基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置及方法，基于海水和海洋悬浮颗粒物对光的不同反射性原理，利用数字图像处理技术，建立了一套基于数字图像处理技术的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置及用以表征海洋悬浮颗粒物浓度的海洋悬浮颗粒物图像特征值算法，该算法提取出海洋悬浮颗粒物图像特征值，该海洋悬浮颗粒物图像特征值可以实现海洋悬浮颗粒物真实浓度的反演。该方法尝试将数字图像处理技术应用于海洋悬浮颗粒物浓度的测量，其测量精度仅依赖于测量装置的拍摄精度和后续算法的改进，可以克服其易受海洋悬浮颗粒物粒径大小以及粒径分布影响的缺点，同时具有直观、连续观测以及操作简便等优点，在海洋调查中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置及方法
本专利技术属于海洋水文观测
，具体涉及一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置及方法。
技术介绍
海洋悬浮颗粒物一般是指海水中无法通过规格为滤膜的物质，其中包含作为生物来源的有机组分以及悬浮泥沙等无机组分。海洋悬浮颗粒物具有双重生态效应，一方面作为微生物分解作用的场所，向水体释放无机氮和无机盐；另一方面具有消光作用，通过对太阳光的散射、吸收等物理作用，影响海水中绿色浮游植物的光合作用，所以海洋悬浮颗粒物浓度在一定程度上影响着海洋内部的初级生产力。而且，海洋悬浮颗粒物是深入了解海洋沉积过程的重要因子，在海岸侵蚀和淤积等方面发挥重要作用，其浓度变化是海洋环境动力研究的重要参数之一，是泥沙运移、沉积和再悬浮等运动过程的直接体现。此外，海洋水体中海洋悬浮颗粒物的状况，对海水水质状况以及海上平台、水底管线等海上构筑物的可靠性和使用寿命会产生一定程度的影响。因此，海洋水体中悬浮颗粒物的浓度的精确测定对海洋环境保护、海洋工程开发、物质迁移与运输以及海洋沉积动力学的研究意义重大。海洋悬浮颗粒物浓度的传统测量方法应用广泛，测量技术已相对成熟，但其存有测量原理性不足的缺陷，如：光学法测量过程受颗粒粒径影响大、单点测量值无法代表断面悬浮颗粒物浓度值；声学法标定困难计算繁琐；激光衍射法测量范围小，这些缺点制约着海洋悬浮颗粒物浓度测量的进一步发展。在传统的海洋水文调查中，常用透射计或浊度计测量海水中悬浮颗粒物浓度的变化，透射计和浊度计基于光学测量的原理，通过测定光束在海水中的衰减或反射量来反映海水中的悬浮颗粒物浓度。这种基于光学的测量方法，容易受到海水中溶解性物质的影响，光束的衰减量或反射量会受到一定的损失，导致测量结果存在一定的误差；由于测量原理的限制，透射计对粗颗粒物质较为敏感，浊度计对细颗粒物质较为敏感，因此海洋中的颗粒粒径的不均匀分布总是影响测量结果的准确性；此外生物因素也往往会影响光学测量的准确性，使测量结果存在误差。因此，海水中悬浮颗粒物浓度的精确测定方法有待进一步研究解决。
技术实现思路
为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置及方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，包括数据采集存储耐压舱、组合型设备集成框架，其特征在于，所述数据采集存储耐压舱的顶端通过螺栓连接有耐压舱上密封端盖，数据采集存储耐压舱的底端通过螺栓连接有耐压舱下密封端盖，耐压舱下密封端盖的下表面固定安装组合型设备集成框架，组合型设备集成框架包括安装圆盘，安装圆盘的上表面与耐压舱下密封端盖的下表面固定安连接，安装圆盘的边缘处通过螺栓连接若干根连接杆，连接杆的底端固定连接有支撑圆环，安装圆盘的下表面中心位置装有海洋高分辨率摄像设备，其镜头方向垂直向下，海洋高分辨率摄像设备的外壁上装有夹持装置并固定装在安装圆盘的下表面上，安装圆盘的下表面上还固定装有三台海洋摄像机辅助照明设备，海洋摄像机辅助照明设备以海洋高分辨率摄像设备为中心呈正三边形分布并且以120°夹角安装，海洋摄像机辅助照明设备的外壁上通过传动轴连接有角度调节装置。作为优选方案，数据采集存储耐压舱，数据采集存储耐压舱的外壳为耐压舱壁，数据采集存储耐压舱的内腔分为上部的供电单元和下部的数据采集存储电路板组成，数据采集存储电路板通过电路板集成支架组装，数据采集存储电路板内置单片机、固态硬盘、WiFi信号发射装置和信号接收装置，单片机控制连接角度调节装置内部的电动马达。作为优选方案，组合型设备集成框架的材质为316L不锈钢材料。作为优选方案，海洋高分辨率摄像设备内置高分辨率的CCD传感器，其像素数为1200万，海洋高分辨率摄像设备采用316L不锈钢的外壳封装，铝合金硬质氧化材料作为镜头外壳材料，镜头另由橡胶螺旋罩封装保护，其直径为51mm，长度为180mm。作为优选方案，摄像机辅助照明设备为LED灯，摄像机辅助照明设备采用316L不锈钢的外壳封装，铝合金硬质氧化材料作为照明灯的外壳材料，照明灯另由橡胶螺旋罩封装保护。