一種河流泥沙含量的監測設備及其測算方法
2023-05-30 18:31:16 2
一種河流泥沙含量的監測設備及其測算方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種河流泥沙含量的監測設備，該設備包括河岸信息處理機構和河中信息採集機構，河中信息採集機構包括有水樣採集裝置(11、12、13)、圖像拍攝裝置(21、22、23)、信息接收和發出裝置(3)、密封艙(4)和電源(5)，所述的圖像拍攝裝置、信息接收和發出裝置(3)和電源(5)設置在密封艙(4)內；其優點是，改革傳統水文泥沙測量落後技術，提升到遠程自動監測、測量數據準確及時的先進測量技術。
【專利說明】
【技術領域】：
[0001] 本實用新型涉及一種水文監測設備及測量方法，具體講是一種河流泥沙含量的監 測設備及其測算方法。 一種河流泥沙含量的監測設備及其測算方法
【背景技術】：
[0002] 監測河流中泥沙含量是水文監測的一項重要工作內容，它對於預測河流或庫區淤 塞速度和淤塞狀況以及對河流或庫區區域內的生態環境治理、防止水土流失有著重要的指 導意義。目前，對於河流泥沙含量的監測，多數還是採用傳統的燒乾法。所謂燒乾法，即從河 流採集水樣，然後對水樣中的水相進行燒乾，餘下的的泥沙進行稱重，最後進行計算，求得 該河流中的泥沙含量。燒乾法，如果取樣規範、科學合理，其測量數據是比較準確可信。但 是，該方法，所需測量周期長，檢測過程繁瑣、水文工作人員取樣過程勞動強度大，且存在較 大的危險性。這種測量方法已遠遠落後於現代文明和科學進步的要求。 實用新型內容：
[0003] 本實用新型要解決的技術問題之一是，採用了現代計算機、聲像、通訊等技術手 段，提供一種自動化程度高的河流泥沙含量的監測設備。
[0004] 本實用新型要解決的技術問題之二是，利用上述監測設備，以測量河流泥沙含量 的測算方法。
[0005] 本實用新型的技術解決方案之一是，提供一種具有以下結構的河流泥沙含量的監 測設備，該設備包括河岸信息處理機構，其特徵在於，還包括河中信息採集機構，所述的河 岸信息處理機構中包含有信息處理裝置和信息控制裝置，所述的信息處理裝置中安裝有圖 像處理專用軟體和類園型顆粒檢測通用軟體，所述河中信息採集機構包括有水樣採集裝 置、圖像拍攝裝置、信息接收和發出裝置、密封艙和電源，所述的圖像拍攝裝置、信息接收和 發出裝置和電源設置在密封艙內。
[0006] 作為改進和完善，所述的圖像拍攝裝置中設置有X軸、Y軸和Z軸方向三個拍攝裝 置。
[0007] 所述的水樣採集裝置是由進水管、採樣瓶和出水管構成，所述的採樣瓶為透明體。
[0008] 所述的信息接收和發出裝置是由微處理器和控制電路組成。該裝置擔負著接收河 岸信息處理機構中信息控制裝置發出的指令，控制圖像拍攝裝置的拍攝起動或終止，以及 向河岸信息處理機構發出水樣圖像信息。
[0009] 所述的採樣瓶的兩側面還設置有補光燈。
[0010] 本實用新型的技術解決方案之二是，一種利用上述監測設備，以測量河流泥沙含 量的測算方法。該方法的具體步驟如下：
[0011] 1、水樣圖像攝影；要求圖像拍攝裝置中各攝影機在同一時間內必須同步對水樣進 行圖像拍攝；
[0012] 2、圖像傳輸；由信息接收和發出裝置向河岸信息處理機構發出水樣圖像信息；
[0013] 3、圖像處理；
[0014] ①去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對圖像進行去噪處理；
[0015] ②分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對去噪後圖像進行分割處 理；
[0016] ③圖像增強，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對分割後後圖像進行增強 處理；圖像增強是為了更好的將圖像中的泥沙顆粒與背景分開，從而獲取泥沙顆粒的投影 面積比。
