一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法技术

本发明专利技术公开了一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法，包括：利用标定好内参和外参的相机拍摄河流水面灰度图像并做非线性畸变校正；根据水位与断面地形计算两岸水边线的起点距，并基于变高水面摄影测量模型反求水边线的像点坐标，确定水面区域的图像位置；基于中央周边模型的多尺度Retinex算法对水面区域进行非均匀光照校正；采用基于深度学习的PSPnet网络对校正图像进行分割，获得漂浮物为前景、水面为背景的二值图像；遍历二值图像中的前景像素，根据物像尺度因子计算其物理面积，累加后得到漂浮物总面积。本发明专利技术实现了对于河道水面漂浮物面积的精确测量，对于提升现有水利视频监测系统自动化和智能化的整体水平具有重要意义。意义。意义。

【技术实现步骤摘要】
一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法


[0001]本专利技术属于水面监测
，具体涉及一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法。

技术介绍

[0002]近年来，水污染情况急剧加重，在湖泊，河流及水库等水面上出现大量漂浮物，这些漂浮物若不及时清理，将会严重破坏生态环境。然而，目前对于漂浮物量的判断完全依靠监测人员的主观判断，未实现定量的测量，极易造成对清漂人员与设备调度不合理的问题，造成不必要的损失。同时，这种方式无法满足全天候，高实时性的要求，智能化程度不高。因此，为弥补现有监测手段的不足，迫切需要一种无人化，智能化，高效率的视频监测技术。
[0003]水面漂浮物的智能化监控依然面临着许多挑战，现有算法对于水面漂浮物目标的分割检测效果并不理想，普遍存在以下两个问题：
[0004](1)在野外场景中，非水体区域的信息量大而复杂，不仅大大干扰检测的结果，产生误检，而且会使运算量大幅度提高，然而现有基于图像的水面区域提取法难以应对复杂的光照与气候条件，无法保证准确率；(2)户外河道水面经常由于风力作用，水面出现大量波纹和涟漪，又由于河本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：利用标定好内参和外参的相机拍摄河流水面图像并做非线性畸变校正；S2：根据水位与断面地形计算两岸水边线的起点距，并基于变高水面摄影测量模型反求水边线的像点坐标，确定水面区域的图像位置；S3：基于中央周边模型的多尺度Retinex算法对水面区域进行非均匀光照校正；S4：采用基于深度学习的PSPnet网络对步骤S3校正后的图像进行分割，获得漂浮物为前景、水面为背景的二值图像；S5：遍历二值图像中的前景像素，根据物像尺度因子计算单个前景像素所对应的物理面积，累加后得到漂浮物总面积。2.根据权利要求1所述的一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法，其特征在于，所述步骤S1中相机的内参标定方法为：在实验室中标定相机内参矩阵K和畸变参数矩阵D如下：D＝[k1k2p1p2]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中(C
x,
C
y
)表示畸变图像的像主点坐标，C
y
表示像主点的纵坐标，f
x
、f
y
分别表示摄像机在像平面x轴和y轴方向上的等效焦距，k1、k2表示径向畸变参数，p1、p2表示切向畸变参数，根据图像传感器的像元尺寸s得到相机焦距f：f＝(f
x
+f
y
)
·
s/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)相机的外参标定方法为：在河岸边架设相机，使其视场覆盖最高水位时的完整端面且光轴与断面方向平行，利用倾角传感器测量相机相对于水平面的俯仰角ω和横滚角利用水准仪和水位计测量相机距水面的高程H：H＝h
‑
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，h表示水准仪测得的相机距水位基准点的高程，l表示水位计读取的水位值；利用激光测距仪测量相机相对于断面零点桩的起点距D。3.根据权利要求2所述的一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法，其特征在于，所述步骤S1中非线性畸变校正的具体方法：其中，(x',y')和(x,y)分别为畸变和无畸变的相机坐标，它们与对应的图像坐标(u',v')和(u,v)间满足：v')和(u,v)间满足：
公式(5)～公式(7)建立了无畸变图像坐标到畸变图像坐标的变换关系。4.根据权利要求2所述的一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法，其特征在于，所述步骤S2中两岸水边线的起点距的计算包括如下步骤：A1：以零点桩为原点，断面方向为Y轴，水流方向为X轴建立坐标系；A2：根据现有的河流断面地形数据，利用线性插值函数每间隔dm对水深数据进行补充，绘制出完整的河流断面地形图，插值公式如下：p
(i,i+1)
＝p
i
+(x
(i,i+1)
‑
x
i
)/(x
i+1
‑
x
i
)
·
(p
i+1
‑
p
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中x
i
为第i个点对应的起点距，p
i
为x
i
处对应的起点距高程，x
i+1
为第i+1个起点距，p
i+1
为x
i+1
处对应的起点距高程，x
(i,j+1)
为扩充的起点距，p
(i,j+1)
为扩充的x
(i,j+1)
对应的高程；A3：搜索右水边界，从起点距为0的点开始，比较当前起点距对应的水位值与实际水位值的大小，遍历水下地形直至小于等于水位，得到河流右岸起点距a；同理，搜索左水边界，得到河流左岸起点距b，便可得到物方坐标系下断面处左右两岸的Y轴坐标值：5.根据权利要求4所述的一种河道水面漂浮物面积的视觉测量方法，其特征在于，所述步骤S2中水面区域的图像位置的确定方法为：将图像中断面处左右两岸水边线的横坐标值X
left
与X
right
看作为0，根据变高水面摄影测量模型结合断面处左右两岸边界点的Y轴坐标值便可反求出像点坐标：其中，m
·
n表示图像分辨率，s表示图像传感器的像元尺寸；由此便可计算出用以确定图像中水面区域的四个变量分别为0，y
left
，m，L，水面区域是以0，y
left
为左上角顶点，长为m，宽为L的矩形区域，其中：L＝|y
left
‑
y
right
|
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振，徐溢，陈青源，张婷，孙庆春，袁欣怡，申嘉欣，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：