一种基于图像分析的降水测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于图像分析的降水测量装置及测量方法，包括主控模块、图像采集模块、雨雪检测模块、温度测量模块、通信模块以及光源模块，雨雪检测模块检测到降水粒子，通过光源模块照亮降水粒子，利用图像采集模块获取降水视频，送入主控模块处理后获得降水量，同时利用温度测量模块获取环境温度以辅助判别降水类型。本发明专利技术通过摄像设备采集降水图像，提取图像中降水粒子的物理特征及像素点数量的变化，同时融合两种计算降水量的方法，提高降水检测的准确性和可靠性。水检测的准确性和可靠性。水检测的准确性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像分析的降水测量装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于图像分析的降水测量装置及测量方法，属于检测


技术介绍

[0002]目前对降水测量的仪器主要还是以虹吸式、翻斗式、称重式等机械式雨量计为主，而机械式雨量计普遍存在体积较大、内部机械结构复杂、无法获得降水类型以及管道易堵塞等问题。
[0003]光学散射式和压电式雨量计作为新一代的降水测量仪器发展趋势较快，应用也较为广泛。但此类雨量计，由于其获取降水粒子的途径仅为红外扫射，因此只能通过降水粒子整体的散射或压力情况来估计降水量，检测效果欠佳，也无法进行降水分类。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于图像分析的降水测量装置及测量方法，提高了降水检测的准确性以及可靠性。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种基于图像分析的降水测量装置，包括用来放置模块的第一箱体和第二箱体，第一箱体与第二箱体垂直布设；在第一箱体内安装主控模块、图像采集模块、雨雪检测模块、温度测量模块以及通信模块，且图像采集模块、温度测量模块以及通信模块同时与主控模块连接；
[0007]所述的第一箱体包括装置底盘，在装置底盘的侧壁上衔接装置前挡板，且装置底盘的侧壁与装置前挡板之间形成嵌设图像采集模块的通槽，装置底盘上覆设第一箱体上盖，雨雪检测模块安装在第一箱体上盖内表面，所述温度测量模块贴合固定在第一箱体上盖内表面；
[0008]在第二箱体内安装光源模块，所述的光源模块与主控模块连接；
[0009]作为本专利技术的进一步优选，所述图像采集模块包括红外摄像头，其嵌设在通槽内；
[0010]在红外摄像头上套设滤光片套筒，滤光片套筒内向红外摄像头方向顺次叠设偏振片、红外高透滤光片以及940nm红外窄带滤光片；
[0011]作为本专利技术的进一步优选，所述光源模块包括凸透镜、红外LED、散热器以及光源模块控制板，所述第二箱体为封闭结构，其一侧壁上开设贯通槽，在第二箱体内开设通槽的侧壁垂直布设相对排布的反射镜片；
[0012]贯通槽在第二箱体内的端部安装凸透镜，红外LED安装在凸透镜焦点位置，且红外LED与凸透镜中心形成的连线垂直第二箱体开设贯通槽的侧壁；
[0013]所述红外LED的正面正对凸透镜，红外LED的背面固定散热器，且在红外LED与散热器接触面涂抹导热硅脂；
[0014]红外LED与光源模块控制板连接，光源模块控制板同时与主控模块连接；
[0015]一种基于图像分析的降水测量装置的测量方法，其特征在于：
[0016]步骤S1：雨雪检测模块检测到降水粒子，向主控模块发送脉冲信号，主控模块由待机模式进入工作模式，向红外摄像头以及光源模块控制板发出启动指令，光源模块控制板控制红外LED开启，红外摄像头根据环境红外光的强弱动态调节设备曝光参数，采集降水视频，同时提取视频关键帧，获取降水图像；
