CN109564118A

CN109564118A - 用于确定水道的流量的方法

Info

Publication number: CN109564118A
Application number: CN201780045543.7A
Authority: CN
Inventors: 安德雷·施通普夫; 埃曼努埃尔·奥格热罗; 克勒斯托弗·德拉科特
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Univerdite de Bretagne Occidentale
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Univerdite de Bretagne Occidentale
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2019-04-02
Also published as: FR3051902B1; JP2019522185A; FR3051901A1; EP3465100A1; CA3025944A1; FR3051902A1; WO2017203179A1

Abstract

本发明涉及一种用于由现场的摄像机捕获的图像确定通过水道的观察位置处的水道的截面(或横断面)的流量的方法。该方法具体包括在枯水期测量(E1，E2，E3)观察位置的地形以生成地形的数字模型的步骤，通过提取由摄像机捕获的图像中的有水区域并叠加有水区域和地形的数字模型来确定(E4)截面处的水面高度的步骤，确定(E5)截面处存在的水柱中的流动速度的步骤，以及由所述流动速度、由所述水面的高度和由地形数字模型确定(E6)通过截面的水的流量的步骤。

Description

用于确定水道的流量的方法

技术领域

本发明涉及用于通过捕获和处理图像来确定水道的流量的方法。这种流量的确定或测量是水道监测的框架的一部分。本发明更具体地应用于监测具有活动河床的河流。

背景技术

已知专利FR2993683涉及通过成像确定与水面相关联的观测参数的方法。这种方法需要使用可视化支持件，如水位标尺(limnimetric scale)，其至少部分地浸没以确定在水道某点处的水面高度。水的高度通过捕获并处理来自这种可视化支持的图像来确定。

问题是当水位上涨时这种可视化支持可能劣化或移位。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于确定水道的流量的方法，其不需要在水道中浸没任何可视化支持或者仪器。

本发明的目的是提出一种使得可以规律地并容易地测定具有活动河床的水道的流量的方法，特别是当水位上涨时。根据本发明，通过捕获和处理图像来确定流量。通过评估一秒内流入水道的一个或若干个截面(或横断面)的水的体积来计算流量。由在该截面处的流动的流动速度、水道的底部的形态以及水面的高度来计算流量。

为此目的，本发明涉及一种用于测定穿过水道(特别是具有活动河床的水道)的至少一个截面的流量的方法，所述至少一个截面存在于水道的所谓观测位置中，流量的所述确定通过使用至少一个摄像机捕获观测位置的图像来进行，所述图像中的每个点具有在图像参考中的图像坐标，

所述方法包括以下步骤：

-在预备阶段期间，

·为所述至少一个摄像机确定所谓的转换模型，用于将由摄像机所提供的图像中点的图像坐标转换成坐标的地图***中的地图坐标，并且相反地，用于将点的地图坐标转换成摄像机的图像参考中的图像坐标，

