物力、財力，該設(shè)備投資少、見效快、提高了工作效率。該項目的實施，能實時了解到冰凌變化的實情，為及時掌握冰凌險情提供了第一手資料，有效地推動了數(shù)字化黃河建設(shè)進程，提高了科技創(chuàng)新發(fā)展的水平。為今后的防凌決策提供科學(xué)依據(jù)，大大提高黃河防凌辦公自動化水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明云計算模式圖；

圖2為本發(fā)明觀測裝置主程序流程圖；

圖3為本發(fā)明觀測裝置定時中斷上電流程圖；

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點，下面通過具體實施方式，對本方案進行闡述。

一種基于計算機視覺技術(shù)的凌汛觀測系統(tǒng)，包括觀測裝置和終端設(shè)備，其特征在于，所述觀測裝置由無線信號連接有數(shù)據(jù)處理設(shè)備，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備信號連接所述終端設(shè)備；

所述觀測裝置包括新能源供電裝置，所述供電裝置電連接有數(shù)據(jù)采集裝置和信號收發(fā)裝置；

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括攝像機構(gòu)和云臺機構(gòu)，所述攝像機構(gòu)和云臺機構(gòu)信號連接所述信號收發(fā)裝置。

其中，所述云臺機構(gòu)包括內(nèi)置型直流控制器和半球形防護罩，所述半球形防護罩內(nèi)設(shè)置有所述攝像機構(gòu)；

所述控制器包括用于控制云臺轉(zhuǎn)動的云臺控制模塊，所述云臺控制模塊信號連接有兩臺步進電機分別用于實現(xiàn)云臺左右方向和上下方向的轉(zhuǎn)動；

還包括用于限制云臺轉(zhuǎn)動范圍的垂直限位栓、水平限位栓和兩個配合所述垂直限位栓、水平限位栓的微動開關(guān)。

所述太陽能電池包括30-40塊太陽能電池片。

所述無線傳輸設(shè)備采用蜂窩移動通信網(wǎng)。

所述觀測裝置還包括時間繼電器。

一種基于計算機視覺技術(shù)的凌汛觀測系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：使用攝像機構(gòu)采集圖像；

步驟2：將采集得到的圖像發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備；

步驟3：數(shù)據(jù)處理設(shè)備將圖像中每個點的由紅色、綠色和藍色3 個分量組成的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為灰度的數(shù)據(jù)；

步驟4：圖像灰度均衡化處理；

步驟5：用高斯濾波法降噪處理；

步驟6：圖像閾值分割；

步驟7：計算冰凌密度和最大冰塊的面積。

步驟8：由氣溫、冰凌密度和最大冰塊面積計算冰厚。

新能源供電裝置采用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)。由于系統(tǒng)設(shè)計目標為能夠?qū)崿F(xiàn)在野外黃河河道長期穩(wěn)定工作，而這些地段多沒有市電等電源來為系統(tǒng)供電，所以系統(tǒng)設(shè)計選擇新能源供電裝置來為系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作提供電源。河道冰情冰凌圖像監(jiān)測系統(tǒng)工作在黃河河道岸邊，考慮到河道無供電的情況以及河道開闊日照充足的現(xiàn)場條件，系統(tǒng)設(shè)計時選用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)為系統(tǒng)供電。即冰水情測報系統(tǒng)和云臺控制冰凌圖像采集系統(tǒng)均由蓄電池供電，并通過太陽能控制器控制太陽能板向蓄電池充電。太陽能電池板由太陽能電池片(相當(dāng)于一節(jié)0.5V左右的電池)組成，是利用光伏發(fā)電原理將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，繼而存儲在蓄電池中或為負載供電使其工作。太陽能電池板中電池片的數(shù)量由系統(tǒng)電壓來決定，一般取系統(tǒng)電壓的1.4-1.5倍。整個太陽能供電系統(tǒng)的質(zhì)量和成本很大程度上受太陽能電池板的質(zhì)量和成本決定，而太陽能電池片的多少又決定著太陽能電池板的價格。因而系統(tǒng)設(shè)計時太陽能電池板選型時既要能夠滿足系統(tǒng)在野外長期穩(wěn)定工作的要求，又要滿足太陽能電池板面積最小即太陽能電池片最少從而使其價格最小。

采用無線信號傳輸將現(xiàn)場采集的冰水情、冰凌圖像數(shù)據(jù)定時或者實時發(fā)送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，總體看可以分為黃河現(xiàn)場信息采集部分和監(jiān)控中心信息接收處理與控制兩部分。現(xiàn)場信息采集部分完成冰情冰凌圖像數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分負責(zé)數(shù)據(jù)的接收和后期處理，連接兩部分的紐帶就是數(shù)據(jù)的通信，因而通信網(wǎng)絡(luò)的選擇顯得尤為重要，是保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定傳回監(jiān)控中心的基礎(chǔ)?？紤]到系統(tǒng)工作在無人堅守的野外，所以須選擇無線通信技術(shù)完成對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

