CN107421510A - 一种水文监测设备及方法 - Google Patents

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顾琦
蔡旭
段哲古
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Abstract

本发明公开了一种水文监测设备及方法。该水文监测设备包括：处理器、图像采集装置、补光灯；所述图像采集装置与所述处理器电连接；所述图像采集装置用于采集被监测水域的图像信息或视频信息；所述补光灯与所述处理器电连接；所述处理器用于根据外部光线强度以控制所述补光灯的启闭；还用于将所述图像采集装置采集到的图像信息或视频信息进行处理并转换为数字信息。采用本发明的水文监测设备或方法能够提高对水文监测的精度，本发明所提供的水文监测设备的适用性高。

Description

一种水文监测设备及方法
技术领域
本发明涉及水文监测领域，特别是涉及一种水文监测设备及方法。
背景技术
当前水安全和水资源问题已经成为影响社会和经济发展的重要因素之一，目前国内许多水文站监测水位采用人工方法(包括人工识别水尺和水尺图像)、传统传感器来检测水位，人工方法不但存在监测人员的人身安全问题，而且操作繁琐，存在人为误差，从而导致监测的数据不准确，并且如果需要实时监测，会浪费大量人力物力，实时性低；传统水位计包括浮子式水位计、压力式水位计、气介或液介式水位计，而传统水位计在不同环境下有着不同的应用，成本高，适应性低。
发明内容
本发明的目的是提供一种水文监测设备，能够解决现有技术中存在的监测数据误差大、适应性低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水文监测设备，包括：处理器、图像采集装置、补光灯；
所述图像采集装置与所述处理器电连接；所述图像采集装置用于采集被监测水域的图像信息或视频信息；所述补光灯与所述处理器电连接；
所述处理器用于根据外部光线强度以控制所述补光灯的启闭；还用于将所述图像采集装置采集到的图像信息或视频信息进行处理并转换为数字信息。
可选的，所述水文监测设备，还包括：通讯模块；
所述通讯模块与所述处理器电连接；所述通讯模块用于所述处理器和所述水文监测设备外接的远程客户端之间的信息通讯。
可选的，所述水文监测设备，还包括：壳体、前面板、后面板；
所述前面板与所述壳体相扣合；所述后面板设于所述前面板的对立面并与所述壳体相扣合，所述前面板、所述壳体及所述后面板组成一个封闭空间；
所述封闭空间内容置有所述处理器和所述通讯模块。
可选的，所述补光灯设置在所述前面板上；所述补光灯为大功率红外补光灯。
可选的，所述水文监测设备设于被监测水域的高架上，通过所述图像采集装置对所述被监测水域实时进行图像采集。
可选的，所述图像采集装置为互补金属氧化物半导体图像传感器、图像控制器。
可选的，所述互补金属氧化物半导体图像传感器的图像采集频率为12帧/s；识别水位误差：±0.1cm。
可选的，所述水文监测设备，还包括：快闪记忆体、双倍速率同步动态随机存储器、以太网模块和实时时钟；
所述快闪记忆体、所述双倍速率同步动态随机存储器、所述以太网模块和所述实时时钟设置在所述封闭空间内；
所述快闪记忆体与所述处理器相连接；
所述双倍速率同步动态随机存储器与所述处理器相连接；
所述以太网模块与所述处理器相连接；
所述实时时钟与所述处理器相连接，所述实时时钟用于为所述水文监测设备提供精确的时间基准，还用于当主电源掉电时，为后续电路提供稳定的时序信号。
可选的，所述通讯模块包括：RS485电路、RS232电路。
一种水文监测方法，所述方法应用上述的水文监测设备，所述水文监测设备包括：处理器、图像采集装置、补光灯；
所述图像采集装置与所述处理器电连接；所述图像采集装置用于采集被监测水域的图像信息或视频信息；所述补光灯与所述处理器电连接；