·测量观测位置在枯水期的地势，优选地当水道干涸时，以生成其点在地图坐标***中被参考的观测位置的地理参考地形的数字模型，

·借助于摄像机的所述转换模型转换在图像参考中的地理参考地形的数字模型，以这种方式生成所谓的图像地形的数字模型，

-在所谓的观测阶段期间，

·通过提取由摄像机捕获的图像中的有水区域并叠加所述有水区域和所述图像地形的数字模型，确定在所述至少一个截面处的水面的高度，

·确定存在于所述至少一个截面中的水柱中的流动速度，以及

·由所述流动速度、所述水面的高度以及由图像地形的数字模型，确定穿过所述至少一个截面的水的流量。

根据具体实施方式，每个摄像机的转换模型通过以下步骤生成：

-通过大地测量获取存在于观测位置的参考点的地图坐标，

-由所述摄像机捕获包括所述参考点的所述观测区域的至少一个图像，以及

-通过使图像中参考点的图像坐标与所述参考点的地图坐标相关联来生成所述摄像机的转换模型。

参考点是例如在预备阶段期间均匀分布在观测位置的反射目标。

根据具体实施方式，参考点的地图坐标通过具有厘米精度的测量工具来提供，如差分GPS接收机(或DGPS)或视距仪。

根据具体实施方式，地理参考地形的数字模型通过立体摄影测量根据以下步骤生成：

-通过立体摄影测量法从由存在于观测位置的至少两个摄像机所捕获的图像在相对坐标系中生成观测位置的地形的数字模型，所述捕获的图像包括其地图坐标预先确定的参考点，以及

-通过将相对坐标系中的所述参考点的坐标与所述参考点的地图坐标相关联来对地形的数字模型进行地理参考。

参考点可以是用于生成(临时或非临时的)其地图坐标是已知的转换模型或其他参考点的参考点。

根据可替换的实施方式，观察位置的地形的数字模型不是由观察位置的摄像机捕获的图像生成的。根据该可替换的实施方式，数字地形模型(DTM)是通过具有更好的分辨率的图像，例如由操作员使用数码摄像机捕获的图像(或照片)的立体摄影测量生成的。在此，地理参考地形的数字模型通过立体摄影测量根据以下步骤生成：

-通过立体摄影测量从由捕获装置如数码摄像机捕获的观察位置的图像在相对坐标系中生成观察位置的地形的数字模型，来自捕获装置的所述图像具有的分辨率大于来自观察位置的摄像机的图像的分辨率，所述捕获的图像还包括其地图坐标预先确定的参考点，以及

根据具体实施方式，在所述截面上存在的水柱中的流动速度由应用于存在于水面上的追踪物，如泡沫的点和/或小波浪的粒子图像测速(PIV)技术来确定，以确定捕获的图像中的表面上的流动速度，然后通过对表面上的流动速度应用预定的模型来确定存在于所述截面的水柱中的流动速度。该预定模型例如是配置有原位测量的经验模型。

根据具体实施方式，水面的高度通过以下步骤来确定：

-提取摄像机捕获的图像中的有水区域，以及

-以使得仅保留对应于提取的有水区域的图像地形的数字模型的部分，截面处的水面的高度对应于截面处的图像地形的数字模型的最高点的方式将提取的水域和图像地形的数字模型叠加。

根据具体实施方式，通过检测图像中的运动区域在图像中检测有水区域。

根据具体实施方式，该方法有利地包括检测图像中的植被区域的附加步骤，所述植被区域从运动区域推导出以形成有水区域。因此检测到的有水区域更可靠。

根据可替换的实施方式，通过计算图像的像素的方差和平均亮度来在图像中检测有水区域，有水区域对应于平均方差和发光度大于预定阈值的像素。

本发明还涉及一种仅包括测定水道的截面(或横断面)处水面高度的方法。为此目的，本发明还涉及一种用于确定水道的至少一个截面处的水面高度的方法，所述截面存在于所谓的水道的观察位置处，通过使用至少一个摄像机捕获观察位置的图像来进行高度的所述确定，所述图像的每个点在图像参考中具有图像坐标，

所述方法包括以下步骤：

-在初步的所谓的地理参考阶段中，

·为所述至少一个摄像机确定所谓的转换模型，用于将由摄像机所提供的图像中的点的图像坐标转换成地图坐标系中的地图坐标，以及相反地，用于将点的地图坐标转换成摄像机的图像参考中的图像坐标，

·测量观测位置在枯水期的地势，优选地当水道干涸时，以生成其点在地图坐标统中被参考的观测位置的地理参考地形的数字模型，

·借助于摄像机的所述转换模型转换图像参考中的地理参考地形的数字模型，以这种方式生成所谓图像地形的数字模型，

-在所谓的观测阶段期间，

·提取摄像机捕获的图像中的有水区域，以及

·将提取的水域和图像地形的数字模型叠加，以这种方式只保留与提取的有水区域相对应的地形的数字模型部分，截面处的水面的高度对应于截面处的图像地形的数字模型的最高点。

附图说明

-图1是水道的截面的示意图，通过其测量水道的流量，

-图2是示出本发明的方法的步骤的流程图，和

-图3a和图3b示出了转换模型。

具体实施方式

本发明将在从由跨越所述水道的桥梁的平台上布置的摄像机捕获的图像确定水道的流量的框架中描述。使用的摄像机例如是通常用于监视应用的摄像机。

根据本发明，通过评估在在一秒内流入水道C的一个或多个截面S中的水的体积来计算流量，如图1所示。根据本发明，计算的流量来自水流的流动速度、水道底部的形态和该截面处水面的高度。

