[发明专利]一种多级水尺水位视觉测量方法及测量系统

说明书

本发明公开了一种多级水尺水位视觉测量方法及测量系统，系统由多级水尺、PTZ摄像机和上位机组成，上位机首先控制PTZ摄像机切换到P₀拍摄大视场图像，检测其中所有水尺的目标区域，得到当前水位所在的水尺i，然后切换至对应的预置位P_i拍摄视频，检测视频中水尺i的水位线读数，最后结合其零点高程换算成实际水位，本发明具有大量程、高时效、可利旧、低成本、易升级等有益效果。

技术领域

本发明属于水位测量技术领域，具体涉及一种多级水尺水位视觉测量方法及测量系统。

背景技术

水位是河流湖库的基本水文要素之一，是反映水流变化的重要标志，其与人类生产生活及建设具有密切的联系。连续可靠的水位监测是水文情报和水文预报的基础，对提升防汛抗涝预报预警水平具有重要意义。现有的水位测量方法有水尺测量，浮子式水位计，超声波水位计，压力式水位计等，其中，传统的水尺测量水位方法是最原始的方法，需要人工定时观测，自动化程度低，耗费大量的人力和物力；浮子式水位计利用水位升降作为动力，浮子在上下运动过程中会产生质量转移误差，在高精度测量时尤为明显；超声波水位计及压力式水位计水位参数易受环境影响，漂移严重。

目前国内重要的水文监测站点均配备有视频监控系统及标准水尺，为基于视频图像的水尺水位检测提供了有利条件。图像法利用图像传感器代替人眼获取水尺图像，通过图像处理技术检测水位线对应的读数，从而自动获取水位信息。相比现有方法，在原理上具有非接触、无温漂、无转换误差等优点。因此，近年来图像法水位检测在机器视觉和水利量测领域已成为新的研究热点。

目前，枪型摄像机主要应用于单级直立式水尺的测量，但受图像分辨率和固定视角的限制，为保证测量精度和可靠性，通常仅适用于测量距离小于30m、量程小于5m的场合，否则会由于水尺立柱过高使得架设困难，且易受洪水和漂浮物冲击产生抖动、倾斜、甚至损毁。PTZ摄像机是方位角(Pan)、俯仰角(Tilt)和变焦(Zoom)可电动调节的摄像机，可将PTZ参数设置为预置位并根据需要进行程控切换，相比固定的枪型摄像机具有更大的拍摄视角和距离，不仅可用于直立式水尺，还可适用于平缓岸坡布设的多级矮桩式水尺，将测量的距离拓展至50m、量程拓展至20m以上。对于相同量程，PTZ摄像机具有更高的物理分辨率，因此理论上水位线检测精度更高。然而，矮桩式水尺由于级数多(通常在5级以上)、且水尺间具有重叠区域，因此水位测量方法不同于一般直立式水尺。现有部分产品采用逐级巡检的方式自下而上或自上而下依次测量各级水尺，最终确定水位线所在的水尺并检测水位线读数。当水尺级数较多时，这种方式需要频繁切换摄像机的预置位、拍摄各级水尺的视频图像并分析，测量过程相当耗时；当水位处于两级水尺的重叠区域时也容易产生判别歧义。

因此，研发基于PTZ摄像机的多级水尺水位视觉测量系统及方法，对于提高图像法水尺水位测量技术的精度和效率，提升现有水利视频监测系统自动化和智能化的整体水平具有重要意义。

发明内容

发明目的：为解决现有测量方法及测量系统在测量精度、可靠性、测量时效性上的不足，本发明提出了一种多级水尺水位视觉测量方法及测量系统。

技术方案：一种多级水尺水位视觉测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在同一断面线上布置N级水尺和可完整观测到所有水尺的视频图像采集机构，构建测量系统；

步骤2：对测量系统进行标定；所述标定包括：设置N+1个预置位P₀～P_N、进行水尺图像校正得到在大视场图像中每级水尺的位置坐标信息、确定各水尺的有效量程和构建水尺目标检测模型；其中，P₀对应可完整观测所有水尺的大视场，P₁～P_N分别对应聚焦于水尺1～N的小视场；

步骤3；采用标定后的测量系统进行水位测量；

所述水位测量包括以下步骤：