一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法，首先无人机在观测江段保持与涌潮的动态同步跟踪，采集涌潮序列图像，根据涌潮潮头与背景有明显颜色差距的现象，通过颜色阈值分割方法，设置一个区别于背景的目标颜色的阈值，检测出图像中潮头区域，通过对潮头区域的涌潮潮头长度的计算以及沿主流方向的涌潮潮头的灰度值的变化计算单位距离的涌潮潮头灰度变化率，通过实验确定涌潮潮头灰度变化率和涌潮陡度的标度曲线，最后依据标度曲线插值得到涌潮陡度。本发明专利技术针创新性地将涌潮陡度的计算问题转化为图像灰度变化率的计算，具有安全性高、方便快捷、可连续观测以及涌潮覆盖范围大等优势。以及涌潮覆盖范围大等优势。以及涌潮覆盖范围大等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法


[0001]本专利技术属于海洋信息
，涉及一种涌潮观测方法，具体涉及一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法。

技术介绍

[0002]涌潮是入海河流河口段的一种潮水暴涨现象。涌潮是一种罕见的自然景观，其蕴含的巨大能量对河口过程有重要影响，也影响到航运和河口生态系统。然而由于涌潮来势迅猛、行进速度快、观测难度大，因此对涌潮的研究至今还很有限。
[0003]涌潮是水位、流速等要素急剧变化的潮波前峰，其水面破碎，俗称潮头。表征涌潮特性的指标有涌潮高度、涌潮最大流速、涌潮传播速度、涌潮潮景和涌潮陡度等。其中涌潮陡度是涌潮的一个重要特性，涌潮前锋并非铅垂面，而是一个具有一定坡度的斜面，其定义为涌潮潮头高度与沿主流方向潮头长度之比。在潮头高度相同的条件下，涌潮陡度越陡，则涌潮强度越大，因此涌潮陡度也是衡量涌潮强度的参数之一。
[0004]目前涌潮陡度的观测或计算方法主要可划分为现场观测方法和数值模拟方法。周胜在论文“钱塘江水下防护工程的研究与实践”(水利学报,1992)中采用示波仪记录涌潮潮头形状，进而再计算分析涌潮陡度，实测涌潮陡度量级一般为0.10～0.34。谢东风等在论文“基于实测资料的钱塘江涌潮水动力学特性研究”(水动力学研究与进展,2012)中提出了计算涌潮陡度的解析公式，并根据近年来钱塘江河口三次涌潮观测资料，复演了涌潮到达时潮头陡度急剧增加的过程，当最大陡度超过0.5时，自由表面开始破碎，波列第一个波的波前形成水滚，并逐渐影响涌波的流动。张舒羽等在论文“钱塘江涌潮对地形变化的响应研究”(海洋工程,2020)中采用涌潮数学模拟的方法计算了盐官断面的涌潮陡度。
[0005]目前涌潮陡度计算方法主要存在如下问题：现场观测方法需要设置观测平台，在平台上布置水位、流速等测量仪器设备，但涌潮动力强劲，破坏力极大，现场平台布设和观测难度极大；涌潮数值模拟方法的计算网格一般最小步长为50m，而实际情况中沿主流方向的潮头长度一般为5
‑
20米，因此较粗的计算网格直接导致涌潮陡度的计算结果远远小于实际值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了弥补现有涌潮陡度观测方法的不足，提出了一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法，创新性地将涌潮陡度的计算问题转化为图像灰度变化率的计算，该方法具有安全性高、方便快捷、可连续观测以及涌潮覆盖范围大等优势。
[0007]为此，本专利技术的技术方案是：一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法，包括以下步骤：
[0008]1)控制搭载了拍摄设备的无人机，使无人机在涌潮观测河段保持与涌潮的动态同步跟踪拍摄，并始终保持无人机处于涌潮潮头的正上方，无人机飞行高度根据涌潮观测的具体宽度和精度要求来计算确定；
[0009]2)采用颜色分割阈值方法对拍摄的涌潮图像进行颜色分割操作；
[0010]3)经过颜色阈值分割后，沿主流方向将观测河段划分为涌潮背景水域、涌潮潮头前景水域、涌潮背景水域三部分；
[0011]4)根据涌潮的背景和前景界限来确定涌潮潮头的前趾线，并计算涌潮潮头前趾低水位对应的灰度值GrayMin；
[0012]5)根据涌潮潮头前景水域计算确定涌潮潮头长度L；
[0013]6)计算沿主流方向的涌潮潮头灰度值的变化，确定涌潮潮头顶面高水位对应的灰度值GrayMax；
[0014]7)计算单位距离的涌潮潮头灰度变化率β，计算公式为：
[0015]β＝(GrayMax
‑
GrayMin)/L；
[0016]8)利用室内涌潮水槽试验，事先确定涌潮潮头灰度变化率和涌潮陡度的标定曲线；
[0017]9)依据步骤7)计算得到的涌潮潮头灰度变化率β，以及步骤8)的涌潮潮头灰度变化率和涌潮陡度的标定曲线，插值得到涌潮陡度P。
