專利名稱：基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雨量檢測設(shè)備，屬于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、雨量可視化技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在雨量檢測方面的應(yīng)用，主要適用于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、氣象、水文、海洋、軍事、機(jī)場、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前降水傳感器主要是翻斗式雨量傳感器、浮子式雨量傳感器和虹吸式雨量傳感器，這三種雨量傳感器在原理上和結(jié)構(gòu)上幾十年來一直沒有改變。
現(xiàn)有翻斗式雨量傳感器歷經(jīng)了數(shù)十年的發(fā)展和改進(jìn)，以其結(jié)構(gòu)簡單、無功耗的突出優(yōu)點(diǎn)得到廣泛推廣使用，并仍將其作與固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)的配套的推薦型傳感器。由于翻斗式雨量傳感器自身固有的缺陷和不足之處十分明顯和突出，如測量精度差、測量誤差隨雨強(qiáng)變化劇烈、受外界隨機(jī)因素影響大、儀器安裝調(diào)整煩瑣，使用中規(guī)范檢定困難等缺陷和不足；越是分辨率高的雨量傳感器，在大暴雨條件下測量精度越差，大暴雨降雨過程的資料是極其珍貴的，現(xiàn)有翻斗式雨量傳感器卻不能精確記錄這一降雨過程；雨量傳感器測量精度差及在惡劣環(huán)境下使用的不穩(wěn)定性，使采集記錄到的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量受到很大影響。
我國《降水量觀測規(guī)范》的第三章第一節(jié)基本技術(shù)要求中3.1.5條明確規(guī)定“自記雨量計(jì)的傳感器、記錄器必須計(jì)量精確，能靈敏地連續(xù)不斷地反應(yīng)降水過程和降水起止時(shí)間”。并規(guī)定了不同地分辨力和排水量傳感器的測量要求“分辨力為0.1mm、0.2mm時(shí)，排水量小于10mm，量測誤差宜不超過±0.2mm，不得超過±0.4mm；排水量大于10mm，量測誤差宜不超過±2％，不得超過±4％；分辨力為0.5mm時(shí)，排水量小于等于12.5mm，量測誤差不得超過±0.5mm；排水量大于12.5mm，量測誤差不得超過±4％；分辨力為1mm時(shí)，排水量小于等于25mm，量測誤差不得超過±1mm，排水量大于25mm，量測誤差不得超過±4％”?！都夹g(shù)條件》中對(duì)雨量傳感器的要求是“其使用條件、測量精確度、分辨力、技術(shù)性能必須符合國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并滿足在無人維護(hù)條件下能長期可靠工作”。因此，精確、靈敏、長期可靠，高質(zhì)量完成降水過程的測量和信號(hào)輸出，是各種雨量傳感器的都必須具備的基本性能。
翻斗的動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差隨雨強(qiáng)變化劇烈變化，并且，越是分辨力高的翻斗受雨強(qiáng)變化的影響越大，這種缺陷是翻斗式傳感器固有的原理、結(jié)構(gòu)和檢測手段上的缺陷。
由于翻斗式傳感器這些固有的缺陷和不足，不僅導(dǎo)致了生產(chǎn)廠家生產(chǎn)不出高精度的傳感器，而且在使用中易受隨機(jī)因素的影響(如翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙和油污的影響、翻斗軸承付游隙變化及沙塵阻滯使摩擦力變化的影響等等)，使得傳感器量測誤差可能超過±4％的出廠標(biāo)準(zhǔn)。在風(fēng)沙嚴(yán)重、降雨量少的黃河流域和北方地區(qū)沙塵的影響特別突出，量測誤差甚至超過±6％以上。
