一种快速高精度的水质透明度测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种环境水质监测及水文测量技术领域,具体地涉及一种快速高精度的水质透明度测量装置及其测量方法。

背景技术：

水资源，作为人类生活和幸福的重要资源，随着利用和开发强度的加大而日益受到退化的威胁，在这种情况下，人们越来越关注监测水环境的污染，以减少人类健康风险和保护生态系统。水透明度，作为水质评估的关键参数之一，表征水体光学特征，可以评价水体富营养化程度并能直观地反映水体的污染情况，正在得到越来越广的关注。水质透明度的准确测定，不仅有利于分析水体悬浮泥沙浓度及有色溶解质含量，还可为水下光学成像系统性能评估、水下成像质量影响因素分析提供重要支持。

现有透明度测量技术主要分为基于铅字法、十字法或塞氏盘法等人眼观测为主的传统测定方法和基于光电感应器件或以高光谱获取和测量为代表的水质固有光学性质测量的新型测定方法；近年来也有基于塞氏盘原理、利用图像分析和液位传感器，通过测定临界分辨塞氏盘时水位高度来计量水体透明度的方法报道。但是，传统方法存在受观测器性能、观测人眼睛近似程度、现场光照条件、塞氏盘颜色老化和测量绳倾斜以及水平面不平等主客观因素制约，测量结果缺乏客观代表性，而且不能测出水质在水平方向的透明度；水质固有光学性质的测定，虽然一定程度上解决了上述客观因素制约，但固有光学性质并不能全部反应透明度概念，并且仪器系统复杂、成本及技术门槛较高、价格昂贵，在民用领域的发展和应用十分有限。

利用原有塞氏盘技术基础，使用相机或者摄像机替代人眼，获取水体透明度的方法不仅可以解决人为观测带来的缺乏客观代表性问题，还能全面测量水体透明度值，而且成本可控。但现报道的基于塞氏盘成像测量水体透明度的文章及专利所讲述的方法核心是通过控制器分析塞氏盘图像临界消失时水位高度值来进行透明度获取，但在实际应用中，受临界消失的判定依据模糊及相机本身固有景深特性等客观调节制约，准确判断塞氏盘图像临界消失是非常或者难以做到，从而引入较大的测量误差，仪器精准度较低。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提供一种简单方便并能保持高测量精度的新型水体透明度测量装置及其测量方法，该装置采用窄视场低景深相机对固定位置、固定亮度和固定大小的透明度测量盘成像,控制器获取相片像素、分辨率和对比度信息,与标准透明度水质下，相同拍摄条件所获取的相片信息比对,获取相片像素、分辨率和对比度差异，得出待测水质透明度，该装置具备精度高、体积小、价格低、实用性高特点。

本发明的技术方案是：一种基于在固定拍摄条件下，通过对比待测水质中透明度测量盘相片像素、分辨率、对比度信息与标准水质下相片对应信息得出待测水质透明度的水质透明度测量装置，该装置包括透明度测量盘、光学机构、控制机构和可匹配上述各组件的外壳体；

所述外壳体为半封闭不锈钢材料壳体结构，壳体机构外部具备出入水口和通讯控制线路出口，内部具备腔体结构，腔体连通出入水口，腔体两侧具备两个正对的圆形通光口；

所述透明度测量盘位于腔体下方，且处于光学机构前景深位置处，具备塞氏圆盘基础图样及白光照明组件，透明度测量盘面积大于相机物方视场在透明度测量盘处横截面面积，所述白光照明组件位于测量盘背部中心位置；

所述光学机构由相机及光学镜片组成，相机及光学镜片依次排列，并位于腔体上方通光口处，光学机构光轴正对透明度测量盘中心、并具备窄视场、低景深特点，可完成对上述透明度测量盘中心区域成像；

所述控制机构由图片信息采集处理组件、通信装置及相机和光源驱动模块构成，各子组件固定于上述外壳体上，并不阻挡相机拍照光路。

本发明提供一种基于相片像素、分辨率和对比度比对的水质透明度测量方法，设定除水质不同外，完全相同的条件，获取待测水质和标准水质下透明度测量盘照片，分析两种水质照片的像素、分辨率和对比度信息，从而推算待测水质透明度值，具体步骤如下：

