采用图像视觉处理技术的水环境监测系统的工作方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用图像视觉处理技术的水环境监测系统的工作方法，包括：测量管，其下端口适于进入水面，上端口正上方设一摄像装置，该摄像装置适于拍摄测量管内的水面影像；视频采集模块，与摄像装置相连适于将采集图像变换为数字图像；与视频采集模块相连的图像处理模块，该图像处理模块存储有第一样本数据，第一样本数据适于记录各种水质的灰度值；与图像处理模块相连的用于接收远程控制信号并输出水质情况的无线通讯模块；设于测量管的外围的用于使该测量管垂直浮于水面的浮子，该浮子上设有至少一个用于控制测量管在水面上的位置的螺旋桨；图像处理模块适于对数字图像进行灰度处理，以获得水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。
【专利说明】
采用图像视觉处理技术的水环境监测系统的工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电子测量领域，尤其涉及一种图像视觉处理技术实现水位和水质 监测装置。
【背景技术】
[0002] 现有的水位监测装置往往只能单独的检测水位，无法检测水质，需要另外采用水 质监测装置来实现，如何实现同时测量水位和水质是本领域的技术难题。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种适于进行水质测量的水环境监测系统，该水 环境监测系统采用灰度检测原理进行水质监测，即对拍摄的水面影像进行灰度处理得到该 水面影像的灰度值以获得水质情况。
[0004] 本发明提供了 一种水环境监测系统，包括： 使用时上下分布的测量管，其下端口上设有照明装置并在使用时进入水面，测量管的 上端口处设一摄像装置，该摄像装置适于拍摄所述测量管内的水面影像； 视频采集模块，与所述摄像装置相连，适于将采集得的图像变换为数字图像； 与所述视频采集模块相连的图像处理模块，该图像处理模块存储有第一样本数据，所 述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值(水质越差，灰度值越高）； 与所述图像处理模块相连的用于接收远程控制信号并输出水质情况的无线通讯模块； 设于所述测量管的外围的用于使该测量管垂直浮于水面的浮子，该浮子上设有至少一 个用于控制所述测量管在所述水面上的位置的螺旋桨； 所述水环境监测系统的工作方法包括:所述图像处理模块适于对所述数字图像进行灰 度处理，以获得所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。
[0005] 无线通讯模块为GSM、3G、4G或无线载波通讯模块。
[0006] 所述水环境监测系统还包括:设于水岸上的与所述无线通讯模块进行无线通讯的 无线控制器，优选带GSM、3G或4G通讯模块的PC机或平板电脑。
[0007] 摄像装置采用定焦广角镜头，或定焦镜头。
[0008] 进一步，所述浮子为盘形且固定套设于所述测量管上，所述螺旋桨包括中心对称 分布在所述浮子上的三个;所述无线通讯模块连接有用于根据所述远程控制信号控制各螺 旋桨的工作状态，以实时控制所述测量管在所述水面上的位置的螺旋桨控制器。为了避免 拍摄时环境光线对水面影像的影响，所述测量管的内壁上设有适于吸收光线的黑色涂层。
[0009] 进一步，为了避免拍摄时水底环境光线对水面影像的影响，并在不拍摄时保持水 流畅通，以使所述测量管内的水质与实际水质一致，所述测量管在位于水面下方的管壁上 分布有多个通孔，且该测量管的底端封闭；在水面下方的管体上套设一管壁上分布有通孔 的套管;所述套管与一适于驱动该套管绕所述测量管转动的转动机构传动连接，该转动机 构由一与所述摄像装置相连的控制器控制，在不拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动 套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔分别相对，以使水流适于进出所述测量 管;在拍摄水面影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管 上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管。
[0010]作为另一种实施方式，所述测量管的在使用时位于水面下方的管壁上分布有多个 通孔，在水面下方的管体上套设一套管;所述套管与一适于驱动该套管沿所述测量管上下 位移的位移驱动机构传动连接，该位移驱动机构由一与所述摄像装置相连的控制器控制； 在拍摄水面影像时，控制所述位移驱动机构带动套管向上位移，以使所述套管覆盖所述测 量管上的各通孔，以防止外部光线进入所述测量管;在不拍摄水面影像时，控制所述套管向 下位移，并使所述套管不覆盖所述测量管上的各通孔，以使水流适于进出所述测量管。所述 位移驱动机构为设于所述测量管上的、与所述套管相连的气缸、油缸或直线电机等适于实 现直线位移的装置。