翻斗傳感器的安裝、調(diào)整和誤差檢定十分繁瑣和困難，翻斗雨量傳感器現(xiàn)場安裝時(shí)需精確的調(diào)整儀器的基座、器口水平、調(diào)整軸承付的游隙和翻斗傾角，其中i角的調(diào)整是最困難的。
現(xiàn)有固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)仍存在著明顯的缺陷和不足，主要是負(fù)有完成雨量數(shù)據(jù)測量和信號(hào)輸出功能傳感器，而不是記錄儀。傳感技術(shù)落后于信息處理技術(shù)，傳感器發(fā)展落后于通信和計(jì)算機(jī)發(fā)展，這一現(xiàn)象在降水觀測領(lǐng)域中表現(xiàn)的尤為明顯。
綜上所述，固態(tài)存儲(chǔ)記錄儀的出現(xiàn)及其與翻斗式雨量傳感器配套使用并沒有改變傳感器固有誤差，也不能克服惡劣環(huán)境下使用的隨機(jī)誤差和儀器誤差，這就是現(xiàn)有架構(gòu)下的固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)存在的明顯缺陷和不足之處。在我國即將大面積推廣、裝備固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)背景下，改進(jìn)提高雨量傳感器的性能，使之與記錄儀的數(shù)據(jù)采集精度等級(jí)接軌是一項(xiàng)十分現(xiàn)實(shí)、緊迫研究課題。
觀測降雨用的傳感器的使用環(huán)境條件十分惡劣，不僅雨強(qiáng)變化范圍大，而且處于高濕、沙塵、大風(fēng)及雷電干擾之下，加上偏遠(yuǎn)地區(qū)供電條件差，操作使用人員專業(yè)知識(shí)欠缺等，因此，對(duì)雨量傳感器的質(zhì)量性能要求極高。優(yōu)良的雨量傳感器應(yīng)具有如下特性(1)潤濕損失低、分辨力高、能檢測到極小降雨。
(2)測量精度高，必須達(dá)到《規(guī)范》要求的測量誤差(雨強(qiáng)范圍為0.01-4mm/min)不大于±2％或不大于±1％。
(3)測量誤差不受雨強(qiáng)變化影響或受影響極小，在雨強(qiáng)為0.01-10mm/min或更大范圍內(nèi)，能保持高精度，測量誤差小于等于±2％。
(4)在惡劣外部環(huán)境的影響下(如高溫、高濕、沙塵、雷電等)能長期可靠工作。
(5)無功耗型或極低功耗型。
(6)安裝、調(diào)整簡單方便。
(7)誤差檢定所需設(shè)備簡單，現(xiàn)場檢定操作簡便易行。
目前在雨量計(jì)的研究與開發(fā)領(lǐng)域，回繞著提高雨量測量精度以及雨量數(shù)據(jù)采集、傳輸方面有一些新的成果。如專利號(hào)為200410029776.2的雙腔型光電感應(yīng)式自動(dòng)電子雨量雪量計(jì)，內(nèi)含雙腔體的圓筒狀結(jié)構(gòu)，通過光電水位傳感器測量雙腔體內(nèi)的雨水的容積量來達(dá)到測量雨量的目的；專利號(hào)為93120653.7的流量式雨量、雨強(qiáng)的測量方法和裝置，將雨水轉(zhuǎn)換成恒定量的水滴，水滴滴下時(shí)經(jīng)過水滴脈沖轉(zhuǎn)換器接觸到電極，使電極相對(duì)短路，經(jīng)放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖，將此脈沖用單片機(jī)進(jìn)行處理，獲得雨量和雨強(qiáng)的測量值；專利號(hào)為02219437.1的絕對(duì)值編碼型數(shù)字式雨量計(jì)，將收集的降水經(jīng)導(dǎo)水管注入雨量筒，雨量簡內(nèi)積聚的水體推動(dòng)浮子上升，經(jīng)測纜帶動(dòng)測輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)輸出與增加水體相對(duì)應(yīng)的編碼電信號(hào)；專利號(hào)為200510059651.