【技术实现步骤摘要】
本公开涉及野外河流表面流速测量领域，具体涉及一种野外河流表面的二维时空图像测速方法、装置和存储介质。
技术介绍
1、河流流速是重要的水文参数。在目前诸多测量方法中，图像类方法由于具有非接触、大范围测量等优势，越来越多的应用到河流的测量中。传统的时空图像测速法(space-time image velocimetry,stiv)需要人为预设河流流动方向，以河流表面纹理运动来计算河流表面速度。由于野外的河流在地形地貌、气候、地质、科里奥利力等因素的作用下一般都是弯曲的，流动方向变化较大，导致判断河流方向较为困难，甚至无法提前判断河流的方向，因此stiv在应用到野外河流测量的时候会受到限制。
2、此外，采用示踪粒子计算河流表面流速的现有技术均需要河流表面存在显著的示踪物。但是，在野外大范围河流表面施放人工示踪物费时费力，并且难以撒布均匀，在大面积测量中基本不可能采用。天然示踪物如漂浮的树枝等出现时间和地点都有很大的随机性，难以保证其数量和密度。因此，在野外应用都存在较大的局限性。
技术实现思路
1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
2、为此，本公开第一方面提供的一种野外河流表面的二维时空图像测速方法，无需预先指定测点的流速方向，解决了流动方向变化较大的野外河流表面的流速测量问题，避免了在野外大范围河流表面施放人工示踪物的费时费力问题，实现对野外河流表面流速大小及方向的同时测量。
3、本公开第一方面提供的野外河流表面的二维时空图像测速方法
4、步骤s1、采集野外河流待测断面位置处的表面流动图像，以此构建原始图像序列；
5、步骤s2、对所述原始图像序列中的各原始图像进行预处理，得到预处理后的图像序列；
6、步骤s3、针对所述预处理后的图像序列中的各图像，首先对图像进行网格划分，然后在各网格节点上设置一条水平的测速线，通过等间距旋转该测速线的方式得到以网格节点为圆心且在[0,2π]范围内的一系列测速线，将该一系列测速线记为网格节点的旋转测速线，根据各网格节点的旋转测速线的纹理变化合成各网格节点的若干时空图像，计算各时空图像的自相关系数，选择自相关系数最大的时空图像，得到每个网格节点的优选时空图像；针对每张所述优选时空图像，设置中点位于所述优选时空图像的中心的线段，所述线段的长度为所述优选时空图像的边长中较短的长度，通过等间距旋转所述线段的方式得到以所述优选时空图像的中心为圆心且在[0,2π]范围内的一系列旋转线段，计算各条旋转线段的自相关系数，将各条旋转线段的自相关系数进行加和，将自相关系数和最大值所在的旋转线段的角度作为河流流速方向，将所述河流流速方向的正切值作为河流流速大小。
7、在一些实施例中，步骤s1中，所述待测断面位置应选择方便放置标志点的河岸位置且其河流表面具有稳定的流动状态。
8、在一些实施例中，步骤s1中，采用无人机携带高清摄像机的方式获取野外河流待测断面位置处的表面流动视频，对所述表面流动视频逐帧提取图像，得到若干所述表面流动图像。
9、在一些实施例中，步骤s2中，对各原始图像进行的预处理包括依次对各原始图像进行图像校正和图像增强。
10、在一些实施例中，所述图像校正，包括以下步骤：
11、以所述原始图像序列中的第一张原始图像为基准，选取原始图像中岸边的若干非运动的特征区域；
12、将所述原始图像序列中其余每张原始图像的特征区域内的灰度图像均分别与第一张原始图像进行互相关运算，得到每张原始图像中各特征区域的旋转和位移；
13、根据每张原始图像中各特征区域的旋转和位移，得出各原始图像与第一张原始图像对应的仿射变换的矩阵；
14、根据各原始图像与第一张原始图像对应的仿射变换矩阵对每张原始图像进行逆变换，使每张原始图像的对应点具有相同坐标，形成校正后的图像序列。
15、在一些实施例中，步骤s3中，相邻两测速线之间的夹角的取值范围为0.1°～10°。
16、在一些实施例中，步骤s3中，相邻两旋转线段之间的夹角的取值范围为0.1°～10°。
17、在一些实施例中，步骤s3中，按照以下步骤计算所述时空图像和优选时空图像的自相关系数：
18、对所述时空图像或优选时空图像进行边缘检测，以减小图中噪声；
19、按照下式计算时空图像或优选时空图像的特征梯度r(τx,τy)：
20、
21、其中，f(x,y)是时空图像或优选时空图像中坐标为(x,y)的像素点的灰度分布，(τx,τy)是时空图像或优选时空图像中坐标为(x,y)的像素点的纹理位移参数；
22、对所述时空图像或优选时空图像的特征梯度作归一化处理，得到所述时空图像或优选时空图像的自相关系数。
23、本公开第二方面提供的一种野外河流表面的二维时空图像测速装置，包括：
24、图像采集模块，用于采集野外河流待测断面位置处的表面流动图像，以此构建原始图像序列；
25、图像预处理模块，用于对所述原始图像序列中的各原始图像进行预处理，得到预处理后的图像序列；