图2是总结了本发明的方法的步骤的图。其包括标记为E1到E5的五个步骤。步骤E1和步骤E2在初步的所谓的地理参考阶段期间进行，并且步骤E3至步骤E5在水道的观察(或监测)阶段期间进行。

更具体地，该方法包括以下步骤：

-步骤E1：确定位置的每个摄像机的转换模型；

-步骤E2：在枯水期测量观测位置的地形；

-步骤E3：确定每个截面处的水面高度，

-步骤E4：确定每个截面上存在的水柱中的流动速度，和

-步骤E5：确定通过每个截面的水的流量。

根据本发明，在步骤E3至步骤E5中进行的计算在安装在观察位置上的摄像机的图像参考中进行。

步骤E1：确定位置的每个摄像机的转换模型

对于通过成像进行的任何物理计算，有必要对图像进行地理参考，以知道图像的每个像素在地面上的保持(hold)以及它们在地图参考中的实际分辨率。

对于该步骤，在观察位置上布置若干临时参考点，例如反射目标。这些临时参考点有利地均匀地分布在观察位置上。使用大地测量工具，如视距差分GPS(也称为DGPS差分全球定位***)测量这些临时参考点的地图位置。

然后使用布置在位置上的一个或多个摄像机捕获包括所述临时参考点的观察位置的若干图像。然后可获得临时参考点的地图坐标(由大地测量工具提供)以及这些临时参考点在由摄像机提供的每个图像的参考图像中的图像坐标。根据本发明，然后推导出每个摄像机的转换模型，其使得可以的图像中的图像点的图像坐标转换成地图参考中的地图坐标。

该模型使得可以确定每个图像像素的在地面上的保持。

生成的转换模型如图3a至图3b示出。图3a是在摄像机的图像坐标系中显示的观察位置的图像，且图3b示出了将转换模型应用于图3a的图像而在地图坐标系中投影的相同图像。

步骤E2：在枯水期测量观测位置的地形

测量观察位置的地形是在枯水期进行的，优选在水道干涸时进行。此步骤的目的是生成数字地形模型或DTM。

该步骤通过立体摄影测量法进行。该技术基于立体视觉原理。从不同视点获取的相同对象的两个图像使得可以重建该对象的三维几何形状。将图像相关，以在它们之间搜索相应点(homologous point)。测量这些相应点之间的偏移使得可以计算它们在三维中的位置。然后获得的结果是散点图，然后对其进行插值以获得地形的数字模型。

用于立体摄影测量的图像包括其地图坐标是已知的临时或非临时参考点。这些点例如是已经用于生成转换模型的点。它们例如是由安装在桥的平台上的摄像机捕获的图像。

在实践中，首先，在相对坐标系中，通过由桥的摄像机捕获的图像的立体摄影测量产生观察位置的地形的数字模型。然后，通过将相对坐标系中的参考点的坐标与所述参考点的地图坐标相关联来对生成的DTM进行地理参考。

注意，摄像机在桥上的定位及其分辨率(相当低)并不总是使得可以在相关点之间进行良好的相关，其对于立体摄影测量计算来说是必不可少的。

因此，根据有利实施方式，用于该步骤的图像由数码摄像机生成，其分辨率大于摄像机的分辨率，例如大约至少一千万像素。每N米的X张照片(或图像)(或每个位置处的X张照片)例如由沿着桥移动的操作员来捕获。这些X照片更优选地以不同的视角(在垂直平面中)捕获，以这种方式覆盖桥上游的扩展区域。

在第一步中通过由数码摄像机捕获的图像的立体摄影测量在相对坐标系中计算DTM。然后，通过将相对坐标系中的参考点的坐标与所述参考点的地图坐标相关联来对该DTM进行地理参考。

步骤E3：测量水面的高度

该步骤可以至少部分地与测量流动速度的步骤E4并行地进行。

在该方法中，认为沿截面水面的高度基本相同。术语水面高度是指正交坐标系(O，x，y，z)中坐标z的值。

根据本发明，水的高度以下列方式确定：

-提取摄像机捕获的图像中的有水区域；

-以这样的方式叠加该提取的有水区域和DTM图像，以仅保留对应于有水区域的DTM图像的部分。

然后，截面处的水面高度对应于该部分的DTM图像的最高点。

可以以不同的方式执行有水区域的提取。根据本发明，假设有水区域对应于拍摄的图像序列中的运动区域。通过由PIV(粒子图像测速)在由摄像机捕获的图像中计算速度场来确定该运动区域，如下文对测量流动速度的步骤E4描述的。该运动区域对应于速度矢量不为零的图像点。

