基于图像法的卵砾石输移实时监测装置、方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于图像法的卵砾石输移实时监测装置、方法及系统，监测装置包括上盖板、下盖板、拾音器、压力传感器、姿态传感器和摄像头。所述上盖板和下盖板相互围合形成容纳腔。所述拾音器、压力传感器、姿态传感器和摄像头均设置所述容纳腔内，所述上盖板上设有透明的窗口。监测方法采用声学法、压力法和摄像法配合，其中声学法和压力法可单独进行输移量计算，两种方法计算结果可相互验证，同时通过摄像法计算分析出的粒径对声学法的准确性进行检测，进而可提高卵石输移的准确性。进而可提高卵石输移的准确性。进而可提高卵石输移的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于图像法的卵砾石输移实时监测装置、方法及系统


[0001]本专利技术涉及航道监测
，具体涉及一种基于图像法的卵砾石输移实时监测装置、方法及系统。

技术介绍

[0002]三峡工程正式蓄水运行以来，三峡库区航道条件得到了极大的改善，但是水库变动回水区卵砾石输移引起的消落期碍航问题十分严重，因此卵砾石推移质原型观测技术显得非常重要。目前卵砾石推移质监测方法主要包括直接法和间接法两种：直接法中的坑测法操作难度大，成本高，且无法进行精细观测；采样器法同样无法对推移质进行高分辨率监测。间接法则分为示踪法、摄像法、声学法等方法。由于推移质运动具有时间和空间的随机性，利用采样器采样无法捕捉准确信息，且采样器在采样过程中干扰设备周围水流条件，高速运动的推移质颗粒会撞击采样器，造成一定的损坏，船上作业也不适用于高速水流情况；坑测法，只能估计洪水过后的卵砾石输移量，无法获知推移质质量随时间的动态变化；示踪法，无论是采用放射性粒子、无线电追踪技术、还是磁性示踪粒子，可研究粒径范围有限，且粒子在运动过程中相互掩埋，回收率低，其中有些粒子会对环境造成一定污染，且造价高，测试成本大；光测法，主要是通过高清摄像头观测水下推移质运动，这对观测环境的水质、含沙量有较高要求，必须对仪器进行必要的防护，同时给予有效地照明措施；超声地形仪受分辨率、时效性、水流条件以及含沙量影响较大，观测成果难以达到要求。
[0003]现有的监测装置及方法监测卵石输移的准确性较低，因此继续提供一种准确性更高的卵石输移监测装置及方法。

