本发明涉及水文水资源，尤其涉及一种综合利用“水尺及倒影”图像计算河道水位的方法。
背景技术：
1、随着数字孪生流域、智慧水利等水利信息化概念先后提出，国家及各级水行政主管部门和水文部门，对于基础性的河道、水库、明渠水位的自动化监测技术有更加强烈的需求。目前水位自动化监测技术大致分为两类，一类主要依托于雷达测流仪、虹吸自记式水位井等设备设施直接监测，一类则主要利用摄像头、遥感卫星、无人机等设备拍摄的视频或图像等间接监测。直接监测方法技术相对成熟，但是设备采购或仪器设备的造价较高、且往往破坏耕地、征地面积大，设备设施的调试、运维等会给水利信息化建设带来新的巨大经费压力，对环境、农业的带来新的负面影响。间接监测方法是随着传感器技术进步而逐渐发展起来，其中摄像头或红外摄像头等设备在水库、水文站、取水口等工程建设非常广泛。此类工程所采用摄像头一般由太阳能电池供电、由物联网卡远传信号。
2、利用摄像头视频、图像进行水位识别的相关技术，大多侧重于以ctpn(connectiontext proposal network)、yolo(you onlylook once)等成熟算法为基础，通过解析水面线附近的水尺读数以识别所标示水位。然而，上述技术存在诸多问题，1）无论是ctpn或yolo等算法都属于机器学习或黑箱子算法，对刻度的识别能力极大依赖于算法优化程度，且此类算法对计算机的数值计算能力要求较高；2）水面线的识别本身就是个巨大的难题，受水流紊动、光斑等因素影响，水面线并不平坦、而是在时刻波动变化中，依据水面线判读水位刻度的方法往往误差较大。近年来直接依据河道水面图像，套用深度学习等方法识别水面线，进而依据经验公式计算河道水位的方法也取得了一些研究成果，但水面与堤岸交界处的辨识误差大，尤其高水、低水情况下训练样本偏少，深度学习方法的辨识能力严重受限。
3、通过对国内外相关技术与进展研究，本发明从物体投影、“水-空气”界面光折射等物理现象出发，充分考虑水位监测断面一般设置多组水尺、且配有摄像头的现状条件，提出了一种具有显著物理基础的天然河道水位自动监测方法，以弥补现有水位监测技术手段造价偏高、环境干扰大，或物理机制不明、精度及可靠性不足等缺陷。
技术实现思路
1、本发明针对现有基于视频图像的水位监测技术物理基础薄弱、精度和可靠性不足的问题，提出综合利用“水尺和水尺投影”图像实时监测河道水位的方法。本发明的目的在于，充分利用水位监测断面的摄像头、水尺等硬件条件，强化基于视频图像的水位监测技术物理基础，提升水位监测精度和可靠性，提出一套具备较好物理基础的解决方案。
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，包括如下步骤：
4、 1）确定摄像头和水尺特征参数，摄像头拍摄水尺完整图像，并完成畸变校正、二值化；
5、 2）实时拍摄水尺区域rgb彩色图像，经过畸变校正和二值化处理后，分别定位水尺与倒影顶端；
6、 3）配准步骤1）、步骤2）水尺完整图像和“水尺及倒影”实时图像，依两者像素比及水尺长度推算“水尺及倒影”长度；
7、 4）依据“水-空气”界面折射原理、正切公式，计算水尺水面以上高度及河道实时水位。
8、本发明的进一步技术：
9、优选的，步骤1）中确定摄像头和水尺特征参数包括，利用直尺、测高仪设备测定水尺的顶部高程、水尺完整长度，利用水平测距离测定摄像头与水尺之间的水平距离；
10、水尺的顶部高程记为h；
11、水尺完整长度r；
12、摄像头高程与水尺顶部高程差记为h0；
13、摄像头与水尺之间水平距离记为l。
14、优选的，步骤1）摄像头拍摄水尺完整图像，水尺的地上部分全部置于拍摄区域的上部分拍摄。
15、优选的，所述步骤3）中“水尺及倒影”长度推算为：利用k-最近法对二值化后的水尺图像进行缩放、像素对齐，进而依据对齐后两幅图的像素比例d和水尺完整长度r，获取水尺及倒影的长度p：
16、。
17、优选的，所述步骤4）中水尺水面以上高度依据“水-空气”界面光折射原理、三角形正切公式原理建立了含四参数的方程组，与水尺及倒影的长度联立，即可求得目标水尺水面以上高度参数；
18、
19、式中：h1为目标水尺水面以上高度、h2为水面投影长度、 为投影的水下入射角、α为投影折射角,n 为“水-空气”界面折射率记；其中，h1，h2有如下关系：h1+h2=p，代入公式（2）即可求得所有四参数（h1、h2、 、α）。
20、优选的，以目标水尺的顶部高程减去目标水尺水面以上高度，间接推算河道实时水位z=h-h1。
21、本发明的有益效果是：
22、本发明是在大量的水位站建设经验、图像处理研究积累的基础上，全面考虑水位站测验环境和计算能力、图像处理技术发展水平、天然河道水流特征等条件，通过图像监测信息优化和数理公式推导得到的，具备较好的物理基础、方法可靠。本发明可以广泛应用于单一水尺、多水尺的明渠和天然河道水位自动监测，可提升水位监测无人化、自动化水平，提高水位高频次，可为防洪抗旱减灾工作提供技术支撑。
1.一种基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于：步骤1）中确定摄像头和水尺特征参数包括，利用直尺、测高仪设备测定水尺的顶部高程、水尺完整长度，利用水平测距离测定摄像头与水尺之间的水平距离；
3.根据权利要求1所述的基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于：步骤1）摄像头拍摄水尺完整图像，水尺的地上部分全部置于拍摄区域的上部分拍摄。
4.根据权利要求1所述的基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于：步骤2）实时拍摄水尺及倒影的rgb彩色图像，其中，水尺水面以上部分全部置于拍摄区域的上部分拍摄。
5.根据权利要求2所述的基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于，所述步骤3）中“水尺及倒影”长度推算方法为：利用k-最近法对二值化后的水尺图像进行缩放、像素对齐，进而依据对齐后两幅图的像素比例d和水尺完整长度r，获取水尺及倒影的长度p：
6.根据权利要求5所述的基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于：所述步骤4）中依据“水-空气”界面光折射原理、三角形正切公式原理建立了含四参数的方程组，与水尺及倒影的长度联立，推求水尺水面以上高度参数；
7.根据权利要求6所述的基于水尺倒影的天然河道水位自动监测方法，其特征在于：以目标水尺的顶部高程减去目标水尺水面以上高度，间接推算河道实时水位z=h- h1。