[0017] 4、圖像中泥沙含量的測算。通過信息處理裝置中的類園型顆粒檢測通用軟體對圖 像中的泥沙含量進行測算；
[0018] ①圖像的單取；
[0019] ②圖像顆粒粒度分類與計數；對同一時間內各方向同步拍攝的圖像中泥沙顆粒進 行分類並計數；
[0020] ③輸入預先測定的各組的顆粒粒度當量特徵值；各河流的集雨區域內泥質與巖石 質的比重不完全相同，一般對該河流的集雨區域內泥質與巖石質的粒度當量值預先已經測 定；
[0021] ④計算。
[0022] 作為上述測算方法的補充，
[0023] 所述圖像的單取，是指對同一時間內各方向同步拍攝的單楨圖像中泥沙顆粒進行 進行分類並計數，取其平均值；
[0024] 本實用新型具有以下優點：
[0025] 由於本實用新型提供一種自動化程度高的河流泥沙含量的監測設備，採用了現代 計算機、圖像、通訊等技術手段，對河流中的泥沙含量進行計算機處理分折和計算，可以解 決水文監測中對泥沙測量的難題，改革了採用河中取樣、燒乾、稱重、計算的現有傳統水文 泥沙測量落後技術。把現有的現場取樣測量、測量數據延時滯後的測量技術，提升到遠程自 動監測、測量數據準確及時的先進測量技術；把水文測量人員從河中取樣的艱辛和危險，燒 幹、稱重、計算的煩鎖的勞累中解放出來，是水文監測工作的現代文明和進步。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0026] 圖1為本明河流泥沙含量的監測設備中的河中信息採集機構結構示意圖；
[0027] 圖中所示：11、進水管，12、採樣瓶，13、出水管，21、X軸圖像拍攝裝置，22、Y軸圖像 拍攝裝置，23、Z軸圖像拍攝裝置，3、信息接收和發出裝置，4、密封艙，5、電源，6、補光燈，7、 數據線孔，8、固定爪。
【具體實施方式】：
[0028] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明：
[0029] 本實用新型屬一個總的實用新型構思的二個研究開發課題，一是河流泥沙含量的 監測設備，二是利用上述監測設備，以測量河流泥沙含量的測算方法。
[0030] 一種河流泥沙含量的監測設備，該設備包括二個部份，第一部份是河岸信息處理 機構，第二部份是河中信息採集機構，見附圖1。河岸信息處理機構的主要是現代計算機， 該計算機內包含有信息處理裝置和信息控制裝置，所述的信息處理裝置中安裝有圖像處理 專用軟體和類園型顆粒檢測通用軟體；河中信息採集機構包括有水樣採集裝置、圖像拍攝 裝置、信息接收和發出裝置3、密封艙4和電源5 ;所述的圖像拍攝裝置包括數碼攝像機，所 述的數碼攝像由機信息接收和發出裝置3中的微處理器控制。所述的圖像拍攝裝置、信息 接收和發出裝置3和電源5設置在密封艙4內。所述的圖像拍攝裝置中設置有以採樣瓶為 中心點的三維坐標，即X軸、Y軸和Z軸方向的三個拍攝裝置21、22、23。三個拍攝裝置21、 22、23的對焦點為採樣瓶12的中心點。所述的水樣採集裝置是由進水管11、採樣瓶12和 出水管13構成，所述的採樣瓶12為透明體。所述的信息接收和發出裝置3是由微處理器 和控制電路組成。該裝置擔負著接收河岸信息處理機構中信息控制裝置發出的指令，控制 圖像拍攝裝置21、22、23的拍攝起動或終止，以及向河岸信息處理機構發出水樣圖像信息。 所述的採樣瓶12的兩側面還設置有補光燈6,在密封艙的艙壁上還設置有數據線孔7,用於 信息傳輸線穿入密封艙4內。在密封艙4的下面還設置有固定爪8,通過固定爪8將河中信 息米集機構固定在鉛魚內。
[0031] 一種利用上述監測設備，以測量河流泥沙含量的測算方法。該方法的具體步驟如 下：
[0032] 1、水樣圖像拍攝；要求圖像拍攝裝置中各拍攝裝置在同一時間內必須同步對水樣 進行圖像拍攝；