[0011]进一步，为了实现对所述水环境监测系统的水位测量，所述水环境监测系统还包 括:柔性标尺，一端固定在水底，另一端与一适于收卷该柔性标尺的收卷装置相连，该收卷 装置固定于所述测量管上；导向轮，设于所述测量管的内壁上，在该测量管的内壁上邻近 所述导向轮的上、下方分别设有与所述导向轮的轮轴平行的上、下导向杆，所述柔性标尺适 于分别从所述上、下导向杆与测量管的内壁的间隙中穿过并贴合在所述导向轮的内侧轮面 上，所述导向轮的顶部处于水面上方。
[0012] 为了使摄像装置在拍摄时，更加容易区分水面影像的边缘，所述测量管内还包括 白色的管内浮子，该管内浮子为具有垂向设置的中央通孔的柱状结构，所述摄像机构适于 拍摄所述中央通孔中的水面影像，且该管内浮子适于随水面在所述测量管内上下浮动。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1)本发明通过水面影像以获得水质的 相应情况，装置简单，便于在野外或者无条件进行水质化验的情况下进行便捷的水质测量 或预判，无需繁琐步骤；（2)通过测量管在位于水面下方的管壁上分布有多个通孔，测量管 的底端封闭，以及与分布通孔的套管进行配合，使在不拍摄水面影像时，控制所述转动机构 带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔吻合以适于水流流通;在拍摄水面 影像时，控制所述转动机构带动套管旋转以使所述测量管上的通孔和套管上的通孔彼此错 开，以防止外部光线进入所述测量管;上述部件的组合使得在进行水质判断时，避免了水下 光线的影响，使拍摄的水面影像更加准确，以进一步提高水质监测的精度；（3)通过柔性标 尺、所述测量管的外围设有适于使该测量管竖直浮于水面的浮子、导向轮等部件，使所述水 环境监测系统可以漂浮在水面上进行水位测量，以获得更加准确的水位值。
【附图说明】
[0014] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图， 对本发明作进一步详细的说明，其中 图1本发明的水环境监测系统的结构示意图。
[0015] 图2本发明的转动机构、控制器、摄像装置的连接示意图； 图3本发明的转动机构的一种实施方式； 图4本发明的转动机构的另一种实施方式； 图5本发明的转动机构的另一种实施方式中各限位杆的结构俯视图； 图6本发明的水位检测系统的用于水位检测部分的结构示意图。
[0016] 其中，测量管1、水面2、水面影像2-1、浮子3、柔性标尺4、收卷装置5、导向轮6、上导 向杆7-1、下导向杆7-2、套管8-1、密封腔8-2、步进电机8-3、电动机8-4、转轴8-5、限位横杆 8-6、第一限位杆8-7a、第二限位杆8-7b、第三限位杆8-7c、第四限位杆8-7d。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明： 实施例1 如图1，一种水环境监测系统，包括： 测量管1，其下端口上设有照明装置并在使用时该下端口适于整体进入水面2，上端口 处设一摄像装置，该摄像装置适于拍摄所述测量管1内的水面影像2-1; 视频采集模块，与所述摄像装置相连适于将采集图像变换为数字图像； 与所述视频采集模块相连的图像处理模块，该图像处理模块存储有第一样本数据，所 述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值； 与所述图像处理模块相连的用于接收远程控制信号并输出水质情况的无线通讯模块； 设于所述测量管的外围的用于使该测量管垂直浮于水面的浮子，该浮子为盘形且固定 套设于所述测量管上，所述螺旋桨包括中心对称分布在所述浮子上的三个;所述无线通讯 模块连接有用于根据所述远程控制信号控制各螺旋桨的工作状态，以实时控制所述测量管 在所述水面上的位置的螺旋桨控制器； 所述图像处理模块适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得所述水面影像2-1的灰 度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况。
[0018] 水质检测原理是利用不同水质相应的灰度值样本与待检测的水面影像的灰度值 进行比较，即图像处理模块存储有不同水质的各灰度值样本，即第一样本数据。
[0019] 采用MATLAB库函数对所述水面影像2-1进行相应灰度值处理，步骤如下： I=imread( 'image, jpg'）； ％打开待处理图片（8位灰度） imshow(I); %显示该图片 C=mean2(I); %计算图像像素矩阵的平均值 通过mean2函数就可以计算出所述水面影像2-1的灰度值。