该假设(有水区域＝运动区域)假定图像的其余部分是固定的。然而，这并非总是如此。实际上，植被可以在风的作用下运动。而且，根据有利的实施方式，植被区域被排除在有水区域之外。基于辐射测量标准检测植被区域，特别是它们的颜色(绿色)。

可以通过计算几个连续图像上的像素的值的方差和它们的平均亮度来计算有水区域的检测。这两个参数组合在一起形成了水的存在的线索。这些参数的值越高，存在水的概率就越高。在下文中，使用自动阈值化技术来生成二元掩模(binary mask)。再次处理该掩模以抑制孤立的点和噪声。

一旦在图像中检测到有水区域，将其叠加在DTM图像上。仅保留对应于有水区域的DTM部分，并且如上文所述，对于给定的DTM截面，河流的水面高度然后对应于该DTM截面的最高点。

步骤E4：测量流动速度

该步骤在与计算水的高度的图像相同的图像上进行。

水柱在截面处的流动速度分两步计算：在第一步中，计算截面处水的速度，然后在第二步中，计算整个水柱的流动速度。

通过粒子图像测速(PIV)测量表面处水的速度。

PIV方法是一种用于测量流体瞬时速度的光学方法。这种方法通常用于实验室中。测量速度的流体播撒有遵循流动的动力学的被称为示踪物的被动粒子。通过激光照亮流体以及粒子，以这种方式使粒子可见。由于流动以高频率成像，通过相关算法，可以在两个连续图像上跟踪粒子。因此，颗粒的运动使得可以计算所研究的流动速度的场。在这种情况下，建议使用水表面上存在的水沫、泡沫或小波作为示踪物。

对于每对在时间上连续的图像，PIV软件寻找在称为搜索窗口(比相关窗口宽)的图像部分中相似的图像部分(或相关窗口)。相似性的标准在统计学上定义。两个连续图像的两个相关窗口之间的偏移实际上是两个图像之间产生的空间偏移的测量。已知分离两个图像的时间间隔(1/25秒)，然后获得速度。对图像的每个示踪物进行该过程(在图像的每个点周围定义相关窗口)，并且使得可以重建速度场。

应用于观察部位的图像的该方法使得可以获得所有示踪物的速度矢量的场，并且通过插值获得每个图像的所有点的速度矢量的场。在地图参考中的转换之前，以每秒像素数(像素/s)表示的矢量场在最靠近摄像机的位置的区域(近场)中显示出更高的速度。使用在步骤E1中定义的转换模型的地图坐标系中的通道使得可以获得以米/秒(m/s)计的速度矢量，并且使得可以校正由摄像机的倾斜产生的失真。

通过PIV方法测量的速度是表面上的流动的速度。为了计算流量，有必要确定在河底(河床)和水面之间延伸的水柱中的流动速度。

由于水文学领域中众所周知的经验模型，确定了表面速度和水柱上的速度之间的通道的系数，这些模型能够经由原位测量来校准。在这些模型中，河流底部的速度被认为是零或几乎为零。在步骤E3中计算的水的高度也被提供给模型，以计算位于底部(零速度)和表面(最高速度)之间的整个水柱上的速度。

步骤E5：流量的计算

通过河流的一个或多个截面的水的流量由以下计算：

-沿截面存在的水柱中的流动速度，

-该截面处的水面的高度，和

-DTM图像。

有利地，在河流的3个截面上计算流量，并且保留的流量是平均流量，以这种方式减少测量的不确定性。

本发明还涉及确定水面高度的方法，如在步骤E3中定义的方法。

Claims

1.用于确定通过水道，特别是具有活动河床的水道的至少一个截面的流量的方法，所述至少一个截面存在于所述水道的所谓的观察位置中，所述流量的所述确定通过使用至少一个摄像机捕获所述观察位置的图像来进行，所述图像的每个点具有在图像参考中的图像坐标，

