融合视频检测技术和激光测距技术的复合雪深监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及积雪深度监测技术领域，尤其是融合视频检测技术和激光测距技术的 复合雪深监测系统。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的增长，新建高速铁路和公路的里程也在不断增加，与此同时，交通 事故频发，因此交通安全保障技术越来越成为关注的焦点和研宄的热点。其中，恶劣天气是 导致交通事故频发的一个重要因素，如：大风、暴雨、冰雹、暴风雪等；2008年发生在我国南 方地区的大规模雨雪冰冻灾害，导致铁路供电中断、线路受阻，公路路面结冰，造成大面积 交通瘫痪，严重影响了春运的运输能力和运输安全。因此，交通气象信息的获取变得尤为重 要，也是公路和铁路防灾系统的重要组成部分。目前，雪深测量的方法主要有：（1)传统的 手工测量方法，该方法费时费力、随机误差大，并且难以实时监控；（2)采用摄像头取代人 眼观测标杆的方法，该方法通过摄像头拍摄树立的标尺的刻度，并通过图像处理提取出测 量数值，但是受天气和光照条件影响大，精度不高；（3)基于超声的雪深测量方法，成本低、 技术成熟、面测量的方法，但是超声波传播受温度、风速等因素的影响，精度不高；(4)基于 激光测距技术的雪深测量方法，具有测量精度高，受外界温度、湿度等影响小的特点，使用 范围逐步推广，但是激光测距方法一般只能获取单点的积雪深度，容易受积雪的不均匀性 影响。此外，在实践中，激光传播容易受空气中的颗粒物（雾霾天气、扬沙天气等）的干扰 以及进入测量范围的人或者物体都可能阻断测量线，进而导致错误的测量结果。因此，现有 的雪深测量技术和方法都难以提供可靠的雪深数据，且无法获取实时的降雪信息，对未来 一段时间的积雪情况进行预测，也就无法有效地对现场雪情进行有效评估。从实际应用的 角度来看，高速铁路防灾系统中就包括了雪情监测子系统，该系统需要实时获取铁路轨道 中心线及其周边一定范围的积雪覆盖情况，当积雪覆盖达到一定程度时系统发出报警，为 行车调度、工务抢修以及供电和信号部门提供雪情信息。在高速公路，尤其是一些深路堑路 段和隧道口等容易造成雪堆积的区域，对雪情的监测都是十分有必要的。这些位置都存在 监测环境恶劣、无人值守、存在异物入侵等不利因素，这些因素都可能导致测量错误和误报 警。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有雪深测量技术的不足，尤其在难以适应真实的雪深监测环境，难以 提供高可靠性、多维度的雪情信息方面，本发明提供了面向复杂雪深监测环境，运用多传感 器数据融合技术，交叉验证雪深测量数据，提供高可靠性、多维度雪情信息的一种融合视频 检测技术和激光测距技术的复合雪深监测装置，其特征是包括：感知层、处理层、传输层和 服务层，所述感知层将采集到的信息发送给处理层，所述处理层实时处理接收的信息，并将 经过检验的测量值发送给传输层，所述服务层用于将传输层上传的数据在数据中心进行存 储和分发给各级服务终端；所述感知层包括激光传感器、倾角传感器和网络摄像机；所述 处理层包括前端处理模块；所述传输层包括无线转发模块，具有有线和无线转发功能；所 述服务层包括数据中心和各级服务终端。
[0004] 进一步，所述感知层的网络摄像机的分辨率为1920*1080,支持ICR红外滤片式自 动切换，支持最大64G存储卡进行本地存储，支持20路同时访问以及手机监控。
[0005] 进一步，所述感知层的网络摄像机和激光传感器的探头与地面的倾角约为45°， 网络摄像机位于激光传感器的探头上方约0. 5m处位置，激光传感器距地面的高度约为4m。
[0006] 进一步，所述感知层的激光传感器和倾角传感器绑定为一体，倾角传感器的测量 轴与激光器发射的激光平行，二者封装在同一护罩中，护罩中加装有恒温装置。
[0007] 进一步，所述处理层的前端处理模块距地面的高度约为I. 25m，该前端处理模块 包括内置的图像处理软件，数据融合算法和网络通信软件。
[0008] 进一步，所述传输层的无线转发模块具有多个RJ45接口和RS232/RS485接口，支 持多种传输协议和功能的3G无线路由，具有VPN (虚拟专用网络）和DTU (数据传输单元） 功能。
[0009] 本发明还提供了使用上述一种融合视频检测技术和激光测距技术的复合雪深监 测装置进行监测的方法，包括以下步骤：
[0010] Si.感知层的激光传感器和倾角传感器将采集的数据传输至处理层的前端处理模 块；
[0011] S2.感知层的网络摄像机实时采集视频信息，并将压缩视频流转发给处理层的前 端处理模块，前端处理模块对图像进行预处理；
[0012] S3.将步骤Sl的激光测距结果和步骤S2的视频检测结果进行数据融合，经过正确 性检验的雪深测量数据被输出到传输层的无线转发模块，进而转发给服务层的数据中心， 对于未通过正确性检验的测量值，根据检验流程生成的错误报告日志进行本地存储，或在 数据中心下载。
[0013] 进一步，所述步骤Sl中激光传感器每隔5秒钟采集一次雪深数据，步骤S2中前端 处理模块的图像处理软件每隔1秒钟提取一张现场监控画面。
[0014] 进一步，所述步骤Sl中，激光传感器发射激光束，接收器接收反射的激光信号，计 算出反射点到接收器的距离；测量出接收器和测量参考面的距离作为基准值，在后续的测 量中通过与基准值作差，得到参考面和积雪面的倾斜高度；倾角传感器测量出激光传感器 探头的倾斜角度，通过三角函数关系得出参考面和积雪面的垂直高度，即，雪深值。
[0015] 进一步，所述步骤S2中，将采集到的无雪时的监控画面作为背景模板，通过将采 集到的图像和背景模板进行对比，判断是否存在异物入侵或是否有雪覆盖；基于高斯背景 建模方法对采集的图像提取运动前景，从雪花对光线的反射特性和雪花的几何特征来识别 雪花像素点，经过筛选统计出雪花像素点的覆盖比例，进而评估出降雪等级。
[0016] 进一步，所述步骤S3中当雪深测量数据从一个等级变化到另一个等级时，处理 层的前端处理模块启动网络摄像机抓拍和录像，并回传到数据中心。
[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。
【附图说明】
[0018] 图1本发明监测系统层次结构示意图；
[0019] 图2本发明监测系统架构图；
[0020] 图3本发明激光传感器测雪深示意图；
[0021] 图4本发明监测系统正确性检验流程图；
[0022] 图5本发明激光传感器和网络摄像机安装示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图，以部署在高速铁路沿线，用于监测铁路线路钢轨间积雪覆盖情况 为例作详细说明，以对本
【发明内容】
作更详细的解释。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性 的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0024] 一种融合视频检测技术和激光测距技术的复合雪深监测方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤1 :降雪天气和轨道积雪会严重影响高速铁路的运行安全，因此高速铁路防 灾系统已经把对雪情的监测纳入