如圖1所示，本系統(tǒng)采用云計算模式，黃河現(xiàn)場信息采集部分就是觀測裝置部分，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分就是數(shù)據(jù)處理設(shè)備和終端設(shè)備。攝像機構(gòu)的室外運行比較成熟穩(wěn)定，故障一般出現(xiàn)在作為數(shù)據(jù)處理是被的工控處理器上，如采用云計算模式將省去異地維護的工作。云計算模式是將工控處理器放回辦公地點作為云計算中心，各個監(jiān)控點的攝像機構(gòu)作為采集終端，各個監(jiān)控點攝像機構(gòu)采集完圖像后，實時發(fā)回云計算中心進行分析計算并得出數(shù)據(jù)。這樣不僅省去異地維護工作，而且節(jié)省了每個監(jiān)控點都安裝工控處理器的費用，達到效益最大化。

無線信號傳輸采用3G傳輸模塊。按照通信距離不同，無線通信方式主要有VHF、射頻RF、蜂窩通信(GSM,GPRS,3G)和衛(wèi)星通信，不同通信方式的通信距離各不相同，其中VHF和RF有著最遠通信距離的限制，而且對工作環(huán)境還有著較為嚴苛的要求，容易受地形和氣候的影響。觀測裝置工作在黃河河道沿岸，監(jiān)測數(shù)據(jù)要傳回距離很遠的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其距離遠遠大于40Km，因而VHF和RF射頻通信方式都不能滿足系統(tǒng)工作需求。反觀通信距離不受限制的衛(wèi)星，其0.6元/SOB的資費對于少則兒KB的圖像數(shù)據(jù)來說太過龐大，是系統(tǒng)成本所不能承受的，因而衛(wèi)星通信方式也不在選用之列。經(jīng)實地考察，黃河口監(jiān)測站點在蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，因此采用蜂窩移動通信網(wǎng)(3G)成為此次冰凌圖像監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的首選。

觀測裝置對原始圖片數(shù)據(jù)進行采集、處理和運算，并將原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，通過實驗室監(jiān)控中心上位機發(fā)送命令遠程控制云臺實現(xiàn)上、下、左、右方向的旋轉(zhuǎn)以及對鏡頭實現(xiàn)變焦、變倍、光圈開閉等操作。從而實現(xiàn)對黃河河道冰凌圖像的全方位多角度監(jiān)測。觀測裝置安裝時選擇安裝在距河面不遠處的河道邊，閘前泵站是最為理想的安裝地點，既能保證安全又便于運行維護，在開河前就得提前將儀器箱取回。安裝時通過地腳螺絲先將攝像頭和儀器箱的支架固定，然后將再將攝像頭和儀器箱固定在支架上，如此一來，既實現(xiàn)了系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行，在一定程度上也保證了儀器箱和攝像頭的的安全。

觀測裝置的攝像機構(gòu)運行過程中要能滿足整個河道斷面多角度的遠程調(diào)控監(jiān)測；還要能隨河道監(jiān)測區(qū)域現(xiàn)場圖像清晰度變化進行焦距的遠程調(diào)焦控制，因此設(shè)置了云臺機構(gòu)，將攝像機構(gòu)安裝于云臺機構(gòu)內(nèi)，通過監(jiān)控中心終端設(shè)備發(fā)送遠程控制命令，經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場冰凌圖像數(shù)據(jù)采集裝置，控制云臺機構(gòu)帶動攝像機構(gòu)實現(xiàn)左右、上下旋轉(zhuǎn)，以及攝像機構(gòu)焦距的遠近調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對河道斷面冰凌圖像的遠近多角度按需監(jiān)測。

云臺機構(gòu)是固定、安裝攝像機構(gòu)的支撐設(shè)備，按分類標準的不同可以分為不同的類型。按照使用環(huán)境不同分為室內(nèi)型和室外型。按照外形不同又可分為球型和普通型，其中球型云臺是將攝像機等安放在一個半球形防護罩內(nèi)以防止灰塵干擾鏡頭。按照工作電壓不同分為直流高變速型和交流定速型。按照云臺控制器的安裝分為內(nèi)置型和外置型。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置工作在野外黃河河道岸邊，采用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)供電，因而不能選用交流定速云臺，要能夠?qū)崿F(xiàn)云臺的遠程控制和鏡頭的遠程調(diào)焦即可。此外相對于控制器外置型云臺，內(nèi)置型引出線較少，走線都在電路板上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。綜上，系統(tǒng)設(shè)計為直流控制器內(nèi)置球型云臺。云臺控制主要包括運動控制和鏡頭控制兩大模塊。鏡頭控制主要控制鏡頭的參數(shù)，細分為變焦、變倍、光圈等。而運動控制又細分為上下動作控制，左右動作控制。