[0017]步骤S2：采用灰度转换、中值滤波和直方图均衡化三种方法降低图像噪声干扰并增强降水粒子与背景间的对比度，通过迭代阈值法将图像二值化，得到二值图像，突出降水粒子轮廓；
[0018]步骤S3：运用图像形态学操作去除图像中背景物或噪声干扰，以5邻域矩形结构元对二值图像进行腐蚀运算，再以同样结构元进行膨胀运算，去除二值图像中噪声点干扰，接着针对二值图像中可能出现的背景物干扰，以15邻域矩形结构元对二值图像进行上述的腐蚀和膨胀运算，再将步骤S2中获取的二值图像与经过腐蚀和膨胀运算后的图像做差值，去除图像中较大的像素块，得到滤除背景物干扰后的二值图像；
[0019]步骤S4：针对降水图像中粒子相交情况，采用距离变换法获取降水粒子的质心并统计其数量，得到降水粒子的个数；
[0020]步骤S5：针对降水图像中雨线倾斜情况，根据粒子轮廓提取出其最小外接矩形，获取矩形与天顶的夹角θ
i
、矩形的宽度w
i
和高度h
i
，得到降水粒子在垂直方向长度Y
i
以及粒子的直径像素数目；
[0021]步骤S6：利用温度测量模块检测到的环境温度、降水粒子的倾斜角度和LBP级联分类器识别的图像数据综合区分降水类型，其中，若环境温度大于设定值，则判定为降雨类型，若环境温度小于或等于设定值，则利用LBP级联分类器，将降水图像作为分类器的输入，识别降水类型，同时结合降水粒子倾斜角度的大小及环境温度的高低进行综合判断，最终判断为降雨粒子或者降雪粒子；
[0022]步骤S7：降水过程中，根据球形体积公式结合粒子直径像素个数，获取单个雨滴的体积，再结合实际的降水检测区域面积S，计算得出降雨量R1，将前述求得的降雨量R1与实际降雨量进行拟合校准，得到比例系数K
u
以及降雨量R
u
；
[0023]步骤S8：根据水粒子速度以及水粒子直径的经验公式，将二值图像中粒子的垂直方向长度转化为雨滴的直径大小，并将雨滴直径代入球形体积公式，得到单个雨滴体积，同时结合实际的降水检测区域面积S，计算得出降雨量R2，将前述求得的降雨量R2与实际降雨量进行拟合校准，得到比例系数K
v
以及降雨量R
v
；
[0024]步骤S9：将步骤S7中获取的降雨量R
u
与步骤S8中获取的降雨量R
v
进行数据融合，得到最终降雨量R；
[0025]作为本专利技术的进一步优选，
[0026]步骤S7中，R1的计算公式为
[0027][0028]公式(3)中，S为降水检测区域面积，将视为比例系数K1，D
ui
为粒子的直径像素数目，且D
ui
采用h
i
的数值；
[0029]R
u
的计算公式为
[0030]R
u
＝K2R1＝K1K2D
ui3
＝K
u
D
ui3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]公式(4)中，K2为将降雨量R1与实际降雨量拟合校准后得到的比例系数，K
u
为K1和K2进行融合得到的比例系数；
[0032]作为本专利技术的进一步优选，
[0033]步骤S8中，根据降水粒子速度以及水粒子直径的经验公式v(D)＝3.866
×
D
0.67
，得出雨滴的直径大小计算公式为
[0034][0035]公式(5)中，Y
i
为降水粒子在垂直方向长度，且Y
i
＝w
i
×
cosθ
i
，θ
i
为矩形与天顶的夹角，w
i
为矩形的宽度，K3为雨线长度与雨滴速度的比例系数；
[0036]接着计算降雨量R2，其计算公式为
