一种黄河凌汛期流凌密度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，具体的说是一种黄河凌巧期流凌密度测量方法。
【背景技术】
[0002] 黄河是我国凌巧出现最为频繁的河流，其中W宁蒙河段最为严重，该是由其特殊 的地理位置、水文气象条件和河道特性所决定的。因此，准确预报出河段封、开河日期W及 冰塞冰巧可能出现的位置，对该河段防凌工作具有十分重要的意义。一直W来，国内外学者 也围绕上述问题开展了诸多研究，特别是在运用数值模拟技术W及人工智能算法进行的冰 情预报取得了显著的进步。但是通过研究发现，基于上述技术开发的冰情模型，在其建立和 应用过程中都存在着众多的不确定性，特别是关键参量流凌密度的获取方式严重依赖于人 工观测或者经验公式的推导。数据的代表性、连续性、准确度都无法得到可靠保障。由此可 知，改变传统落后的原型观测模式，提高观测精度，是有效提高模型预报精度及效率的重要 方式之一。
[0003] 近年来，视频测量技术W及数字图像信息处理技术的快速发展为上述问题的解决 提供了思路，相比较其他测量手段，视频测量具有非接触式测量、测量精度高、实时性较强 等特点，在越来越多的领域得到应用。当前该一技术已经在海冰监测领域有了初步尝试，但 是在国内河流冰凌观测中还没有系统的研究与应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种黄河凌巧期流凌密度测量方 法，可大幅度减少人为因素对于流凌密度参数获取的影响，从而使得冰凌预报模型更加准 确。
[0005] -种黄河凌巧期流凌密度测量方法，包括如下步骤：
[0006] (1)采用化encv开源视觉库和C#平台，对摄像机固定视场内的河道区域影像进行 分割提取，作为目标兴趣区域；
[0007] (2)采用二维平面标定法对视场中兴趣区域进行标定；具体标定方法为在河道封 冻期间，将制作好的标定板平坦的放置在河面，位于摄像机视场的中也位置，手动提取影像 中标定板上4个W上关键角点，通过该些角点的像平面坐标和物方坐标，计算得到河道平 面与影像平面之间的单应矩阵，从而确定得到从像方到物方的几何位置关系；
[0008] (3)利用步骤（2)计算出的单应矩阵，对像平面上的兴趣区域进行正射微分纠正， 得到河道平面的正射影像，消除摄像机透视崎变所带来的测量误差，为步骤（4)的目标分 隔做准备；
[0009] (4)在步骤（3)获取的河道平面正射影像上，采用基于主动轮廓模型的目标分割 法，将兴趣区域内的目标冰凌与水面背景区分开来；
[0010] (5)对分割W后的影像，分别统计冰凌目标和水面背景分别所占的比例，计算得到 流凌密度参数；
[0011] (6)搭建面向客户的软件操作平台。
[0012] 步骤（2)中所述标定板长宽均为2. 2米，W防水广告布为原材料，标定板上标记有 4个长1米宽0. 5米的矩形，4个矩形共有12个关键角点，相邻关键角点间的最短距离为 0. 5 米。
[0013] 步骤（2)中，当有四组W上的对应点时，采用最小二乘方法来提高精度。
[0014] 本发明一种黄河凌巧期流凌密度测量方法的优点是：
[0015] 1)测量精度较高，数据代表性强；本发明针对黄河冰凌的自身特点，采用主动轮 廓模型区分水面冰面，分割更为准确；本发明采用数字微分纠正技术，对河道区域进行正射 影像纠正，从而避免了摄像机透视崎变所造成的流凌密度计算误差，因此数据具有较强代 表性；
[001引。通用性强，投资少，操作简便；本发明采用的测量方法可在现有的大多数单目 视频监控系统的基础上完成量测，无需重复投资，没有特殊的技术要求，本发明所采用的单 目视频测量技术与传统的双目立体量测方法相比，具有无需进行匹配，计算过程简单快捷 的特点，最重要的是，可W在许多不具备立体观测条件的环境下完成几何量测的任务；
[0017] 3)工作效率显著提高；本发明可有效改变过去人工观测的模式，可最大化的减少 人为因素的干扰，使用该方法仅需一人即可在短时间内完成流凌密度量测，避免了野外观 测作业风险，大幅减少人力成本，工作效率显著提高；
[0018] 综上所述，本发明采用影像正射纠正技术与主动轮廓分割模型，算法鲁棒性强，目 标分割快速准确，测量结果精确度较现行方法大幅提升，无需特殊测量设备，投资少，操作 简单，可广泛适用于水文站的凌巧期日常水文监测。
【附图说明】
[0019] 图1为标定板的结构示意图。
[0020] 图中，1为标定板，2为关键角点。
【具体实施方式】
[0021] 一种黄河凌巧期流凌密度测量方法，包括如下步骤：
[0022] (1)采用化enCV开源视觉库和C#平台，对摄像机固定视场内的河道区域影像进行 分割提取，作为目标兴趣区域；
[0023] (2)采用二维平面标定法对视场中兴趣区域进行标定；具体标定方法为在河道封 冻期间，将制作好的标定板平坦的放置在河面，位于摄像机视场的中也位置，手动提取影像 中标定板上4个W上关键角点，通过该些角点的像平面坐标和物方坐标，计算得到河道平 面与影像平面之间的单应矩阵，从而确定得到从像方到物方的几何位置关系基于点对应关 系计算单应矩阵；
[0024] (3)利用步骤（2)计算出的单应矩阵，对像平面上的兴趣区域进行正射微分纠正， 得到河道平面的正射影像，消除摄像机透视崎变所带来的测量误差，为步骤（4)的目标分 隔做准备；
