专利名称：一种基于机器视觉的水环境监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于图像视觉处理技术实现的水环境监测装置，具体是一种水位和水质监测装置。
背景技术：
现有的水位监测装置只能单独的检测水位或水质，即无法实施水位、水质同时监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于进行水质测量的水环境监测装置，该水环境监测装置采用灰度检测原理进行水质监测，即对拍摄的水面影像进行灰度处理得到该水面影像的灰度值以获得水质情况。本发明提供了一种水环境监测装置，包括:使用时上下分布的测量管，其下端口上设有照明装置并在使用时进入水面，测量管的上端口处设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管内的水面影像；数字图像采集单元，与所述摄像机相连，适于将采集得的图像变换为数字图像；与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述第一样本数据是由所述水情监测系统对已知的、不同水质的水进行逐一测量而获得；所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。所述计算机为PC机或平板电脑。作为一种优选，所述测量管为锥形管，开口较小的一端处于上方，以减少摄像机获得的影像中测量管的内壁所占整个图像的比例，以提高灰度处理的可靠性。进一步，为了避免拍摄时环境光线对水面影像的影响，所述测量管的内壁上设有适于吸收光线的涂层。进一步，为了避免拍摄时水底环境光线对水面影像的影响，并在不拍摄时保持水流畅通，以使所述测量管内的水质与实际水质一致，所述测量管在位于水面下方的管壁上分布有多个通孔，且该测量管的底端封闭，以防止杂光进入测量管内；在水面下方的管体上套设一分布有通孔的套管；所述套管与一适于驱动该套管绕所述测量管转动的转动机构传动连接，该转动机构由一与所述摄像机相连的控制器控制，在不拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔分别相对，以使水流适于进出所述测量管；在拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管。进一步，为了实现对所述水环境监测装置的水位测量，所述测量管固定设置；摄像机采用定焦广角镜头，或定焦镜头。所述计算机还存储有第二样本数据，该第二样本数据适于记录所述测量管内的水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式；所述计算机还适于计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度，即获得水位值。作为进一步优选的实施方式，所述摄像机固定于所述测量管上，并使该测量管的上端口封闭，以避免外部光线从上端口进入该测量管。为了使摄像机在拍摄时，更加容易区分水面影像的边缘，所述测量管内还包括白色的管内浮子，该管内浮子为具有垂向设置的中央通孔的柱状结构，所述摄像机构适于拍摄所述中央通孔中的水面影像，且该管内浮子适于随水面在所述测量管内上下浮动。进一步，为了实现对所述水环境监测装置的水位测量，所述测量管的外围设有适于使该测量管浮于水面的浮子；所述水环境监测装置还包括:柔性标尺，该柔性标尺的一端固定在水底，另一端与一适于收卷、拉紧该柔性标尺的收卷装置相连，该收卷装置固定于所述测量管上；导向轮，设于所述测量管的内壁上，在该测量管的内壁上邻近所述导向轮的上、下方分别设有与所述导向轮的轮轴平行的上、下导向杆，所述柔性标尺适于分别从所述上、下导向杆与测量管的内壁的间隙中穿过并贴合在所述导向轮的内侧轮面上，所述导向轮的顶部处于水面上方。采用柔性标尺、适于使测量管竖直浮于水面上的浮子、导向轮等部件，使所述水环境监测装置可以漂浮在水面上，所述摄像机获取邻近所述导向轮的顶部的柔性标尺的读数，经图像识别、误差校正后，获得实际水位值。所述误差校正的方法为:将通过图像识别获得的所述柔性标尺的读数，与预设的校正值相减，即得到实际水位值。所述预设的校正值通过实验获得。本发明还提供了一种适于水位和水质监测的测量方法，该方法要解决的技术问题是利用摄像机拍摄的水面影像进行相应处理以获得水面影像的灰度值和面积像素值以得到相应的水质和水位情况。上述水环境监测装置的工作方法，包括如下步骤:(I)水面上固定有测量管，其下端口适于进入水面，上端口处设一摄像机，该摄像机拍摄所述测量管内的水面影像；(2)所述水面影像通过数字图像采集单元转换为数字图像；(3)与所述数字图像采集单元相连的计算机中存储有第一、第二样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值，所述第二样本数据适于记录所述测量管内的水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式；(4)所述计算机对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对，得出水质情况；(5)所述计算机计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度，即获得水位值。进一步，为了更方便的提取出水面影像的面积像素值，所述步骤(5)包括:a:所述数字图像经灰度处理后，采用MATLAB函数进行阈值分割处理以提取水面影像的边缘；b:调用MATLAB库函数bwarea，以计算边缘提取后的水面影像的面积像素值。与现有技术相比，本发明具有如下优点:(1)本发明通过水面影像以获得水质的相应情况，装置简单，便于在野外或者无条件进行水质化验的情况下进行便捷的水质测量或预判，无需繁琐步骤；(2)在封闭的测量管内拍摄的水面影像不易收到外界光线的影响，测量更加准确；(3)本发明在获得水质信息的同时，获得图像中的水面影像的大小，并根据预先测量得到的水面影像大小与摄像机之间的距离关系，以得到水位，进而实现了水位、水质监测，使用方便。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1本发明的水环境监测装置的结构示意图。图2本发明的转动机构、控制器、摄像机的连接示意图；图3本发明的转动机构的一种实施方式；图4本发明的转动机构的另一种实施方式；图5本发明的转动机构的另一种实施方式中各限位杆的结构俯视图；图6本发明的水位检测系统的用于水位检测部分的结构示意图。
