专利名称：非接触式河流表面流场成像量测方法
技术领域：
本发明涉及一种明渠水流监测方法，尤其涉及一种非接触式河流表面流场成像量测方法，属于明渠测流技术领域。
背景技术：
洪水期间精确的流速、流场、时序信息以及总径流变化速率的高分辨率估计，是河流水文学、河流地貌学以及河流生态学研究的重要依据。然而，高洪时期的水流往往具有含沙量高，混杂物多，流速快等特点，导致传统测流仪器无法正常施测。大尺度粒子图像测速(Large-Scale Particle Image Velocimetry,LSPIV)是一种安全、高效的全场流速测量技术。它采用模式识别的方法匹配、跟踪无畸变连续视频图像中的水面示踪物，实现流场的定量表示及可视化。作为实验室环境下的粒子图像测速(PIV)技术在大尺度现场环境下的扩展，不仅可用于常规条件下天然河道水流紊动特性的研究，其非接触特性更使之成为极端条件下河流流量测量少数可行的方法之一。但是，极端条件下流体物化属性及测验环境复杂多变，特别是观测窗口内光强、水面反射及水下散射和天空散射等光线扰动的复杂光学环境下，水流示踪/漂浮物的尺度、旋转与遮挡等非刚体运动状态变化将导致运动矢量估计的困难，且目标时空分布不均或密度较低，极易导致水面流场重建错误。现有方法直接移植或借用光学成像检测和图像处理领域的现有技术，达不到水流示踪物可靠和稳定地连续检测的要求，使得LSPIV在野外难以推广应用。如何在极端测验条件下，解决水面弱小目标光学信息的连续采集和检测、运动矢量估计等关键技术，实现流场重建与定标是一项极具挑战性的研究课题。已有的研究成果表明水体对太阳电磁辐射的吸收在700_1600nm的近红外波段较强，1400nm和1900nm附近的吸收率甚至接近100% ;对于河流、湖泊、湿地等天然水体，即使水很浅也能吸收绝大部分的红外辐射；而多数陆生植物以及滨海浅水的海草却总在近红外波段出现反射峰。因而在近红外图像中，水面背景与树叶、小木片等水面示踪物间必然存在较大的亮度差异。基于上述原理，若在近红外波段下成像可在一定程度上抑制水面光学噪声，较之目前现有的基于可见光成像的LSPIV方法，有利于提高运动矢量估计的峰值信噪比。
发明内容
本发明针对现有方法存在的不足，提供了一种非接触式河流表面流场成像量测方法。该方法通过以下技术手段实现方法首先通过在图像传感器前加装近红外滤光片实现近红外成像，增强水流示踪物与水面背景间的亮度对比；其次对图像进行空域高通滤波，抑制水面光学噪声；然后采用快速傅立叶互相关算法进行运动矢量估计，得到各分析区域的位移矢量；接下来采用一种基于时空联合滤波的方法重建时间平均流场；最后采用直接线性变换方法对流速矢量进行正射校正，实现流场定标及可视化。非接触式河流表面流场成像量测方法，分为图像采集、图像处理、流场定标及流场可视化四个步骤。其特征在于图像采集和图像处理在以图像处理专用DSP为核心的智能相机上完成，仅上传时间平均流场信息及序列的首帧图像；流场定标及流场可视化在上位机上完成。其中，图像处理步骤可分为图像增强、运动矢量估计和时间平均流场重建三项任务。所述的图像采集步骤通过在智能相机的单色CMOS图像传感器前加装近红外滤光片实现近红外成像，增强水流示踪物与水面背景间的亮度对比。所述的图像增强任务采用空域高通滤波的方法抑制水面光学噪声。滤波采用如下7X7的卷积模板
权利要求
1.一种非接触式河流表面流场成像量测方法，分为图像采集、图像处理、流场定标及流场可视化四个步骤，其特征在于图像采集和图像处理在以图像处理专用DSP为核心的智能相机上完成，仅上传时间平均流场信息及序列的首帧图像；流场定标及流场可视化在上位机上完成，其中，图像处理步骤可分为图像增强、运动矢量估计和时间平均流场重建三项任务； 所述的图像采集步骤通过在智能相机的单色CMOS图像传感器前加装近红外滤光片实现近红外成像，增强水流示踪物与水面背景间的亮度对比； 所述的图像增强任务采用空域高通滤波的方法抑制水面光学噪声；滤波采用如下7X7的卷积模板
全文摘要
本发明公开了一种非接触式河流表面流场成像量测方法，属于明渠测流技术领域。所述方法首先通过在图像传感器前加装近红外滤光片实现近红外成像，增强水流示踪物与水面背景间的亮度对比；其次对图像进行空域高通滤波，抑制水面光学噪声；然后采用快速傅立叶互相关算法进行运动矢量估计，得到各分析区域的位移矢量；接下来采用一种基于时空联合滤波的方法重建时间平均流场；最后采用直接线性变换方法对流速矢量进行正射校正，实现流场定标及可视化。本发明能够稳定、可靠地用于复杂水面光学环境下的河流表面流场量测。
文档编号G01P5/22GK102866260SQ201210346488
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者张振, 徐立中, 陈哲, 沈洁, 严锡君, 王鑫 申请人:河海大学