云臺控制電路主要實現(xiàn)云臺在左右方向、上下方向的轉(zhuǎn)動，可以通過兩個歩進電機實現(xiàn)該功能。歩進電機是一種電磁機械裝置，能將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)線位移或角位移。它啟?？焖?，當(dāng)電機動態(tài)轉(zhuǎn)矩大于等于電機負荷時，電機一瞬間的啟動或停止可以通過輸入脈沖來控制。歩進電機的轉(zhuǎn)速和歩距角一般只受輸入脈沖頻率影響，而與環(huán)境氣壓、溫度、振動、負載變化以及電壓波動等因素?zé)o關(guān)。因此，步進電機可以用于云臺轉(zhuǎn)動方向的控制，因而對云臺轉(zhuǎn)動的控制就變?yōu)閷i進電機工作方式的控制。

在設(shè)計中，為控制云臺轉(zhuǎn)動的范圍，即控制云臺垂直、水平轉(zhuǎn)動的角度極限，在硬件設(shè)計時考慮設(shè)計垂直、水平限位栓，分別通過兩個微動開關(guān)來實現(xiàn)垂直、水平限位功能。當(dāng)云臺垂直或水平轉(zhuǎn)動角度達到設(shè)定極限時，碰觸限位栓微動開關(guān)，微動開關(guān)斷開，切斷電源，云臺在此方向不再轉(zhuǎn)動。至此完成云臺控制點路的設(shè)計。

現(xiàn)定時與可選區(qū)域的冰凌圖像數(shù)據(jù)自動采集受到系統(tǒng)功耗限制，冰凌圖像采用定時采集方式，設(shè)定每日8:00、12:00、14:00、16:00時段為冰凌圖像采集時間。在此時間段，系統(tǒng)對攝像頭，3G無線視頻模塊以及完成冰凌圖像采集任務(wù)，其余時段系統(tǒng)處于低功耗。同時，通過上位機發(fā)送命令實現(xiàn)云臺的遠程控制，實現(xiàn)對選定區(qū)域的冰凌圖像監(jiān)測。

云臺控制冰凌圖像采集系統(tǒng)設(shè)計過程中，為保證系統(tǒng)在太陽能蓄電池供電模式下長時間穩(wěn)定工作，需要最大程度的考慮降低系統(tǒng)功耗，所以硬件電路設(shè)計時，設(shè)計加入繼電器控制電路，每天定時給系統(tǒng)中云臺歩進電機，攝像機以及3G無線視頻模塊上電，其他時間系統(tǒng)處在休眠狀態(tài)，以此來減小系統(tǒng)功耗。

觀測裝置設(shè)置有主程序和定時中斷上電程序，主程序和定時中斷上電程序的流程如圖2和圖3所示。

為了實現(xiàn)對河道冰凌分布圖像數(shù)據(jù)的量化分析，首先對攝像頭采集的圖像作圖像空間轉(zhuǎn)換和降噪處理。由于現(xiàn)場光照隨時間變化是不均勻的，攝像頭長時間工作過程中偶爾會出現(xiàn)曝光不足現(xiàn)象，使得圖像中目標物體冰凌和背景河水的亮度不均勻，造成分割時閾值的選擇困難。因此，在圖像預(yù)處理中，采用基于亞像素精度輪廓檢測視覺技術(shù)，有效降低輪廓選擇難度。通過圖像閾值分割技術(shù)有效實現(xiàn)了冰、水分離，完成冰凌數(shù)據(jù)的計算。

圖像預(yù)處理主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)換、灰度均衡和圖像濾波等過程。圖像采集設(shè)備得到的圖像數(shù)據(jù)中每個點的數(shù)據(jù)是由紅色(Ｒ)、綠色(G)、和藍色(B)3個分量組成，為便于后續(xù)的處理和提高處理速度，灰度轉(zhuǎn)換過程將每個點的3個分量轉(zhuǎn)換成灰度(I)信息，通過采用基于亞像素精度輪廓檢測技術(shù)，提高了圖像對比度，經(jīng)過上述處理后圖像中含有很多噪聲點，嚴重影響了后續(xù)圖像分割效果，必須盡量濾除，本文采用高斯濾波方法，有效剔除了噪聲。

經(jīng)過圖像預(yù)處理后，解決了亮度不均勻現(xiàn)象，從而降低了后續(xù)閾值的難度

閾值分割圖像的過程可用下述數(shù)學(xué)方程描述:

（1）

式(1)中，g(x，y)表示圖像分割結(jié)果，f(x，y)是待處理圖像這里指獲取的冰凌圖像，T為閾值，任何滿足f(x，y)≥T的點稱為對象點，此處為圖像中的冰凌部分，其他點則稱為背景點，此處指圖像中的河水部分。由式(1)可見，要實現(xiàn)冰、水正確分離，選取合適的分割閾值T是關(guān)鍵值。選用迭代法，步驟歸納如下:

①選擇一個初始閾值T(j)，通常可以選擇整體圖像的平均灰度值作為初始閾值，j為迭代次數(shù)。初始時j=0。

②用T(j)分割圖像。將圖像分為2個區(qū)域C1(j)和C2(j)。

③計算兩區(qū)域的平均灰度值。其中N1(j)、N2(j)為第j次迭代時區(qū)域C1和C2的像素個數(shù)。f(x，y)表示圖像中(x，y)點的灰度值。

（2）

（3）

④再計算新的門限值，即:

（4）

⑤令j=j+1重復(fù)式(2)－(4)直到T(j+1)與T(j)的差小于規(guī)定值。由圖3可以看出，上部分圖像為圖像未經(jīng)過預(yù)處理直接進行閾值分割效果圖，由于圖像亮度不均勻，導(dǎo)致圖像分割后，冰、水混為一體，沒有實現(xiàn)冰水的正確分離。下部分圖像效果為圖像先經(jīng)過預(yù)處理，然后進行圖像分割的效果圖，可以看出，圖像二值化后，實現(xiàn)了冰、水完美分離，為后續(xù)冰凌數(shù)據(jù)統(tǒng)計提供正確數(shù)據(jù)支撐。

基于opencv的算法。攝像頭拍攝的圖片，進行8位的灰度值圖像處理，處理成灰度圖。在保證整幅圖像的整體和局部的色彩和亮度等級的分布和特征的前提下，灰度圖的計算量變得少一些。為了整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，需要再將圖片進行二值化處理，也就是將圖像上的點的灰度值置為0或者255。然后對圖像進行邊緣檢測算法處理，通過設(shè)置參數(shù)閥值和矩陣，采用sobel算子與高斯拉普算子進行邊緣處理。根據(jù)邊緣檢測的處理結(jié)果，進行輪廓檢測。

輪廓計算分為兩種模式：1、只檢索最外邊的輪廓，并將他們組織為兩層。2、檢索所有的輪廓，并重構(gòu)嵌套輪廓的整個層次。通過輪廓的計算可以計算出總共有多少個冰塊，各個冰塊的形狀，冰塊的面積、冰塊的厚度、冰塊的密度、冰塊的最大面積，以及冰塊群的大小，和整個河面寬度的百分比，并通過GPRS實時的傳入云計算平臺中，云計算平臺根據(jù)最新監(jiān)測情況，進行大數(shù)據(jù)分析，環(huán)比和同比進行數(shù)據(jù)對照和分析。

根據(jù)設(shè)置的閥值，進行業(yè)務(wù)處理。通過這些業(yè)務(wù)處理后，云計算平臺會智能控制設(shè)備的工作狀態(tài)。比如：拍攝具體點，增加參數(shù)值和閥值，來確切的得到當(dāng)前河面情況，以及聯(lián)動整個河面布防的攝像頭，進行聯(lián)合拍照，進行整體河面的數(shù)據(jù)分析，以并根據(jù)氣象信息、歷史信息和算法模型，產(chǎn)生報表和報警信息，以便做到冰情及時發(fā)現(xiàn)、快速處理。

在以上算法中解決了計算冰凌密度以及最大冰凌的方法，在防汛辦公室要求上報中還有“冰厚”的數(shù)據(jù)。冰厚的發(fā)展、變化在一段時間內(nèi)有一定的規(guī)律，其定量因素主要為氣溫，氣溫是影響冰厚最敏感的因素。在同一河段，當(dāng)其他條件相同時，氣溫愈低、累積負氣溫歷時愈長，冰厚值愈大，且冰厚與累積負氣溫存在著一定的函數(shù)關(guān)系。同時，冰凌的密度和最大冰塊和冰厚成正比關(guān)系，密度越大，冰塊越厚。冰塊越大，厚度越大。根據(jù)影響的冰厚定量因素的分析，可建立冰厚函數(shù)表達式為：,式中d為冰厚，m為冰凌密度；k為最大冰塊；t為氣溫，℃，即穩(wěn)定轉(zhuǎn)負的累積日平均負氣溫。

通過多年實測資料分析、篩選，河道冰厚d受累積日平均負氣溫t的影響較大，為此，冰厚公式可以簡單地表示為：

式中k為冰厚系數(shù)；為自秋季日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負之日起算的累積日平均負氣溫，℃。其中，k可通過點繪實測冰厚d與實測累積日平均負氣溫的關(guān)系圖分析確定（斜率），t為從網(wǎng)絡(luò)得到的氣溫。

本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征能夠通過或采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述，當(dāng)然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。