26、流速和流向计算模块，用于针对所述预处理后的图像序列中的各图像，首先对图像进行网格划分，然后在各网格节点上设置一条水平的测速线，通过等间距旋转该测速线的方式得到以网格节点为圆心且在[0,2π]范围内的一系列测速线，将该一系列测速线记为网格节点的旋转测速线，根据各网格节点的旋转测速线的纹理变化合成各网格节点的若干时空图像，计算各时空图像的自相关系数，选择自相关系数最大的时空图像，得到每个网格节点的优选时空图像；针对每张所述优选时空图像，设置中点位于所述优选时空图像的中心的线段，所述线段的长度为所述优选时空图像的边长中较短的长度，通过等间距旋转所述线段的方式得到以所述优选时空图像的中心为圆心且在[0,2π]范围内的一系列旋转线段，计算各条旋转线段的自相关系数，将各条旋转线段的自相关系数进行加和，将自相关系数和最大值所在的旋转线段的角度作为河流流速方向，将所述河流流速方向的正切值作为河流流速大小。
27、本公开第三方面提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机根据本公开第一方面任一实施例所述的野外河流表面的二维时空图像测速方法。
28、与现有技术相比，本公开具有以下特点：
29、本公开实施例使用相关系数比较法识别图像纹理最为清晰的测速线角度，实现对野外河流表面流速方向和大小的同时测量，具体地，通过构建旋转测速线/旋转线段，当测速线/旋转线段与河流流动方向一致时，形成的时空图像中的纹理清晰且自相关系数最大，根据相关系数最大值原理确定测速线方向代表流动方向，同时获得流速大小，从而得到野外河流表面的二维流速场。
30、与现有技术相比，本公开具有以下有益效果：
31、1、本公开实施例利用河本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种野外河流表面的二维时空图像测速方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤S1中，所述待测断面位置应选择方便放置标志点的河岸位置且其河流表面具有稳定的流动状态。
3.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤S1中，采用无人机携带高清摄像机的方式获取野外河流待测断面位置处的表面流动视频，对所述表面流动视频逐帧提取图像，得到若干所述表面流动图像。
4.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤S2中，对各原始图像进行的预处理包括依次对各原始图像进行图像校正和图像增强。
5.根据权利要求4所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，所述图像校正，包括以下步骤：
6.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤S3中，相邻两测速线之间的夹角的取值范围为0.1°～10°。
7.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤S3中，相邻两旋转线段之间的夹角的取值范围为0.1°～10°。
8.根据
9.一种野外河流表面的二维时空图像测速装置，其特征在于，包括：
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1～8中任一项所述的野外河流表面的二维时空图像测速方法。
...【技术特征摘要】
1.一种野外河流表面的二维时空图像测速方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤s1中，所述待测断面位置应选择方便放置标志点的河岸位置且其河流表面具有稳定的流动状态。
3.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤s1中，采用无人机携带高清摄像机的方式获取野外河流待测断面位置处的表面流动视频，对所述表面流动视频逐帧提取图像，得到若干所述表面流动图像。
4.根据权利要求1所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，步骤s2中，对各原始图像进行的预处理包括依次对各原始图像进行图像校正和图像增强。
5.根据权利要求4所述的二维时空图像测速方法，其特征在于，所述图像校正，包括以...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈梦婷，钟强，陈启刚，韩潇琳，陈科冰，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：
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