步骤一：将水质透明度测量装置置于已标定透明度的水质中进行图片信息采集；

步骤二：在不改变装置任何参数设置的情况下，将水质透明度测量装置置于待测透明度水质中进行图片信息采集；

步骤三：控制组件分析两种水质照片的像素、分辨率和对比度信息，推算待测水质透明度值。

本发明的有益效果是：

采用相片像素、分辨率和对比度差异作为自变量，通过后台计算获取透明度值，不需要获取图像临界图像，有效避免了利用临界图像获取由于景深或者识别不准引入的测量误差，经实际试验，精准度达到0.1cm,效果相比传统方法提升超过10倍。

采用透明度测量盘固定的结构，不需要传统方法中下放测量盘操作，有效避免了液位传感器和机械结构的使用，简化了装置结构并降低成本。

采用固定照度的白光源照射透明度测量盘，并将透明度测量盘和光学机构置于内腔结构中，避免了外界光干扰并保证了相机采集透明盘图样的一致性。

本装置测量方法简单、测量速度快，一般情况下，测量时间不超过30s。

附图说明

图1为一种水质透明度检测装置的结构示意图；

图2为一种水质透明度检测装置的塞氏盘及入水口示意图；

图3为一种水质透明度检测装置出水口分布示意图。

图中：1为外壳体,2为控制机构，3为光学机构，4为透明度测量盘，5-1为出水口，5-2为进水口，6为水体上密封盖，7为水腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1、2、3所示，一种水质透明度检测装置，包括圆柱形壳体1、控制机构2、光学机构3、密封的透明度测量盘4、出水口5-1、进水口5-2、内腔7和内腔上密封盖板6。所述光学机构3的主光轴穿过透明度测量盘4的中心并与圆柱形壳体1中心轴线重合；所述透明度测量盘4与光学机构3分布在水腔7两侧，并保持固定距离。

上述控制机构2内部设置有通信部件、控制部件、运算部件和驱动部件，为装置工作提供所需驱动，并具备外部通讯、设备控制和信号采集分析功能，

上所述光学机构3主要由相机和光学镜头组成；为消除影响，相机及光学镜头组合成的光学机构所形成的视场角小于相机至透明度测量盘有效区域边缘夹角。

上述透明度测量盘4，如图2所示，测量盘固定于外壳体1上，呈现黑白两色区域区别，并在外周边设有圆周分布的进水口5-2，其有效区域是指进水口5-2以内区域，透明度测量盘4背部设有白色光源，光源为透明度盘提供均匀照明。

如图3所示，内腔7顶部结构示意图，内腔7顶部圆心位置设有光学机构3的入光口，并在圆周区域设有出水口5-1。

所述出水口5-1和进水口5-2均设有阀门装置，可通过控制机构发出的信号进行开关动作，实现规定位置的水样采集。

利用本装置实现水质透明度测量的方法如下：进行装置定标，将透明度测量装置置于已知透明度的标准水中，依次开启进水口和出水口，使得水样进去水腔中，采集透明度测量盘相片信息，获取照片像素值、分辨率和对比度信息，优选地，此步骤可在出厂前或者维修保养时进行。进行水质测量，利用动力装置或者重力作用，将透明度测量装置竖直向下置于待测水质中，依次开启进水口和出水口，待水样完全进入水腔中后，采集透明度测量盘照片像素值、分辨率和对比度，控制组件利用与标准水质中相片像素值、分辨率和对比度信息比较，获取待测水质透明度。

本装置具备多种使用方式，信息量大。透明度测量盘正面设计为与人工观测的透明度盘形状、颜色一致，在测量过程中可准确实现对水质透明度的测量。本装置使用方法为与标准水质下照片参数对比，与传统方法相比，提高了测量准确度，并内置复色光源及水腔设计，可实现夜间测量并摆脱了自然光光源对测量结果的影响。