[0037][0038]公式(6)中，S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像分析的降水测量装置，其特征在于：包括用来放置模块的第一箱体和第二箱体，第一箱体与第二箱体垂直布设；在第一箱体内安装主控模块、图像采集模块、雨雪检测模块、温度测量模块以及通信模块，且图像采集模块、温度测量模块、雨雪检测模块以及通信模块同时与主控模块连接；所述的第一箱体包括装置底盘，在装置底盘的侧壁上衔接装置前挡板，且装置底盘的侧壁与装置前挡板之间形成嵌设图像采集模块的通槽，装置底盘上覆设第一箱体上盖，雨雪检测模块安装在第一箱体上盖内表面，所述温度测量模块贴合固定在第一箱体上盖内表面；在第二箱体内安装光源模块，所述的光源模块与主控模块连接。2.根据权利要求1所述的基于图像分析的降水测量装置，其特征在于：所述图像采集模块包括红外摄像头，其嵌设在通槽内；在红外摄像头上套设滤光片套筒，滤光片套筒内向红外摄像头方向顺次叠设偏振片、红外高透滤光片以及940nm红外窄带滤光片。3.根据权利要求1所述的基于图像分析的降水测量装置，其特征在于：所述光源模块包括凸透镜、红外LED、散热器以及光源模块控制板，所述第二箱体为封闭结构，其一侧壁上开设贯通槽，在第二箱体内开设通槽的侧壁垂直布设相对排布的反射镜片；贯通槽在第二箱体内的端部安装凸透镜，红外LED安装在凸透镜焦点位置，且红外LED与凸透镜中心形成的连线垂直第二箱体开设贯通槽的侧壁；所述红外LED的正面正对凸透镜，红外LED的背面固定散热器，且在红外LED与散热器接触面涂抹导热硅脂；红外LED与光源模块控制板连接，光源模块控制板同时与主控模块连接。4.一种基于图像分析的降水测量装置的测量方法，其特征在于：步骤S1：雨雪检测模块检测到降水粒子，向主控模块发送脉冲信号，主控模块由待机模式进入工作模式，向红外摄像头以及光源模块控制板发出启动指令，光源模块控制板控制红外LED开启，红外摄像头根据环境红外光的强弱动态调节设备曝光参数，采集降水视频，同时提取视频关键帧，获取降水图像；步骤S2：采用灰度转换、中值滤波和直方图均衡化三种方法降低图像噪声干扰并增强降水粒子与背景间的对比度，通过迭代阈值法将图像二值化，得到二值图像，突出降水粒子轮廓；步骤S3：运用图像形态学操作去除图像中背景物或噪声干扰，以5邻域矩形结构元对二值图像进行腐蚀运算，再以同样结构元进行膨胀运算，去除二值图像中噪声点干扰，接着针对二值图像中可能出现的背景物干扰，以15邻域矩形结构元对二值图像进行上述的腐蚀和膨胀运算，再将步骤S2中获取的二值图像与经过腐蚀和膨胀运算后的图像做差值，去除图像中较大的像素块，得到滤除背景物干扰后的二值图像；步骤S4：针对降水图像中粒子相交情况，采用距离变换法获取降水粒子的质心并统计其数量，得到降水粒子的个数；步骤S5：针对降水图像中雨线倾斜情况，根据粒子轮廓提取出其最小外接矩形，获取矩形与天顶的夹角θ
i
、矩形的宽度w
i
和高度h
i
，得到降水粒子在垂直方向长度Y
i
以及数目；步骤S6：利用温度测量模块检测到的环境温度、降水粒子的倾斜角度和LBP级联分类器
识别的图像数据综合区分降水类型，其中，若环境温度大于设定值，则判定为降雨类型，若环境温度小于或等于设定值，则利用LBP级联分类器，将降水图像作为分类器的输入，识别降水类型，同时结合降水粒子倾斜角度的大小及环境温度的高低进行综合判断，最终判断为降雨粒子或者降雪粒子；步骤S7：降水过程中，根据球形体积公式结合粒子直径像素个数，获取单个雨滴的体积，再结合实际的降水检测区域面积S，计算得出降雨量R1，将前述求得的降雨量R1与实际降雨量进行拟合校准，得到比例系数K
u
以及降雨量R
u
；步骤S8：根据水粒子速度以及水粒子直径的经验公式，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐慧强，李浩，孙锦程，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：