[0033] 2、圖像傳輸；由信息接收和發出裝置通過有線或無線向河岸信息處理機構發出水 樣圖像信息；
[0034] 3、圖像處理；
[0035] (1)去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對圖像進行去噪處理； 所謂圖像中的噪聲，是指來自各種幹擾因素影響圖像拍攝效果的因子，如光照、圖中景物背 景分辯率等。圖像中的噪聲主要為加性噪聲和乘性噪聲，所謂加性噪聲是在圖像在傳輸過 程中產生的幹擾而圖像的像素發生某些變化，而乘性噪聲是在圖像在拍攝過程中受到光照 等因素的影響而產生的像素些許變化。例如，在圖像中泥沙顆粒是呈現黑色像素，而採樣瓶 中的有機物，例如藻類及苔蘚類對光線的吸收較好，因此它們所形成的陰影沒有泥沙顆粒 的陰影這麼明顯，因此必須對該水樣圖像進行去噪處理，凸顯泥沙顆粒在圖像中的態。
[0036] (2)分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對去噪後圖像進行分割 處理；
[0037] 河流泥沙圖像中，我們感興趣的即為泥沙本身，為了將其提取出來，對於降噪後的 圖像，選擇二值化處理使其成為黑白兩色圖像，在利用圖像分割方法將泥沙顆粒從圖像中 分割出來。
[0038] (3)圖像增強，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對分割後後圖像進行增 強處理；圖像增強是為了更好的將圖像中的泥沙顆粒與背景分開，從而獲取泥沙顆粒的投 影面積比。
[0039] (4)圖像中的顆粒特徵提取；
[0040] 4、圖像中泥沙顆粒含量的測算。通過信息處理裝置中的類園型顆粒檢測通用軟體 對圖像中的泥沙含量進行測算；
[0041] (1)圖像顆粒粒度分類與計數；對同一時間內各方向同步拍攝的圖像中泥沙顆粒 進行分類並計數；是指對同一時間內各方向同步拍攝的單楨圖像中泥沙顆粒進行進行分類 並計數，取其平均值；
[0042] (2)輸入預先測定的各組的顆粒粒度當量特徵值；各河流的集雨區域內泥質與巖 石質的比重不完全相同，一般對該河流的集雨區域內泥質與巖石質的粒度當量值預先已經 測定；
[0043] (3)計算。通過計算，其結果可以採用二種表達方式，一種是重量百分比表達方式， 另一種是體積百分比表達方式。
[0044] 具體使用舉例：
[0045] 1、水樣圖像拍攝；在一個測量面上安裝有高架循環索道纜，循環索道纜上設置有 鉛魚設備，河中信息採集機構安裝在鉛魚設備內。按照測量規範要求，在不同位置及不同深 度，由高架循環索道纜控制將河中信息採集機構沉入水中，由河岸信息處理機構中的信息 發出裝置，通過有線或無線方式發出圖像採集指令，河中信息採集機構由信息接收裝置接 收圖像採集指令，同時對經進水管流過採集瓶的流水使用數位相機進行同步圖像採集。
[0046] 2、圖像傳輸；河中信息採集機構由信息發出裝置，通過有線或無線方式，向河岸信 息處理機構發出上傳圖像信息請求，河岸信息處理機構由信息發出裝置回復應答信號，河 中信息採集機構由信息發出裝置，通過有線或無線方式向河岸信息處理機構上傳圖像，河 岸信息處理機構接收到圖像數據後，存儲在計算機內。
[0047] 3、圖像處理；
[0048] (1)去噪處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體，採用高斯中值非線性濾 波器去噪。步驟如下：
[0049] ①打開圖像處理專用軟體，將軟體模板與採集圖像位置重合；
[0050] ②讀取各對應的採集圖像像素點的灰度值；
[0051] ③對這些灰度值排序，求出中間的灰度值：
[0052] ④將求得的中間灰度值賦給模板對應的中心位置的像素；
[0053] ⑤在圖中漫遊，直到遍歷圖像中的所有像素點。
[0054] ⑥得到去噪後的圖像