[0020] 表1是各种水质的平均灰度值，即第一样本数据：
按照一般常识，这些水样本的水质优劣可以这样排列:纯净水〉绿茶水〉游泳池水〉河水 >混有泥浆的水〉被染料污染的水〉工业废水~墨汁水，当水体采样图像灰度值(亮度值)越 小时，可认为其水质越差，反之亦然。因而在水质检测时，可以通过对水体总体灰度的计算 得出相应的水质结论，还可以通过样本提取、神经网络、模式识别等更高级的处理手段，做 到检测浊度等更细化的水质指标。
[0021] 例如，若检测到的水面影像2-1的灰度为85,则得出该水质与河水的水质相当。
[0022]实施例二 在实施例一的基础上，为了避免外界光线对水面影像2-1的影响，所述摄像装置与上端 口密封连接，所述测量管1的内壁上设有适于吸收光线的黑色涂层。
[0023] 实施例三 见图2,进一步，在实施例二的基础上，为了进一步避免水下光线对拍摄的影响，以提高 拍摄的水面影像2-1的亮度、色度的准确性，所述测量管1在位于水面2下方的管壁上分布有 多个通孔，且该测量管1的底端封闭；在水面2下方的管体上套设一分布有通孔的套管8-1; 所述套管8-1与一适于驱动该套管8-1绕所述测量管1转动的转动机构传动连接，该转动机 构由一与所述摄像装置相连的控制器控制，在不拍摄水面影像2-1时，控制所述转动机构带 动套管8-1旋转以使所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合以适于水流流通;在拍 摄水面影像2-1时，控制所述转动机构带动套管8-1旋转以使所述测量管1上的通孔和套管 8-1上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管1。
[0024]所述转动机构控制套管绕所述测量管1转动的【具体实施方式】： 见图3,所述测量管1的底部下端面与套管8-1的底部上端面之间形成密封腔8-2,该密 封腔8-2以起到防水作用，在该密封腔8-2内设有一步进电机8-3,通过步进电机8-3可以设 置转动角度，使所述测量1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合或者彼此错开(通孔图中未画 出），步进电机8-3的机座固定于所述测量管1的底部下端面，且该机座的中心位置与所述底 部下端面的中心位置相对应，即同轴，所述步进电机8-3的转轴一端与所述套管8-1的底部 上端面相连以带动套管8-1绕所述测量管1转动，该步进电机8-3由控制器控制。
[0025] 也可以把步进电机8-3的转轴一端固定于所述测量管1的底部下端面，机座同轴固 定于所述套管8-1的底部上端面，当步进电机8-3转动时，由于转轴被固定，不会旋转，则机 座就会旋转，即机座带动套管8-1绕所述测量管1转动。
[0026] 见图4,还可以在所述密封腔8-2内安装电动机8-4,电动机8-4的机座固定于所述 测量管1的底部下端面，且该底部下端面的中心位置与该机座的中心位置相对应，即同轴， 所述电动机8-4的转轴8-5-端与所述套管8-1的底部上端面相连，由于电动机8-4在旋转的 时候很难控制转动的角度，所以在所述电动机8-4的转轴8-5上安装有一限位横杆8-6,在所 述套管8-1的底部上端面安装有两对限位杆，所述限位横杆8-6嵌于所述两对限位杆（即第 一、第二限位杆为一对，第三、第四限位杆为一对)之间，所述电动机8-4转动时，带动所述套 管8-1绕所述测量管1旋转，两对限位杆限定了电动机8-4的旋转角度。
[0027] 见图5,具体工作过程，设所述限位横杆8-6两端处于第二限位杆8_7b、第三限位杆 8-7c处时，所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合，所述限位横杆8-6两端处于第一 限位杆8-7a、第四限位杆8-7d处时，所述测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此错开，以 防止光线进入测量管1。
[0028] 当摄像装置准备拍摄时，电动机8-4控制转轴8-5带动限位横杆8-6旋转至第一限 位杆8-7a和第四限位杆8-7d处时，电动机8-4停止工作，这时所述测量管1上的通孔和套管 8-1上的通孔彼此错开，以防止外部光线进入所述测量管1，摄像装置进行拍摄，拍摄完毕， 电动机8-4反转，所述限位横杆8-6旋转至第二限位杆8-7b和第三限位杆8-7c处时，使所述 测量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合，使水流流通。
[0029] 当然这种方案中限位杆也可以利用限位槽来替代，该限位槽的槽口宽度大于所述 限位横杆8-6。
[0030] 实施例四 在实施例一至三的基础上，进行水位的测量，该技术方案如下： 所述测量管1内还包括管内浮子，该管内浮子为具有垂向设置的中央通孔的柱状结构， 所述摄像机构适于拍摄所述中央通孔中的水面影像，且该管内浮子适于随水面在所述测量 管1内上下浮动;通过拍摄管内浮子内的水面影像2-1使该水面影像2-1的边缘更加清晰，便 于提取该水面影像2-1的面积。