[00巧](4)在步骤（3)获取的河道平面正射影像上，采用基于主动轮廓模型的目标分割 法，将兴趣区域内的目标冰凌与水面背景区分开来；
[002引妨对分割W后的影像，分别统计冰凌目标和水面背景分别所占的比例，计算得到 流凌密度参数获取兴趣区域内目标轮廓内像素数与轮廓外的像素数，进行占比计算，获取 流凌密度参数；
[0027] (6)搭建面向客户的软件操作平台。
[002引步骤似中，当有四组W上的对应点时，采用最小二乘方法来提高精度。
[002引标定板的设计：
[0030] 在计算冰凌密度的过程中，我们需要量测河道平面上的长度信息，该需要使用到 单视测量方法，该测量方法的关键就在于得到参考平面与成像平面之间的单应矩阵，而该 矩阵的计算可W通过基于点对应关系来得到。
[0031] 在被观测的河道中没有可W被利用的已知的几何信息，因而需要自制标定板来进 行摄像机定标。在设计标定板的过程中主要考虑了W下几点：
[0032] (1)数据源来自于视频监控系统，由于3G传输费用的制约，获得的原始视频数据 分辨率很低，仅为352*480像素，所W标定板的尺寸不能太小。
[0033] (2)由于需要在开河之前将标定板放置到河道冰面上，因而需要具有防水功能。考 虑到野外作业环境下可能出现的大风情况，标定板还应具有一定的初性。
[0034] (3)由于现场可能会出现遮挡、反光的情况，标定板上可W被识别的点应该多余计 算单应矩阵时的必要观测数。
[0035] 本发明设计的标定板，长宽均为2. 2米，W防水广告布为原材料，轻便易折叠携带 的同时具有较强的初性，不易被损坏。标定板上均匀分布4个长1米宽0. 5米的矩形，共有 12个容易被识别的关键角点，彼此间的最短距离为0. 5米。
[0036] 所述步骤（3)中，兴趣区域正射微分纠正的子步骤如下：
[0037] (1)计算影像的四个角点对应的物方坐标，按照计算出的四个物方坐标确定外接 矩形；
[003引根据透视投影模型，空间中一点Mi狂。Y。Z。1)通过一个3X4的投影矩阵P投影 到二维像平面上，将该像点记为叫相，V。1)，则两者间的几何关系为：
[0039] A nii = PM i = (p 1P2P3P4) 式（1-1)
[0040] 式（1-1)中的入为非零的比例因子。
[00川若Mi化，Y。Z。1)为平面W上一点，并将改平面设为4= 0即X-Y平面，则 Mi 狂。Yi，0, 1)，式（1-1)变为：
[0042]
【主权项】
1. 一种黄河凌汛期流凌密度测量方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 采用OpenCV开源视觉库和C#平台，对摄像机固定视场内的河道区域影像进行分割 提取，作为目标兴趣区域； (2) 采用二维平面标定法对视场中兴趣区域进行标定；具体标定方法为在河道封冻期 间，将制作好的标定板平坦的放置在河面，位于摄像机视场的中心位置，手动提取影像中标 定板上4个以上关键角点，通过这些角点的像平面坐标和物方坐标，计算得到河道平面与 影像平面之间的单应矩阵，从而确定得到从像方到物方的几何位置关系； (3) 利用步骤（2)计算出的单应矩阵，对像平面上的兴趣区域进行正射微分纠正，得到 河道平面的正射影像，消除摄像机透视畸变所带来的测量误差，为步骤（4)的目标分隔做准 备； (4) 在步骤（3)获取的河道平面正射影像上，采用基于主动轮廓模型的目标分割法，将 兴趣区域内的目标冰凌与水面背景区分开来； (5) 对分割以后的影像，分别统计冰凌目标和水面背景分别所占的比例，计算得到流凌 密度参数； (6) 搭建面向客户的软件操作平台。
2. 如权利要求1所述的黄河凌汛期流凌密度测量方法，其特征在于：步骤（2)中所述 标定板长宽均为2. 2米，以防水广告布为原材料，标定板上标记有4个长1米宽0. 5米的矩 形，4个矩形共有12个关键角点，相邻关键角点间的最短距离为0. 5米。
3. 如权利要求1所述的黄河凌汛期流凌密度测量方法，其特征在于：步骤（2)中，当有 四组以上的对应点时，采用最小二乘方法来提高精度。
【专利摘要】一种黄河凌汛期流凌密度测量方法，包括如下步骤：（1）对河道区域影像进行分割提取，作为目标兴趣区域；（2）对视场中兴趣区域进行标定；（3）对兴趣区域进行正射微分纠正，得到河道平面的正射影像；（4）采用基于主动轮廓模型的目标分割法，将兴趣区域内的目标冰凌与水面背景区分开来；（5）对分割以后的影像，分别统计冰凌目标和水面背景分别所占的比例，计算得到流凌密度参数；（6）搭建面向客户的软件操作平台。其优点在于：采用影像正射纠正技术与主动轮廓分割模型，算法鲁棒性强，目标分割快速准确，测量结果精确度较现行方法大幅提升，无需特殊测量设备，投资少，操作简单，可广泛适用于水文站的凌汛期日常水文监测。
【IPC分类】G01C11-00
【公开号】CN104596484
【申请号】CN201510048335
【发明人】李书霞, 徐路凯, 吴玄, 于国卿, 邓宇, 岳瑜素, 谢志刚, 张晓华, 郭晓明, 张宝森, 曾贺, 李建军, 石标钦, 马子普, 李宏伟, 李沛霖, 田治宗, 金巧兰, 吴幸华
【申请人】黄河水利委员会黄河水利科学研究院
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月30日