技术实现思路
/>[0004]针对上述不足，本专利技术的目的在于，提供一种基于图像法的卵砾石输移实时监测装置、方法及系统，通过压力和音视频耦合的监测方法来解决现有技术对卵石输移监测不准确的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：
[0006]一种基于图像法的卵砾石输移实时监测装置，包括上盖板、下盖板、拾音器、压力传感器、姿态传感器和摄像头。所述上盖板和下盖板相互围合形成容纳腔。所述拾音器、压力传感器、姿态传感器和摄像头均设置所述容纳腔内，所述上盖板上设有透明的窗口，用于摄像头拍摄。
[0007]采用上述结构设计，通过拾音器、压力传感器和摄像头可实现对卵石输移的多重监测方法，可起到相互校验，提高了卵石输移监测的准确性。
[0008]进一步的，所述上盖板和下盖板采用金属板，所述拾音器固定装设于上盖板上，其中所述上盖板作为谐振器与所述拾音器配合使用，所述压力传感器为多个，且压力传感器设置容纳腔的顶角处，且位于所述上盖板和下盖板之间起支撑作用，所述压力传感器上端与所述上盖板刚性连接，所述压力传感器的下端设有安装座，所述安装座与所述下盖板接
触。
[0009]进一步的，所述摄像头固定装设于下盖板上并位于所述窗口的正下方，且所述摄像头采用超广角摄像头。
[0010]进一步的，所述上盖板和下盖板之间通过保护罩围合形成所述容纳腔，所述拾音器、压力传感器、姿态传感器和摄像头均通过电线电性连接外接数据储存器。
[0011]进一步的，所述保护罩上开设有通孔用于电线安装，且所述通孔处、保护罩与上盖板和下盖板连接处均作密封处理。
[0012]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：
[0013]一种基于图像法的卵砾石输移实时监测方法，包括如下步骤，
[0014]a、安装：将监测装置设置于观测点的河道内并水平固定，然后将监测装置通过线缆与岸上的电箱或计算机终端进行连接；
[0015]b、数据采集：通过拾音器采集河底卵砾石输移的音频信息，通过压力传感器采集上盖板在卵砾石输移过程中承受的压力信息，通过姿态传感器采集监测装置本身的水平状态信息，通过摄像头在拍摄区域内采集上盖板经过的卵石照片信息，获得卵石图像；
[0016]c、数据分析：通过声学法将拾音器采集的音频信息进行计算分析得出卵石粒径及卵石输移量；同时通过压力法将压力传感器采集的卵石重量信息分析计算得出对应的卵石输移量；通过摄像法将摄像头采集的卵石照片信息分析重构卵石的粒径；
[0017]d、数据验证：通过声学法和压力法计算的卵石输移量进行比对验证，同时通过摄像法分析计算得出的粒径与声学法计算得出的粒径进行对比验证，采用双重验证方法保证卵石输移量监测的准确性。
[0018]进一步的，所述步骤c中声学法如下：
[0019]1)音频采集，设置拾音器的拾音面积，将采集的音频信号接入计算机声卡，利用音频进行录制和储存，将音频采样频率设计为每秒记录，提高音频的保真度，根据音频信号的频率设置采样频率，根据采样定理设置，采样定理定理为：设采样频率为f
s
，目标信号最高频率为f
max
，当f
s
≥2f
max
时，采集到的音频就能完整体现音频信号的特征，使音频信号“保真”，根据初步试验，卵石碰撞音频信号的频率不超过6000Hz，故将采样频率设置为16KHz，在保证音频信号“保真”的前提下节省存储空间，提高后续处理效率，音频采样精度决定了声音的动态范围，反映的是音频时域波形幅值到的精度，综合各方面考虑，最终把采样精度设置为16位，即单个采样点的取值范围为2
16
级；
[0020]2)卵石运动信号特征分析，试验采集的原始音频需要经过预处理才能进行特征识别，主要包括分帧加窗、降噪、端点检测步骤；
[0021]3)卵石粒径识别，不同粒径卵石所产生的音频信号的特征不同，其中就包括幅值特征，一般来说，粒径越大的卵石，所产生的音频信号的幅值越大，能量越大可以根据音频信号中，卵石碰撞产生的音频幅值大小来判断该卵石的粒径大小，其步骤为：
①
从端点检测到的每段音频信号中提取最大幅值作为当前碰撞卵石的特征幅值，并对所有幅值求均值，
②
确定卵石幅值与其粒径之间的关系，通过试验结果对此关系进行拟合，得出拟合方程并计算出粒径大小；
[0022]4)卵石推移质输移量计算，卵石推移质输移量M的计算式为：