9的一種測量雨量的方法和裝置，漏斗與進(jìn)水管之間設(shè)有進(jìn)水電磁閥，儲(chǔ)水室上設(shè)有放水電磁閥，保證在降雨的過程中放水，降雨量不會(huì)產(chǎn)生誤差，應(yīng)用角位移傳感器進(jìn)行雨量測量；專利號(hào)為200410098506.7的雨量偵測無線通報(bào)系統(tǒng)及方法，通過無線信號(hào)傳輸技術(shù)輸出降雨量信號(hào)；同時(shí)，遠(yuǎn)程無線接收主機(jī)，通過無線信號(hào)傳輸技術(shù)，接收降雨量信號(hào)，借以讓使用者可以通過遠(yuǎn)程無線接收主機(jī)取得降雨量數(shù)據(jù)，以作為判斷該降雨地區(qū)泥石流的發(fā)生概率。
現(xiàn)有的雨量檢測設(shè)備存在的缺點(diǎn)1、安裝、調(diào)整麻煩；2、測量存在較大誤差、不精確；3、靈敏性差、容易收到客觀環(huán)境的干擾，可靠性差；4、檢測的數(shù)據(jù)質(zhì)量差，實(shí)用性不強(qiáng)。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的雨量檢測設(shè)備的安裝調(diào)整麻煩、測量存在較大誤差、精度低、可靠性差的不足，本發(fā)明提供一種安裝調(diào)整簡單、測量精度高、安全可靠性強(qiáng)的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，包括雨量收集裝置，所述的雨量收集裝置包括盛水器、翻斗，所述的盛水器下端設(shè)有引流管，該引流管的下方為翻斗，所述的翻斗安裝在鉸支座上，所述鉸支座位于當(dāng)翻斗盛積的水量達(dá)到設(shè)定數(shù)量值時(shí)正好能使翻斗翻倒、將翻斗中盛積的水量傾倒完畢后翻斗由于重心恢復(fù)力的作用恢復(fù)到原來位置的平衡支點(diǎn)，所述的翻斗上安裝在翻斗翻倒時(shí)堵住引流管、翻斗恢復(fù)后放開引流管的止流裝置，所述的止流裝置的堵塞件與引流管的下端配合；在所述的翻斗內(nèi)設(shè)有觀測水槽，所述的觀測水槽與翻斗底部連通，所述的觀測水槽內(nèi)設(shè)有具有顏色特征的浮標(biāo)；所述翻斗連接用于在翻斗翻到動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生通、斷觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)傳感器，所述的智能雨量檢測設(shè)備還包括用于監(jiān)測觀測水槽中水位的視覺傳感器、用于根據(jù)視覺傳感器信號(hào)計(jì)算雨量的微處理器，所述觀測水槽位于視覺傳感器的視覺范圍內(nèi)，所述的微處理器包括視覺傳感器標(biāo)定模塊，用于設(shè)定視頻圖像中浮標(biāo)的位置與實(shí)際浮標(biāo)在空間上的位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；浮標(biāo)位置采集模塊，用于采集視頻傳感器的視頻圖像，并確定浮標(biāo)的位置；雨量智能計(jì)算模塊，用于設(shè)定浮標(biāo)的位置與翻斗的水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；接收觸發(fā)傳感器的觸發(fā)信號(hào)后，采集視覺傳感器的信號(hào)，檢測翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作前瞬間浮標(biāo)的位置，并依據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算翻斗中的實(shí)際雨量，檢測翻斗前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置，計(jì)量翻斗中的初始雨量，實(shí)際雨量與初始雨量相減后得到本次傾倒雨量。
