专利名称：一种基于图像处理的结冰检测方法
技术领域：
本发明属图像处理和气象观测领域，具体涉及一种通过图像处理的方式来间接观 测水面是否发生结冰现象。
背景技术：
气象观测是气象业务工作的基础。地面气象观测是气象观测的重要组成部分，它 是对地球表面一定范围内的气象状况及其变化过程进行系统地、连续地观察和测定，为天 气预报、气象情报、气候分析、科学研究和气象服务提供重要的依据。中华人民共和国气象行业标准《地面气象观测规范》第4部分(QX/T48-2007)天 气现象观测中对于“结冰”的定义为“露天水面(包括蒸发器的水)冻结成冰。”同时，对 于观测和记录的注意事项中也明确指出，“值班观测员应随时观测和记录出现在视区内的 全部天气现象。夜间不守班的气象站，对夜间出现的天气现象，应尽量判断记录。”可见，结 冰现象作为一项基本的地面现象目前还只能依靠人工观测的方法进行判断和记录。人工观 测虽然对于现象本身的判别较为准确，但存在以下难以解决的问题1、大部分结冰现象发 生在夜间，对站点以及观测员本身均提出了一定的要求。2、对于结冰现象发生的时刻难以 准确的记录。
发明内容
本发明提出了一种基于图像处理的结冰现象自动化识别方法，能够在最小化维护 成本的基础上实现结冰现象的自动化观测。一种基于图像处理的结冰检测方法，具体为在一圆盘表面作不同符号标记，标记 后将其置于水槽中，按一定时间间隔对圆盘施加瞬时力，同时采集圆盘的序列图像；将序列 图像的最后一帧分别与前面各帧图像进行逐符号的形状和位置匹配，若形状和位置匹配均 成功，表明圆盘在序列图像的采集时间段内没有转动，则水面结冰。作为优选实施方式，所述逐符号的形状和位置匹配方式具体为(1)在序列图像的各帧图像中提取包含圆盘的感兴趣区域；(2)在感兴趣区域内提取各符号的连通域以及圆盘区域，保留位于圆盘区域内的 符号连通域；(3)将序列图像的最后一帧分别与前面各帧图像的保留符号连通域做逐一的形状 和位置匹配。作为优选实施方式，所述感兴趣区域为圆盘的外接矩形。
作为优选实施方式，对圆盘施加非接触式瞬时力。 本发明还提供另一种基于图像处理的结冰检测方法，具体为将一圆盘置于水槽 中，按一定时间间隔对圆盘施加瞬时力，同时采集圆盘的序列图像；将序列图像的最后一帧 分别与前面各帧图像进行相似性匹配，若相似性匹配均成功，表明圆盘在序列图像的采集 时间段内没有转动，则水面结冰。
本发明的技术效果体现在在图像上对圆盘区域进行一次性标记后，利用图像处 理算法自动检测圆盘是否发生了旋转运动，并通过此结果间接检测水面是否发生了结冰现 象，在检测过程中，该方案具有在无人工干预的情况下，实现对结冰现象的自动化观测，并 能给出结冰现象发生的时刻。同时，该方案所需设备简单，成本较低。
图1为标记来符号的圆盘图例；图2为图像处理算法总体流程图；图3为用户标记的区域图示；图4为图像预处理步骤流程图；图5为符号连通域提取与过滤步骤流程图；图6为符号识别步骤流程图；图7为结冰现象判别流程图。
具体实施例方式下面结合附图来说明本发明的较佳实施例。本发明观测对象为室外放置盛水的圆形蒸发水槽。在水面放置一轻质塑料圆盘， 圆盘上标记阿拉伯数字，如1-9，大写英语字母，如A-T等字符，如图1所示。在圆盘上方悬 挂一个微量喷气装置。该装置每隔固定时间，持续喷气固定时长，每次喷气都会使圆盘发生 旋转运动。作为一种驱动装置，采用喷气方式的好处在于没有与结冰圆盘或是水面发生物 理接触，同时短暂的喷气持续时间也能够在保证在没有发生结冰时圆盘能够缓慢转动的条 件下，尽可能的减少对结冰这种自然现象产生造成的干扰。利用摄像头定时采集水槽固定 区域图像。若水面没有结冰，在一定时间间隔内采集的图像序列中，圆盘上的字符会发生变 化，若水面发生结冰，圆盘将被冻结，在一定时间间隔内采集的图像序列中，圆盘上的字符 会保持不变。通过上述两种情况，可以判断水面是否发生结冰现象。下面的说明将假定我们已经获得了室外结冰水槽部分区域图像序列，图像序列采 集时间间隔为10分钟。图像处理算法整体检测流程如图2所示，下面详细说明应用本发明的检测步骤(1)感兴趣区域标记步骤该步骤流程图如图3所示，对室外结冰水槽部分区域图像序列任意第t帧图像It， 手工标记图像It中圆盘外边缘。标记的方式是从圆盘外边缘任意一个点(χ，y)作为起始 点，沿着外边缘轮廓绘制闭合曲线，曲线上的点以及内部点组成区域点集合A，A应完全包 含图像上可见的圆盘部分。同时，求取区域点集合A中如下四个数值
权利要求
1.一种基于图像处理的结冰检测方法，具体为在一圆盘表面作不同符号标记，标记 后将其置于水槽中，按一定时间间隔对圆盘施加瞬时力，同时采集圆盘的序列图像；将序列 图像的最后一帧分别与前面各帧图像进行逐符号的形状和位置匹配，若形状和位置匹配均 成功，表明圆盘在序列图像的采集时间段内没有转动，则水面结冰。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的结冰检测方法，其特征在于，所述逐符 号的形状和位置匹配方式具体为(1)在序列图像的各帧图像中提取包含圆盘的感兴趣区域；(2)在感兴趣区域内提取各符号的连通域以及圆盘区域，保留位于圆盘区域内的符号 连通域；(3)将序列图像的最后一帧分别与前面各帧图像的保留符号连通域做逐一的形状和位置匹配。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像处理的结冰检测方法，其特征在于，所述感兴 趣区域为圆盘的外接矩形。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于图像处理的结冰检测方法，其特征在于，对 圆盘施加非接触式瞬时力。
5.一种基于图像处理的结冰检测方法，具体为将一圆盘置于水槽中，按一定时间间 隔对圆盘施加瞬时力，同时采集圆盘的序列图像；将序列图像的最后一帧分别与前面各帧 图像进行相似性匹配，若相似性匹配均成功，表明圆盘在序列图像的采集时间段内没有转 动，则水面结冰。
6.根据权利要求5所述的一种基于图像处理的结冰检测方法，其特征在于，对圆盘施 加非接触式瞬时力。
全文摘要
本发明公开了一种基于图像处理的结冰检测方法，实现无人值守情况下对结冰现象的自动化观测。该方法在一圆盘表面作不同字符标记，标记后将其置于水槽中，按一定时间间隔对圆盘施加瞬时力，采集圆盘的序列图像；将序列图像的最后一帧分别与前面各帧图像进行逐字符的形状和位置匹配，若形状和位置匹配均成功，表明圆盘在序列图像的采集时间段内没有转动，则水面结冰。本发明利用图像处理算法自动检测圆盘是否发生了旋转运动，并通过此结果间接检测水面是否发生了结冰现象，在检测过程中，该方案无需人工干预，操作简单，成本低。
文档编号G01W1/00GK102073070SQ201110006549
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者卓问, 曹治国, 朱磊, 李肖霞, 鄢睿丞, 马舒庆 申请人:华中科技大学