具体实施例方式实施例一如图1，一种水环境监测装置，包括:测量管1，其下端口上设有照明装置并在使用时该下端口适于整 体进入水面2，上端口处设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管I内的水面影像2-1 ;数字图像采集单元，与所述摄像机相连适于将采集图像变换为数字图像；与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述第一样本数据是由所述水情监测系统对已知的、不同水质的水进行逐一测量而获得；所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像2-1的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。水质检测原理是利用不同水质相应的灰度值样本与待检测的水面影像的灰度值进行比较，即计算机存储有不同水质的各灰度值样本，即第一样本数据。采用MATLAB库函数对所述水面影像2_1进行相应灰度值处理，步骤如下:I=imread( ‘image.jpg’)； ％ 打开待处理图片(8 位灰度)imshow(I) ;% 显不该图片C=mean2 (I) ;%计算图像像素矩阵的平均值通过mean2函数就可以计算出所述水面影像2_1的灰度值。表I是各种水质的平均灰度值，即第一样本数据:
权利要求
1.一种水环境监测装置，其特征在于包括: 使用时上下分布的测量管，其下端口上设有照明装置并在使用时该下端口进入水面，测量管的上端口处设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管内的水面影像； 数字图像采集单元，适于将所述摄像机采集得的图像变换为数字图像； 与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述第一样本数据是由所述水情监测系统对已知的、不同水质的水进行逐一测量而获得； 所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对，得出水质情况。
2.根据权利要求1所述的水环境监测装置，其特征在于，所述测量管的在使用时位于水面下方的管壁上分布有多个通孔，且该测量管的底端封闭；在水面下方的管体上套设一分布有通孔的套管； 所述套管与一适于驱动该套管绕所述测量管转动的转动机构传动连接，该转动机构由一与所述摄像机相连的控制器控制，在 不拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔分别相对，以使水流适于进出所述测量管；在拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管。
3.根据权利要求1或2所述的水环境监测装置，其特征在于:所述测量管固定设置； 所述计算机还存储有第二样本数据，该第二样本数据适于记录所述测量管内的各水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式； 所述计算机还适于计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度，即获得水位值。
4.根据权利要求3所述的水位和水质监测装置，其特征在于，所述摄像机固定于所述测量管上，并使该测量管的上端口封闭，以避免外部光线从上端口进入该测量管。
5.根据权利要求1-4任一所述的水环境监测装置，其特征在于:所述测量管的外围设有适于使该测量管浮于水面的浮子； 所述水环境监测装置还包括: 柔性标尺，一端固定在水底，另一端与一适于收卷、拉紧该柔性标尺的收卷装置相连，该收卷装置固定于所述测量管上； 导向轮，设于所述测量管的内壁上，在该测量管的内壁上邻近所述导向轮的上、下方分别设有与所述导向轮的轮轴平行的上、下导向杆，所述柔性标尺适于分别从所述上、下导向杆与测量管的内壁的间隙中穿过并贴合在所述导向轮的内侧轮面上，所述导向轮的顶部处于水面上方。
6.根据权利要求1所述的水环境监测装置，其特征在于，所述测量管内还包括白色的管内浮子，该管内浮子为具有垂向设置的中央通孔的柱状结构，所述摄像机构适于拍摄所述中央通孔中的水面影像，且该管内浮子适于随水面在所述测量管内上下浮动。
7.根据权利要求1所述的水环境监测装置，其特征在于，所述测量管为锥形管，开口较小的一端处于上方。
8.—种水环境监测装置的工作方法，其特征在于包括如下步骤: (1)水面上固定有测量管，其下端口适于进入水面，上端口处设一摄像机，该摄像机拍摄所述测量管内的水面影像； (2)所述水面影像通过数字图像采集单元转换为数字图像； (3)与所述数字图像采集单元相连的计算机中存储有第一、第二样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值，所述第二样本数据适于记录所述测量管内的水面影像的像素值与摄像机距离水面高度的对应表或计算式； (4)所述计算机对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对，得出水质情况； (5)所述计算机计算出当前拍摄的所述测量管内的水面影像的像素值，并通过所述第二样本数据得出当前摄像机距离水面的高度，然后将所述摄像机的安装高度减去所述摄像机距离水面的高度 ，即获得水位值。
全文摘要
本发明涉及一种水环境监测装置，包括测量管，其下端口适于进入水面，上端口正上方设一摄像机，该摄像机适于拍摄所述测量管内的水面影像；数字图像采集单元，与所述摄像机相连适于将采集图像变换为数字图像；与所述数字图像采集单元相连的计算机，该计算机存储有第一样本数据，所述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；所述计算机适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。所述测量管为锥形管，开口较小的一端处于上方，以减少摄像机获得的影像中测量管的内壁所占整个图像的比例，以提高灰度处理的可靠性。所述计算机为PC机或平板电脑。
文档编号G01N21/27GK103175792SQ20131008757
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者陈勇 申请人:陈勇