[0018]涌潮到达时会导致水位的急剧抬升，这种水位的急剧抬升在图像上呈现为灰度值梯度的突然变化，因此可借助于图像灰度的变化率来间接计算涌潮的陡度。图像分割是将不同的对象划分为不同的部分，并用明显的颜色加以区分，其中颜色分割是一种常见的针对对象中有明显颜色差别的图像分割方法。通过设置一个区别于背景目标颜色的阈值，检测出图像中潮头区域并计算涌潮潮头长度；通过分析沿主流方向的涌潮潮头的灰度值的变化，计算单位距离涌潮潮头灰度变化率；最后依据试验室确定的涌潮潮头灰度变化率和涌潮陡度的标度曲线来间接计算出涌潮陡度。
[0019]优选地，所述步骤1)中，在无人机上搭载三轴云台相机，相机始终垂直于涌潮水面拍摄，通过正射影获取图像；而后无人机保持与涌潮的动态同步跟踪，始终保持无人机处于涌潮潮头的正上方，连续获得动态的涌潮序列图像，其中无人机飞行高度计算公式为：
[0020]H1＝f*GSD/a
[0021]a＝L1/N
[0022]其中：H1表示无人机飞行相对高度，f表示相机焦距，GSD表示地面分辨率，a表示像片像素尺寸，L1表示相机感光器件尺寸，N表示像素数。
[0023]优选地，所述步骤2)中的颜色分割阈值方法，包括以下步骤：
[0024]i)选取特定颜色阈值，对拍摄的涌潮图像进行阈值分割；
[0025]ii)对阈值分割后的图像进行中值滤波处理；
[0026]iii)对滤波处理后的图像进行形态学开运算的操作；
[0027]iv)在图像中寻找最大连通域，即为涌潮潮头部分图像；
[0028]v)得到只包含涌潮潮头的黑白图像。
[0029]优选地，所述步骤ii)中，在输入图像中以任一像素为中心设置一个确定的邻域A，A的边长为2N+1,(N＝0,1,2,
…
m)，将邻域内各像素的强度值按大小顺序排列，取中间位置值作为该像素点的输出值，遍历整幅图像就可完成整个滤波过程。
[0030]优选地，所述步骤5)中，遍历到黑白图像的涌潮潮头前趾低水位对应的像素点作为潮头长度的起点，遍历到黑白图像的涌潮潮头末端对应的像素点作为潮头长度的终点，
终点和起点的平面距离即为涌潮潮头长度L。
[0031]优选地，所述步骤6)中的涌潮潮头顶面高水位对应的灰度值GrayMax，其确定方法为：从上而下，从左而右的顺序遍历颜色阈值分割后的黑白图像，首先遍历到的就是涌潮潮头前趾低水位对应的像素点，而后继续沿主流方向遍历潮头区域内的像素点的灰度值，将灰度值最大的像素值作为GrayMax。
[0032]优选地，所述步骤8中的室内涌潮水槽试验为：在室内涌潮玻璃水槽中模拟涌潮现象，利用摄像机捕捉涌潮形态，按照步骤2)～7)得出单位距离的涌潮潮头灰度变化率βn和涌潮潮头长度Ln，利用多个电容式波高传感器测试涌潮高度Hn，计算涌潮陡度Pn：
[0033]Pn＝Hn/Ln
[0034]通过调节水槽两端变频器的频率控制潮前水深的稳定，水体具有一定的潮前落潮流速，增加下游变频器不同的运行频率模拟各种强度的涌潮，采样时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法，其特征在于：包括以下步骤：1)控制搭载了拍摄设备的无人机，使无人机在涌潮观测河段保持与涌潮的动态同步跟踪拍摄，并始终保持无人机处于涌潮潮头的正上方，无人机飞行高度根据涌潮观测的具体宽度和精度要求来计算确定；2)采用颜色分割阈值方法对拍摄的涌潮图像进行颜色分割操作；3)经过颜色阈值分割后，沿主流方向将观测河段划分为涌潮背景水域、涌潮潮头前景水域、涌潮背景水域三部分；4)根据涌潮的背景和前景界限来确定涌潮潮头的前趾线，并计算涌潮潮头前趾低水位对应的灰度值GrayMin；5)根据涌潮潮头前景水域计算确定涌潮潮头长度L；6)计算沿主流方向的涌潮潮头灰度值的变化，确定涌潮潮头顶面高水位对应的灰度值GrayMax；7)计算单位距离的涌潮潮头灰度变化率β，计算公式为：β＝(GrayMax
‑
GrayMin)/L；8)利用室内涌潮水槽试验，事先确定涌潮潮头灰度变化率和涌潮陡度的标定曲线；9)依据步骤7)计算得到的涌潮潮头灰度变化率β，以及步骤8)的涌潮潮头灰度变化率和涌潮陡度的标定曲线，插值得到涌潮陡度P。2.如权利要求1所述的一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法，其特征在于：所述步骤1)中，在无人机上搭载三轴云台相机，相机始终垂直于涌潮水面拍摄，通过正射影获取图像；而后无人机保持与涌潮的动态同步跟踪，始终保持无人机处于涌潮潮头的正上方，连续获得动态的涌潮序列图像，其中无人机飞行高度计算公式为：H1＝f*GSD/aa＝L1/N其中：H1表示无人机飞行相对高度，f表示相机焦距，GSD表示地面分辨率，a表示像片像素尺寸，L1表示相机感光器件尺寸，N表示像素数。3.如权利要求1所述的一种基于图像灰度变化率的涌潮陡度间接计算方法，其特征在于：所述步骤2)中的颜色分割阈值方法，包括以下步骤：i)选取特定颜色阈值，对拍摄的涌潮图像进行阈值分割；ii)对阈值分割后的图像进行中值滤波处理；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李若华，黄霄宇，丁涛，张舒羽，胡立芳，李金页，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：