進(jìn)一步，所述的翻斗呈扁型梯形狀，翻斗的寬度為一個(gè)恒定量W，梯形邊的下部底邊長度為1，梯形邊的上部底邊長度為L，梯形的總高度為H，浮標(biāo)的位置即水位的高度y，在雨量智能計(jì)算模塊中，翻斗梯形邊的長度x是水位的高度y的線形函數(shù)，建立水位的高度與翻斗中雨水的容積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，公式如(2)所示V(y)=W*y*[l+y*(L-lH)]2---(2)]]>
上式中，V為翻斗中雨水的容積；將本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作瞬時(shí)翻斗中的浮標(biāo)位置y(i)action-before以及前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置y(i-1)action-after存儲(chǔ)在記憶單元內(nèi)，通過公式(3)計(jì)算出實(shí)際本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒過程中所傾倒掉的水量；V(i)=W2*{y(i)action-before*[l+y(i)action-before*(L-lH)]]]>-y(i-l)action-after*[l+y(i-l)action-after*(L-lH)]}---(3);]]>設(shè)定盛水器的面積為S，根據(jù)公式(6)就能得到本次所檢測到的雨量，Rain(i)=V(i)S---(6)]]>上式中，Rain為雨量。
再進(jìn)一步，在雨量智能計(jì)算模塊中，記錄該次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作的時(shí)刻，并將各個(gè)翻倒時(shí)刻記錄在數(shù)據(jù)庫記錄表中，并記錄各個(gè)翻到時(shí)刻的雨量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方式計(jì)算得到設(shè)定時(shí)間段的雨量。
更進(jìn)一步，在雨量智能計(jì)算模塊中，接收觸發(fā)傳感器的觸發(fā)信號(hào)后，打開供電電源，開始采集視頻傳感器的視頻圖像，如超過設(shè)定的時(shí)間沒有通、斷觸發(fā)信號(hào)，關(guān)斷供電電源。
在浮標(biāo)位置采集模塊，讀取觀測水槽的視頻圖像，通過色彩空間轉(zhuǎn)化模塊將圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下Y＝0.301*R+0.586*G+0.113*BU＝-0.301*R-0.586*G+0.887*B(9)V＝0.699*R-0.586*G-0.113*B上式中，Y代表YUV顏色模型的亮度，U、V是YUV顏色模型的兩個(gè)彩色分量，表示色差；R表示RGB色彩空間的紅色；G表示RGB色彩空間的綠色；B表示RGB色彩空間的藍(lán)色；計(jì)算浮標(biāo)顏色分量的值，然后得到相對(duì)應(yīng)的二值化圖像，將浮標(biāo)的幾何中心位置作為浮標(biāo)在空間上的點(diǎn)的位置。
所述的止流裝置包括安裝在翻斗上的滑軌、位于滑軌上的滾輪，所述的滑軌與堵塞件上的滾輪依靠彈簧力緊密接觸，所述的滾輪安裝在所述引流管下部，在所述的滾輪與所述引流管下部之間設(shè)有復(fù)位彈簧。
當(dāng)翻斗位于初始位置時(shí)，所述的滑軌與鉸支座距離最近的一端與滾輪接觸，堵塞件處于放松狀態(tài)，滑軌另一端的下部位于支撐塊上，所述的觸發(fā)傳感器位于滑軌與支撐塊的接觸面的之間。
所述雨量智能計(jì)算模塊還包括微小雨量測量單元，用于設(shè)定視頻傳感器的浮標(biāo)位置采樣頻率，周期性地讀取浮標(biāo)的位置，檢測每一周期的翻斗中的浮標(biāo)位置變化，統(tǒng)計(jì)設(shè)定時(shí)間段的微小雨量數(shù)據(jù)。
所述的視頻傳感器為普通攝像頭或全方位視覺傳感器。