[0023][0024]式中，n为通过仪器上面板的卵石个数，m为单个卵石质量，ρ为卵石密度，D为卵石等容粒径。利用上述公式，根据仪器采集的音频信号，就可以计算每小时经过仪器上面板的卵石推移质输移量。
[0025]进一步的，所述步骤c中压力法如下：
[0026]压力法卵石输移量的计算是通过其测得压力数据进一步转化得到一定时间段内的卵石推移质输移量，卵石输移量的计算方法共有两种：一是在输移时间较短的情况下，测得压力数据为一段时间内卵石堆积重量m；二是在长时间输移的情况下，通过进一步数据处理计算卵石总输移量，具体计算步骤主要分为四步：
①
设仪器当前返回数据和后一数据分别为X1和X2；
②
X1与X2差值即为单个数据返回周期内输移的卵砾石重量；
③
计算输移总时间内每个数据返回周期的卵砾石重量m
i
；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像法的卵砾石输移实时监测装置，其特征在于：包括上盖板(1)、下盖板(2)、拾音器(3)、压力传感器(4)、姿态传感器(5)和摄像头(6)，所述上盖板(1)和下盖板(2)相互围合形成容纳腔(1a)，所述拾音器(3)、压力传感器(4)、姿态传感器(5)和摄像头(6)均设置所述容纳腔(1a)内，所述上盖板(1)上设有透明的窗口(1b)，用于摄像头(6)拍摄。2.如权利要求1所述的基于图像法的卵砾石输移实时监测装置，其特征在于：所述上盖板(1)和下盖板(2)采用金属板，所述拾音器(3)固定装设于上盖板(1)上，其中所述上盖板(1)作为谐振器与所述拾音器(3)配合使用，所述压力传感器(4)为多个，且压力传感器(4)设置容纳腔(1a)的顶角处，且位于所述上盖板(1)和下盖板(2)之间起支撑作用，所述压力传感器(4)上端与所述上盖板(1)刚性连接，所述压力传感器(4)的下端设有安装座(4a)，所述安装座(4a)与所述下盖板(2)接触。3.如权利要求1所述的基于图像法的卵砾石输移实时监测装置，其特征在于：所述摄像头(6)固定装设于下盖板(2)上并位于所述窗口(1b)的正下方，且所述摄像头(6)采用超广角摄像头。4.如权利要求1所述的基于图像法的卵砾石输移实时监测装置，其特征在于：所述上盖板(1)和下盖板(2)之间通过保护罩(7)围合形成所述容纳腔(1a)，所述拾音器(3)、压力传感器(4)、姿态传感器(5)和摄像头(6)均通过电线电性连接外接数据储存器。5.如权利要求4所述的基于图像法的卵砾石输移实时监测装置，其特征在于：所述保护罩(7)上开设有通孔用于电线安装，且所述通孔处、保护罩(7)与上盖板(1)和下盖板(2)连接处均作密封处理。6.一种基于图像法的卵砾石输移实时监测方法，采用权利要求1
‑
5任一项所述的监测装置，其特征在于：包括如下步骤，a、安装：将监测装置设置于观测点的河道内并水平固定，然后将监测装置通过线缆与岸上的电箱或计算机终端进行连接；b、数据采集：通过拾音器(3)采集河底卵砾石输移的音频信息，通过压力传感器(4)采集上盖板(1)在卵砾石输移过程中承受的压力信息，通过姿态传感器(5)采集监测装置本身的水平状态信息，通过摄像头(6)在拍摄区域内采集上盖板(1)经过的卵石照片信息，获得卵石图像；c、数据分析：通过声学法将拾音器(3)采集的音频信息进行计算分析得出卵石粒径及卵石输移量；同时通过压力法将压力传感器(4)采集的卵石重量信息分析计算得出对应的卵石输移量；通过摄像法将摄像头(6)采集的卵石照片信息分析重构卵石的粒径；d、数据验证：通过声学法和压力法计算的卵石输移量进行比对验证，同时通过摄像法分析计算得出的粒径与声学法计算得出的粒径进行对比验证，采用双重验证方法保证卵石输移量监测的准确性。7.如权利要求6所述的基于图像法的卵砾石输移实时监测方法，其特征在于：所述步骤c中声学法如下：1)音频采集，设置拾音器(3)的拾音面积，将采集的音频信号接入计算机声卡，利用音频进行录制和储存，将音频采样频率设计为每秒记录，提高音频的保真度，根据音频信号的频率设置采样频率，根据采样定理设置，采样定理定理为：设采样频率为f
s
，目标信号最高频率为f

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胜发，闫路遥，张鹏，田蜜，毛浩丞，胡江，肖毅，李文杰，金健灵，杨瑾，王永强，张燃钢，谢青容，杨云棋，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：