[0031] 实施例五 见图6,在实施例一至三的基础上，进行水位测量的方案如下： 所述测量管1的上端口处固定安装有一摄像装置，所述测量管1的外围设有适于使该测 量管1竖直浮于水面2的浮子3,并且通过该浮子3能使测量管1浮于水面，无需另外固定。 [0032] 所述水环境监测系统还包括： 柔性标尺4，一端固定在水底，另一端与一适于收卷该柔性标尺4的收卷装置5相连，该 收卷装置5固定于所述测量管1的上部； 导向轮6，设于所述测量管1的内壁上，在该测量管1的内壁上邻近所述导向轮上、下方 分别设有上导向杆7-1、下导向杆7-2,所述柔性标尺4适于从所述上导向杆7-1、下导向杆7-2穿过并贴合在所述导向轮6的内侧轮面上，所述导向轮6的顶部处于水面上方。
[0033] 该实施例六进行水位测量的原理是利用摄像装置在拍摄水面影像2-1时，同时拍 摄被导向轮6撑起的柔性标尺4,柔性标尺4的刻度被撑起后很容易被拍到，就得到了实际水 位。
[0034] 由于导向轮6很小，在进行水质检测的时，拍摄的水面影像2-1进行灰度处理时导 向轮、标尺等部件可以忽略不计，并不会影响到水面影像2-1的灰度值计算。
[0035] 并且所述柔性标尺4伸入水底并不影响所述测量管1的底端封闭。
[0036] 本发明还可以采用Canny检测算子对于灰度分量进行边缘提取，以获得水面影像 2-1的各面积像素值，具体步骤参见发明专利，申请号200910232679.6,名称为"基于图像视 觉的水位测量系统和方法"。
[0037]期刊《计算机与现代化》2006年06期，黄蕾、刘文波的论文"基于CNN的灰度图像边 缘提取算法中模板参数的研究"中对灰度边缘提取也有详细说明，本发明也同样可以采用 该算法。
[0038] 期刊《南京航空航天大学》2006年，黄蕾的论文"基于细胞神经网络的图像边缘提 取算法研究"中对描述了采用神经网络对图像进行边缘提取的方法，该方法也同样适用于 本发明。
[0039] 从表2中得到摄像装置距离水面2的高度后，所述摄像装置的安装高度减去所述摄 像装置距离水面2的高度以获得水位值。
[0040] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的 实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发 明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种水环境监测系统的工作方法，其特征在于包括： 使用时上下分布的测量管，其下端口上设有照明装置并在使用时该下端口进入水面， 测量管的上端口处设一摄像装置，该摄像装置适于拍摄所述测量管内的水面影像； 视频采集模块，与所述摄像装置相连，适于将采集得的图像变换为数字图像； 与所述视频采集模块相连的图像处理模块，该图像处理模块存储有第一样本数据，所 述第一样本数据适于记录各种水质的灰度值； 与所述图像处理模块相连的用于接收远程控制信号并输出水质情况的无线通讯模块； 设于所述测量管的外围的用于使该测量管垂直浮于水面的浮子，该浮子上设有至少一 个用于控制所述测量管在所述水面上的位置的螺旋桨； 所述的工作方法包括:所述图像处理模块适于对所述数字图像进行灰度处理，以获得 所述水面影像的灰度值，该灰度值与第一样本数据进行比对得出水质情况； 所述测量管的在使用时位于水面下方的管壁上分布有多个通孔，在水面下方的管体上 套设一套管;所述套管与一适于驱动该套管沿所述测量管上下位移的位移驱动机构传动连 接，该位移驱动机构由一与所述摄像装置相连的控制器控制;在拍摄水面影像时，控制所述 位移驱动机构带动套管向上位移，以使所述套管覆盖所述测量管上的各通孔，以防止外部 光线进入所述测量管;在不拍摄水面影像时，控制所述套管向下位移，并使所述套管不覆盖 所述测量管上的各通孔，以使水流适于进出所述测量管； 所述测量管的底部下端面与套管的底部上端面之间形成密封腔，在该密封腔内设有一 步进电机，通过步进电机使所述测量上的通孔和套管上的通孔吻合或者彼此错开； 所述水环境监测系统还包括:柔性标尺，一端固定在水底，另一端与一适于收卷该柔性 标尺的收卷装置相连，该收卷装置固定于所述测量管上；导向轮，设于所述测量管的内壁 上，在该测量管的内壁上邻近所述导向轮的上、下方分别设有与所述导向轮的轮轴平行的 上、下导向杆，所述柔性标尺适于分别从所述上、下导向杆与测量管的内壁的间隙中穿过并 贴合在所述导向轮的内侧轮面上，所述导向轮的顶部处于水面上方。
【文档编号】G08C17/02GK105865582SQ201610237731
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2013年4月12日
【发明人】不公告发明人
【申请人】蔡留凤