一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置的方法，具体步骤如下：S1：对装置拍摄的视频进行分帧处理，接着对每一帧图像进行处理；S2：图像几何操作；对所获视频的每一帧图像均需以相同的操作截取，确保处理过程的一致性；S3：图像灰度化；在彩色图像RGB模型中，对于R=G=B，则其对应的灰度值等于RGB值；对于RGB不等的彩色图像而言，需要根据国际电信联盟（ITU）定义的ITU标准（ITU/EBU3213standard）来计算，即：Gray(i,j)=0.222015*R(i,j)+0.706655*G(i,j)+0.071330*B(i,j)得到图像灰度化结果；S4：图像增强；首先用最小值滤波器w1提取像素领域内的最暗点，其计算公式为：R=min{Zk|k=1,2,...,n}，得到最初背景图；继而用均值滤波器w2对图像进行平滑，其滤波计算公式为：,得到最终背景图；最后用原灰度图减去最终背景图，得到增强后的图像；其中，w1和w2取相同值，即w=w1=w2，其大小是通过室内实验比对选出的最佳值，窗口大小为奇数，最小从3开始；S5：形态学算法；首先创建结构体元素，由于海洋悬浮颗粒物呈椭圆形或圆形，因此选用“disk”圆盘状的结构体，结构体的大小需要根据反复试验比对最终得出；然后对图像先进行腐蚀运算，再进行膨胀运算，即完成结构体Se对原图像f的开运算，得到背景图像；最后进行两幅图像的减运算，即用原灰度图像减去背景图像，达到最终图像；S6：图像二值化，利用阈值处理技术对图像进行二值化，通过选取阈值T，任何满足的点称为对象点，其他点则称为背景点，阈值处理后的图像定义为：式中：g（x,y）=1的像素对应于目标对象，而g（x,y）=0的像素指的是图像背景；S7：图像信息提取；特征值及对应水深的浊度值利用min-max标准化方法，对原始数据进行线性变换是所有数值落在[0，1]之间，即：，最终处理后的归一化特征值与归一化浊度值分别沿水深的剖面曲线。作为优选方案，步骤S6中阈值T采用Otus法、迭代阈值法以及区域生长法对图像进行处理，并将处理结果进行比较分析，最终确定适用于图像处理的最佳阈值算法。进一步地，Otus法具体步骤为：对于图像I(x，y)，前景即目标和背景的分割阈值记作T，属于前景的像素点个数占整幅图像的比例记为ω0，平均灰度值记为μ0；背景像素点个数占整幅图像的比例为ω1，平均灰度值记为μ1；图像的总平均灰度值记为μ，类间方差记为g；假设图像的背景较暗且其大小为M×N，图像中像素的灰度值小于阈值T的像素个数记作N0，像素灰度大于阈值T的像素个数记作N1，则有：ω0=N0/M×Nω1=N1/M×Nω0+ω1=1μ=ω0×μ0+ω1×μ1g=ω0（μ0-μ）2+ω1（本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，包括数据采集存储耐压舱（1）、组合型设备集成框架（2），其特征在于，所述数据采集存储耐压舱（1）的顶端通过螺栓连接有耐压舱上密封端盖（3），数据采集存储耐压舱（1）的底端通过螺栓连接有耐压舱下密封端盖（4），耐压舱下密封端盖（4）的下表面通过固定安装组合型设备集成框架（2），组合型设备集成框架（2）包括安装圆盘（6），安装圆盘（6）的上表面与耐压舱下密封端盖（4）的下表面固定安连接，安装圆盘（6）的边缘处通过螺栓（5）连接若干根连接杆（7），连接杆（7）的底端固定连接有支撑圆环（8），安装圆盘（6）的下表面中心位置装有海洋高分辨率摄像设备（9），其镜头方向垂直向下，海洋高分辨率摄像设备（9）的外壁上装有夹持装置（10）并固定装在安装圆盘（6）的下表面上，安装圆盘（6）的下表面上还固定装有三台海洋摄像机辅助照明设备（11），海洋摄像机辅助照明设备（11）以海洋高分辨率摄像设备（9）为中心呈正三边形分布并且以120°夹角安装，海洋摄像机辅助照明设备（11）的外壁上通过传动轴连接有角度调节装置（12）。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，包括数据采集存储耐压舱（1）、组合型设备集成框架（2），其特征在于，所述数据采集存储耐压舱（1）的顶端通过螺栓连接有耐压舱上密封端盖（3），数据采集存储耐压舱（1）的底端通过螺栓连接有耐压舱下密封端盖（4），耐压舱下密封端盖（4）的下表面通过固定安装组合型设备集成框架（2），组合型设备集成框架（2）包括安装圆盘（6），安装圆盘（6）的上表面与耐压舱下密封端盖（4）的下表面固定安连接，安装圆盘（6）的边缘处通过螺栓（5）连接若干根连接杆（7），连接杆（7）的底端固定连接有支撑圆环（8），安装圆盘（6）的下表面中心位置装有海洋高分辨率摄像设备（9），其镜头方向垂直向下，海洋高分辨率摄像设备（9）的外壁上装有夹持装置（10）并固定装在安装圆盘（6）的下表面上，安装圆盘（6）的下表面上还固定装有三台海洋摄像机辅助照明设备（11），海洋摄像机辅助照明设备（11）以海洋高分辨率摄像设备（9）为中心呈正三边形分布并且以120°夹角安装，海洋摄像机辅助照明设备（11）的外壁上通过传动轴连接有角度调节装置（12）。