所述的視頻傳感器為全方位視覺傳感器，包括折反射鏡、透明圓筒體，所述的透明圓筒體的上部固定向下的大曲率的折反射鏡，聚光透鏡以及攝像單元固定在圓筒體的下部，所述的折反射鏡的下部中央設(shè)有黑色倒圓錐體。
所述的智能雨量檢測設(shè)備還包括照明燈，所述的照明燈安裝在視覺傳感器上，所述的微處理器還包括亮度判斷及節(jié)能燈開關(guān)模塊，用于提取圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化的結(jié)果得到Y(jié)的亮度分量，如果當(dāng)Y的值小于域值Ymin時(shí)，自動(dòng)接通照明燈，照明燈的亮度為域值Ymin的10％，當(dāng)Y的值超過域值Ymin的20％時(shí)，自動(dòng)斷開對(duì)照明燈的供電。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為近年發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為觀察雨量提供了一種新的解決方案，同時(shí)隨著通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為遠(yuǎn)程觀察降雨情況提供了各種新的手段。因此如何通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、雨量可視化技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在雨量檢測，并根據(jù)攝像裝置得到的實(shí)時(shí)圖像，通過計(jì)算自動(dòng)判斷等手段，在提高雨量測量分辨率的同時(shí)提高測量雨量的精度，減輕雨量傳感器的安裝、調(diào)整、維護(hù)和誤差檢定的難度，克服受隨機(jī)因素的影響而造成的雨量傳感器的隨機(jī)誤差，通過智能化算法消除雨量傳感器的固定誤差，為精確、靈敏、長期可靠，高質(zhì)量完成降水過程的測量和信號(hào)輸出提供新的手段，同時(shí)也可以提供一種可通過各種遠(yuǎn)程訪問手段獲取監(jiān)視地域中的降雨氣象信息。
用機(jī)器視覺的方式檢測雨量，首先需要將雨量進(jìn)行可視化，通過設(shè)計(jì)特殊的雨量收集裝置觀察瞬時(shí)雨量和累計(jì)雨量，所設(shè)計(jì)的雨量收集裝置的上部是一個(gè)圓形桶型體，雨水由圓形桶型體盛水器匯集，通過裝有小圓護(hù)網(wǎng)的小漏斗及其下端的引流管，雨水進(jìn)入翻斗；翻斗上有一個(gè)支點(diǎn)，支點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)在當(dāng)翻斗盛積的水量達(dá)到一定的數(shù)量值時(shí)正好能使得翻斗翻倒，自動(dòng)將翻斗中盛積的水量傾倒，在翻斗翻倒的過程中引流管通過止流裝置，將水量暫時(shí)停留在小漏斗及其下端的引流管中，當(dāng)翻斗翻倒將翻斗中盛積的水量傾倒完畢后，翻斗由于重心恢復(fù)力的作用恢復(fù)到原來位置，自動(dòng)打開止流裝置使得雨水又進(jìn)入翻斗；翻斗中設(shè)計(jì)一個(gè)有顏色特征的小浮標(biāo)，通過視頻來觀察該小浮標(biāo)的位置，能得到雨量收集裝置中目前的水量，其范圍在0-100ml之間；有顏色特征的小浮標(biāo)被安置在雨量收集裝置中的一個(gè)可上下方向移動(dòng)的槽內(nèi)，該槽與雨量收集裝置的水是可以流動(dòng)的，但是小浮標(biāo)不會(huì)由于傾倒翻斗中的水時(shí)脫離槽，小浮標(biāo)安置在全方位視覺的視覺范圍內(nèi)；視覺的方式檢測雨量的原理圖如附圖3所示。