所述处理器用于根据外部光线强度以控制所述补光灯的启闭；还用于将所述图像采集装置采集到的图像信息或视频信息进行处理并转换为数字信息；
所述监测方法，包括：
获取所述图像采集装置采集的图像信息或视频信息；当外部光线强度低时，打开补光灯为所述图像采集装置进行光线补偿；
通过所述图像的梯度特征对所述图像信息或视频信息进行训练，得到训练模型；
根据所述训练模型进行检测，得到定位水面特征；
根据水面坐标关系将所述定位水面特征转化成实际水位特征；所述实际水位特征包括水位数据、水质数据、水体颜色；
将所述实际水位特征转换为数字信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过获取所述互补金属氧化物半导体图像传感器采集的图像信息，将该图像信息发送至所述处理器，由处理器对图像信息进行初步分析并转换成数字信息通过相应的接口发送到本发明所提供的水文监测设备的外接设备，实现信息通讯，从而不需要再进行人工监测，不仅降低了人为监测数据的误差，提高了监测的精确度，还不需要针对不同水域情况选择不同的水位计，适用性高。
此外，本发明所提供的水文监测设备可以实时精确监测河流、湖泊的水位变化、水颜色、水污染及漂浮物等，达到提前预报、实时预防的目的，从而大大减少洪涝灾害引起的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的水文监测设备的结构图；
图2为本发明实施例所提供的水文监测设备的左视图；
图3为本发明实施例所提供的水文监测设备的右视图；
图4为本发明实施例所提供的水文监测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水文监测设备，能够精准的监测数据，使得该水文监测设备的适用性高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的水文监测设备的结构图，如图1所示，一种水文监测设备，包括：处理器101、图像采集装置102、补光灯103；
所述图像采集装置与所述处理器电连接；所述图像采集装置用于采集被监测水域的图像信息或视频信息；所述补光灯与所述处理器电连接；
所述处理器用于根据外部光线强度以控制所述补光灯的启闭；还用于将所述图像采集装置采集到的图像信息或视频信息进行处理并转换为数字信息。
在实际应用中，所述水文监测设备，还包括：通讯模块；
所述通讯模块与所述处理器电连接；所述通讯模块用于所述处理器和所述水文监测设备外接的远程客户端之间的信息通讯。
采用本发明所提供的水文监测设备无需配备其他辅助识别设备，通过处理器对图像采集装置所采集的图像信息或视频信息进行处理并转化为数字信息，将所述数字信息发送至远程客户端，所述数字信息可以以柱形图或数据表的形式在远程客户端上显现出来，从而能够直接分析水文数据，精确测得的水位数据、水体颜色、水污染及漂浮物，不仅能够实时观察水位状况，还能够有效降低设备成本；采用本发明所提供的补光灯设置，使得在夜间也可以采集图片信息或视频信息，在光线不良的情况下也能够得到光线补偿，从而实现24小时采集图片信息或视频信息。
在实际应用中，所述水文监测设备设于被监测水域的高架上，通过所述图像采集装置对所述被监测水域实时进行图像采集；
所述水文监测设备，还包括：壳体、前面板、后面板；所述前面板与所述壳体相扣合；所述后面板设于所述前面板的对立面并与所述壳体相扣合，所述前面板、所述壳体及所述后面板组成一个封闭空间；所述封闭空间内容置有所述处理器和所述通讯模块。
将所述处理器和所述通讯模块设置在封闭空间内能够有效增加处理器及通讯模块的使用寿命。
在实际应用中，所述补光灯设置在所述前面板上；所述补光灯可以为大功率红外补光灯、LED灯等；所述补光灯通过输入/输出接口与所述处理器相连接；其中，图像采集装置与补光灯并行设于前面板上。