2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，其特征在于，所述数据采集存储耐压舱（1），数据采集存储耐压舱（1）的外壳为耐压舱壁（1-3），数据采集存储耐压舱（1）的内腔分为上部的供电单元（1-1）和下部的数据采集存储电路板（1-2）组成，数据采集存储电路板（1-2）通过电路板集成支架（1-4）组装，数据采集存储电路板（1-2）内置单片机、固态硬盘、WiFi信号发射装置和信号接收装置，单片机控制连接角度调节装置（12）内部的电动马达。


3.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，其特征在于，所述组合型设备集成框架（2）的材质为316L不锈钢材料。


4.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，其特征在于，所述海洋高分辨率摄像设备（9）内置高分辨率的CCD传感器，其像素数为1200万，海洋高分辨率摄像设备（9）采用316L不锈钢的外壳封装，铝合金硬质氧化材料作为镜头外壳材料，镜头另由橡胶螺旋罩封装保护，其直径为51mm，长度为180mm。


5.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置，其特征在于，所述摄像机辅助照明设备（11）为LED灯，摄像机辅助照明设备（11）采用316L不锈钢的外壳封装，铝合金硬质氧化材料作为照明灯的外壳材料，照明灯另由橡胶螺旋罩封装保护。


6.如权利要求1-5所述的一种基于数字图像处理的海洋悬浮颗粒物浓度测定装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1：对装置拍摄的视频进行分帧处理，接着对每一帧图像进行处理；
S2：图像几何操作；对所获视频的每一帧图像均需以相同的操作截取，确保处理过程的一致性；
S3：图像灰度化；在彩色图像RGB模型中，对于R=G=B，则其对应的灰度值等于RGB值；对于RGB不等的彩色图像而言，需要根据国际电信联盟（ITU）定义的ITU标准（ITU/EBU3213standard）来计算，即：
Gray(i,j)=0.222015*R(i,j)+0.706655*G(i,j)+0.071330*B(i,j)
得到图像灰度化结果；
S4：图像增强；首先用最小值滤波器w1提取像素领域内的最暗点，其计算公式为...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾永刚，陈天，王慧，孙中强，刘金明，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37