所述方法包括以下步骤：

-在初步阶段，

·为所述至少一个摄像机确定(E1)所谓的转换模型，用于将由所述摄像机提供的图像中的点的图像坐标转换为地图坐标系中的地图坐标，反之亦然，

·测量所述观察位置在枯水期时，优选地当所述水道干涸时(E2)的地形，以生成观察位置的地理参考地形的数字模型，在地图坐标系中参考其点，并且借助于所述摄像机的所述转换模型在所述图像参考中转换所述地理参考地形的数字模型，以这种方式产生所谓的图像地形的数字模型，

-在所谓的观察阶段期间，

·通过提取由摄像机所捕获的图像中的有水区域并叠加所述有水区域和所述图像地形的数字模型，确定(E3)在所述至少一个截面处的水面的高度，

·确定(E4)存在于所述至少一个截面处的水柱中的流动速度，以及

·由所述流动速度、所述水面的高度以及由所述图像地形的数字模型确定(E5)通过所述至少一个截面的水的流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下步骤生成每个摄像机的所述转换模型：

-通过大地测量获取所述观察位置中存在的参考点的地图坐标，

-由所述摄像机捕获包括所述参考点的所述观察区域的至少一个图像，以及

-通过使所述图像中的所述参考点的图像坐标与所述参考点的地图坐标相关联来生成所述摄像机的所述转换模型。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述地理参考地形的数字模型通过立体摄影测量根据以下步骤生成：

-在相对坐标系中，通过立体摄影测量由存在于所述观察位置的至少两个摄像机捕获的图像生成所述观察位置的地形的数字模型，所述捕获的图像包括其地图坐标预先确定的参考点，以及

-通过将所述相对坐标系中的所述参考点的坐标与所述参考点的地图坐标相关联来地理参考地形的所述数字模型。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述地理参考地形的数字模型通过立体摄影测量根据以下步骤生成：

-通过由捕获设备如数码摄像机捕获的所述观察位置的图像的立体摄影测量在相对坐标系中生成所述观察位置的地形的数字模型，来自所述捕获设备的所述图像具有大于来自所述摄像机的图像的分辨率，所捕获的图像还包括其地图坐标预先确定的参考点，以及

-通过将相对坐标系中的所述参考点的坐标与所述参考点的地图坐标相关联来地理参考地形的所述数字模型。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，存在于所述截面处的水柱中的流动速度由应用于存在于水的表面上的示踪物如泡沫点和/或小波浪的粒子图像测速(PIV)技术来确定，以确定捕获的图像中的所述表面上的流动速度，然后通过对所述表面上的所述流动速度应用预定的模型来确定存在于所述截面处水柱中的流动速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，水面的高度通过以下步骤来确定：

-提取由所述摄像机捕获的图像中的有水区域；

-将提取的有水区域和所述图像地形的数字模型叠加，以这种方式仅保留与所述提取的有水区域相对应的所述图像地形的数字模型的部分，所述截面处的水面的高度对应于所述截面处的所述图像地形的数字模型的最高点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过检测所述图像中的运动区域在图像中检测所述有水区域。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其包括检测所述图像中的植被区域的步骤，从所述运动区域中推导所述植被区域以形成所述有水区域。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过计算所述图像的像素的方差和平均亮度来在所述图像中检测所述有水区域，所述有水区域对应于其平均方差和亮度大于预定阈值的像素。

10.用于确定水道的至少一个截面处的水面的高度的方法，所述截面存在于水道的所谓的观察位置中，所述高度的所述确定通过使用至少一个摄像机捕获所述观察位置的图像来进行，所述图像的每个点具有在图像参考中的图像坐标，所述方法包括以下步骤：

-在初步的所谓的地理参考阶段期间，

·为所述至少一个摄像机确定所谓的转换模型，用于将由所述摄像机提供的所述图像中的点的图像坐标转换为地图坐标系中的地图坐标，反之亦然，

·测量所述观察位置在枯水期时，优选地当所述水道干涸时的地形，以生成所述观察位置的地理参考地形的数字模型，在地图坐标***中参考其点，

·借助所述摄像机的所述转换模型在所述图像参考中转换所述地理参考地形的数字模型，以这种方式生成所谓的图像地形的数字模型，

-在所谓的观察阶段期间，

·提取由所述摄像机捕获的所述图像中的有水区域，以及

·将提取的所述有水区域和所述图像地形的数字模型叠加，以这种方式仅保留与提取的所述有水区域相对应的所述地形的数字模型的部分，所述截面处的水面的高度对应于所述截面处的所述图像地形的数字模型的最高点。