[0055] (2)分割處理，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對去噪後圖像使用迭代 方法選取閾值進行分割處理；在初始條件中設一個閾值，在對圖像的迭代運算中不斷地更 新這一閾值，以得到最佳閾值。初始閾值取灰度平均值，這樣，以平均值分割圖像後，計算分 割後的2類區域的平均值，低於初始閾值區域的平均值記為T1，另一區域的均值計為T0,然 後計算（T1+T0)/2,並以此作為新的閾值，重複上述步驟，直到計算的閾值不在變化，這時就 得到了最佳閾值，迭代停止。以T0作為初始閾值的估計，則迭代中閾值的k次計為： J^ih[i]d Y,jh[j]d
[0056] Τκ = ^- + ^- 2￡"W 2 |>·] /=0 ；=Λ-Ι+1
[0057] 式中h是圖像灰度直方圖。同樣當Τκ = Τκ+1時迭代停止，1就是得到的最佳閾值。
[0058] (3)圖像增強，通過信息處理裝置中的圖像處理專用軟體對分割後後圖像進行增 強處理；圖像增強是為了更好的將圖像中的泥沙顆粒與背景分開，從而獲取泥沙顆粒的投 影面積比。
[0059] (4)圖像中的顆粒特徵提取；特徵提取採用圓形度來表徵顆粒的形狀。
[0060] 4、圖像中泥沙顆粒含量的測算：
[0061] (1)圖像顆粒粒度分類與計數；對同一時間內各方向同步拍攝的圖像中泥沙顆粒 進行分類並計數；是指對同一時間內各方向同步拍攝的單楨圖像中泥沙顆粒進行進行分類 並計數，取其平均值；
[0062] ①分類，利用類園型顆粒檢測通用軟體對圖像中的泥沙顆粒採用採用線掃描法進 行分類標號；
[0063] ②計數，利用類園型顆粒檢測通用軟體對圖像中的各類泥沙顆粒進行統計；
[0064] 對顆粒進行標號之後，分別統計出不同標號在圖像中所佔的數目，就代表著不同 顆粒所佔的像素數，也就可以得到顆粒的面積大小。
[0065] (2)輸入顆粒粒度當量特徵值；
[0066] 輸入預先測定的各組的顆粒粒度當量特徵值；各河流的集雨區域內泥質與巖石 質的比重不完全相同，一般對該河流的集雨區域內泥質與巖石質的粒度當量值預先已經測 定；
[0067] (3)計算：
[0068] 利用類園型顆粒檢測通用軟體中的已設定的公式，按照上述步驟中已經得到的圖 像顆粒粒度的分類與數量，及輸入顆粒粒度當量特徵值對同一時間內各方向同步拍攝的圖 像中泥沙顆粒進行分類並計數；是指對同一時間內各方向同步拍攝的單楨圖像中泥沙顆粒 進行分類並計數，取其平均值；
[〇〇69] 通過計算，其結果可以採用二種表達方式，一種是重量百分比表達方式，另一種是 體積百分比表達方式。
【權利要求】
1. 一種河流泥沙含量的監測設備，該設備包括河中信息採集機構，其特徵在於，所述河 中信息採集機構包括有水樣採集裝置（11、12、13)、圖像拍攝裝置（21、22、23)、信息接收和 發出裝置（3)、密封艙（4)和電源（5)，所述的圖像拍攝裝置（21、22、23)、信息接收和發出裝 置⑶和電源（5)設置在密封艙⑷內。
2. 如權利要求1所述的一種河流泥沙含量的監測設備，其特徵在於，所述的圖像拍攝 裝置中設置有X軸、Y軸和Z軸方向三個拍攝裝置（21、22、23)。
3. 如權利要求1所述的一種河流泥沙含量的監測設備，其特徵在於，所述的水樣採集 裝置是由進水管（11)、採樣瓶（12)和出水管（13)構成，所述的採樣瓶（12)為透明體。
4. 如權利要求1所述的一種河流泥沙含量的監測設備，其特徵在於，所述的採樣瓶 (12)的兩側面還設置有補光燈（6)。
【文檔編號】G01N35/00GK203881780SQ201420290677
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月24日 優先權日:2014年5月24日
【發明者】肖英, 朱兵, 彭宣戈, 袁波, 彭蕾 申請人:肖英