在实际应用中，图2为本发明实施例所提供的水文监测设备的左视图，图2中包括图像采集装置，如图2所示，所述图像采集装置为互补金属氧化物半导体图像传感器、图像控制器；所述图像采集装置通过集成电路总线或输入/输出接口与所述处理器相连接；其中，采用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器采集时，将所述互补金属氧化物半导体图像传感器的图像采集频率设置为12帧/s；识别水位误差设置为±0.1cm，采用CMOS图像传感器采集图像，成本低、适应性高、实时性高、识别速度快，不受水流水压影响。
在实际应用中，所述水文监测设备，还包括：快闪记忆体、双倍速率同步动态随机存储器(Dual Data Rate，DDR)、以太网模块和实时时钟；所述快闪记忆体(NAND FLASH)、所述双倍速率同步动态随机存储器、所述以太网模块和所述实时时钟设置在所述封闭空间内；所述快闪记忆体通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)与所述处理器相连接；所述双倍速率同步动态随机存储器通过SPI接口与所述处理器相连接；所述以太网模块通过SPI接口与所述处理器相连接；所述实时时钟通过SPI接口与所述处理器相连接，所述实时时钟用于为所述水文监测设备提供精确的时间基准，还用于当主电源掉电时，为后续电路提供稳定的时序信号，图3为本发明实施例所提供的水文监测设备的右视图，如图3所示，图3中包括多个接口，具体为USB接口301、RS485接口302、I/O接口303、网口304、存储卡卡槽305。
在实际应用中，所述通讯模块包括：RS485电路、RS232电路。
所述水文监测设备的以太网模块通过SPI与远程客户端连接，实现硬件软件的模块化。基于图像的水文监测设备通过以太网模块和远程客户端之间通讯实现上传和下载数据。
所述水文监测设备的COMS图像传感器的通过I2C接口和I/O接口与远程客户端连接，通过COMS图像传感器获取图像并提供给处理器，水文监测设备采用水利水位图像识别算法，处理流程：水尺标定、设定感兴趣区域、对图像进行增强处理、定位水尺位置：训练(通过梯度特征进行训练)，通过训练model进行检测定位、定位水面：通过图像均衡化和连通域特征定位水面、通过水面坐标关系转换实际水位，图像通过RS485发送到水文遥测终端。
所述水文监测设备数据传输存储装置提供多样的选择：所述传输装置，包括以太网模块、RS485/RS232、USB电路、存储卡模块；所述存储装置包括存储卡模块、NAND FLASH和DDR。所述处理器连接NAND FLASH、DDR模块和存储卡数据存储器，实现数据的读写。处理器连接RS485总线电路，通过RS485/RS232可以与外部设备通讯。
本发明所提供的水文监测设备的工作过程如下：
步骤一：当基于图像识别的水文监测设备***启动后，开启***控制服务进行***初始化和驱动加载等，开启参数配置服务同步多线程进行参数设置操作。
步骤二：基于图像识别的水文监测设备启动后进入开启图像采集服务采集图像为图像回传和图像识别提供图像数据，开启图像识别服务分析实时水位信息。
步骤三：图像识别处理完成后开启串口通信服务和网络通信服务方便设置***参数、回传水位图像和水位数据。
步骤四：检测到的数据通过RS485传输到其他设备，并存在NAND FLASH、DDR模块和存储卡。
步骤五：远程客户端控制RS485通讯模块实时上传下载数据，在空闲时可以下载程序，也可以通过USB接口、存储卡和RS232接口由外部通讯设备上传下载数据同时可以下载程序。
图4为本发明实施例所提供的水文监测方法流程图，如图4所示，一种水文监测方法，包括：
步骤401：获取所述图像采集装置采集的图像信息或视频信息；当外部光线强度低时，打开补光灯为所述图像采集装置进行光线补偿；
步骤402：通过所述图像的梯度特征对所述图像信息或视频信息进行训练，得到训练模型；
步骤403：根据所述训练模型进行检测，得到定位水面特征；
步骤404：根据水面坐标关系将所述定位水面特征转化成实际水位特征；所述实际水位特征包括水位数据、水质数据、水体颜色；
步骤405：将所述实际水位特征转换为数字信息。
在步骤402之前，还包括：
确定所述图像的图像检测区域；
对所述图像检测区域增强处理，得到增强后的检测区域；
定位所述增强后的检测区域的水尺位置。
采用本发明所提供的水文监测方法能够实时的精确监测河流、湖泊的水位变化、水颜色、水污染及漂浮物等，达到提前预报、实时预防的目的，从而大大减少洪涝灾害引起的损失。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种水文监测设备，其特征在于，包括：处理器、图像采集装置、补光灯；
所述图像采集装置与所述处理器电连接；所述图像采集装置用于采集被监测水域的图像信息或视频信息；所述补光灯与所述处理器电连接；
所述处理器用于根据外部光线强度以控制所述补光灯的启闭；还用于将所述图像采集装置采集到的图像信息或视频信息进行处理并转换为数字信息。
2.根据权利要求1所述的水文监测设备，其特征在于，所述水文监测设备，还包括：通讯模块；
所述通讯模块与所述处理器电连接；所述通讯模块用于所述处理器和所述水文监测设备外接的远程客户端之间的信息通讯。
3.根据权利要求1所述的水文监测设备，其特征在于，所述水文监测设备，还包括：壳体、前面板、后面板；
所述前面板与所述壳体相扣合；所述后面板设于所述前面板的对立面并与所述壳体相扣合，所述前面板、所述壳体及所述后面板组成一个封闭空间；
所述封闭空间内容置有所述处理器和所述通讯模块。
4.根据权利要求3所述的水文监测设备，其特征在于，所述补光灯设置在所述前面板上；所述补光灯为大功率红外补光灯。
5.根据权利要求1所述的水文监测设备，其特征在于，所述水文监测设备设于被监测水域的高架上，通过所述图像采集装置对所述被监测水域实时进行图像采集。
6.根据权利要求5所述的水文监测设备，其特征在于，所述图像采集装置为互补金属氧化物半导体图像传感器、图像控制器。
7.根据权利要求6所述的水文监测设备，其特征在于，所述互补金属氧化物半导体图像传感器的图像采集频率为12帧/s；识别水位误差：±0.1cm。
8.根据权利要求3所述的水文监测设备，其特征在于，所述水文监测设备，还包括：快闪记忆体、双倍速率同步动态随机存储器、以太网模块和实时时钟；
所述快闪记忆体、所述双倍速率同步动态随机存储器、所述以太网模块和所述实时时钟设置在所述封闭空间内；
所述快闪记忆体与所述处理器相连接；
所述双倍速率同步动态随机存储器与所述处理器相连接；
所述以太网模块与所述处理器相连接；
所述实时时钟与所述处理器相连接，所述实时时钟用于为所述水文监测设备提供精确的时间基准，还用于当主电源掉电时，为后续电路提供稳定的时序信号。
9.根据权利要求1所述的水文监测设备，其特征在于，所述通讯模块包括：RS485电路、RS232电路。
10.一种水文监测方法，所述方法应用于权利要求1-9任一项的水文监测设备，所述水文监测设备包括：处理器、图像采集装置、补光灯；
所述图像采集装置与所述处理器电连接；所述图像采集装置用于采集被监测水域的图像信息或视频信息；所述补光灯与所述处理器电连接；
所述处理器用于根据外部光线强度以控制所述补光灯的启闭；还用于将所述图像采集装置采集到的图像信息或视频信息进行处理并转换为数字信息；
所述监测方法，包括：
获取所述图像采集装置采集的图像信息或视频信息；当外部光线强度低时，打开补光灯为所述图像采集装置进行光线补偿；
通过所述图像的梯度特征对所述图像信息或视频信息进行训练，得到训练模型；
根据所述训练模型进行检测，得到定位水面特征；
根据水面坐标关系将所述定位水面特征转化成实际水位特征；所述实际水位特征包括水位数据、水质数据、水体颜色；
将所述实际水位特征转换为数字信息。
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