所述的翻斗設(shè)計(jì)要滿足幾個(gè)條件1)容積條件翻斗的雨量收集最大量為100ml；2)雨量的計(jì)算條件小浮標(biāo)位置與翻斗中的雨水容積必須是可以通過簡單公式進(jìn)行計(jì)算的，也就是說能通過視頻觀測小浮標(biāo)位置迅速得到翻斗所收集的雨量；3)無泄漏條件在翻斗翻倒將翻斗中盛積的水量傾倒過程中，止流裝置動(dòng)作使引流管處在滯流狀態(tài)；4)翻斗的動(dòng)作條件當(dāng)翻斗收集的雨量達(dá)到最大量100ml時(shí)，翻斗能準(zhǔn)確動(dòng)作，當(dāng)翻斗翻倒動(dòng)作完成后又能迅速復(fù)位，同時(shí)停止引流管的滯流狀態(tài)，使雨水能流入翻斗中；5)防腐蝕條件由于雨水中包含有對(duì)一些材料的腐蝕成分，所選擇的翻斗材料要耐腐蝕。
所述的容積條件，在本發(fā)明中將翻斗的設(shè)計(jì)成扁型梯形狀，如果將寬度設(shè)計(jì)為一個(gè)恒定量W，梯形邊的下部底邊長度為1，梯形邊的上部底邊長度為L，梯形的總高度為H，當(dāng)翻斗所收集的雨量到達(dá)最大高度時(shí)，翻斗中雨水的容積可以用公式(1)進(jìn)行計(jì)算V=W*H*(l+L)2---(1)]]>所述的雨量的計(jì)算條件，梯形邊的長度x是隨著高度y變化而變化的，因此長度x是高度y的線形函數(shù)，所以我們可以通過這個(gè)關(guān)系式求得在某個(gè)高度時(shí)翻斗中雨水的容積，公式如(2)所示V(y)=W*y*[l+y*(L-lH)]2---(2)]]>從上述公式可以知道，我們只要測量出小浮標(biāo)位置，也就是得到高度y，就能計(jì)算出在某個(gè)高度時(shí)翻斗中雨水的容積，當(dāng)然也可以事先設(shè)計(jì)好一張表格，通過某一個(gè)高度y進(jìn)行查表得到相對(duì)應(yīng)的雨水的容積。
所述的無泄漏條件，是通過止流裝置動(dòng)作使引流管處在滯流狀態(tài)，翻斗翻倒過程中由于滑軌的作用，推動(dòng)小錐體向上運(yùn)動(dòng)起到一個(gè)錐閥的作用，從而阻塞引流管的流體通道，使得雨水在翻斗翻倒期間仍保留在引流管或者小漏斗中；而當(dāng)翻斗恢復(fù)原來位置時(shí)，小錐體依靠彈簧力的作用使得引流管的雨水暢通進(jìn)入翻斗。
所述的防腐蝕條件，在本專利中采用鋁合金材料進(jìn)行制造翻斗，翻斗中內(nèi)部要光滑，以便能將翻斗中的一些渣滓在翻斗翻倒過程中清理出去。
所述的翻斗的動(dòng)作條件，是通過雨水的容積變化時(shí)翻斗的重心變化原理實(shí)現(xiàn)的，圖3中當(dāng)翻斗中的雨水容積達(dá)到最大容積時(shí)，相對(duì)與支點(diǎn)的雨水的重心與翻斗本身的重心的平衡被破壞，翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作，由于制造上的誤差，在本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)節(jié)平衡塊，通過調(diào)節(jié)平衡塊調(diào)節(jié)相對(duì)與支點(diǎn)的翻斗本身的重心來達(dá)到準(zhǔn)確的翻斗的動(dòng)作。
為了從翻斗式傳感器測量雨量上的一些固有的缺陷和不足，本發(fā)明中將浮標(biāo)式雨量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)也彌補(bǔ)翻斗式雨量計(jì)的缺陷和不足，特別是由于翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙和油污的影響、翻斗軸承付游隙變化及沙塵阻滯使摩擦力變化的影響等等所造成的隨機(jī)誤差，這種隨機(jī)誤差造成了每次測量的實(shí)際雨量與測量雨量不同，比如實(shí)際雨量為101ml、99ml、100ml、...，但是翻斗式傳感器測量雨量都認(rèn)為是100ml；在本專利中采用翻斗中有浮標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，在測量原理是通過測量翻斗中的浮標(biāo)位置來計(jì)量翻斗中的水量，通過視頻檢測手段來檢測翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作前瞬間翻斗中的水量，這樣實(shí)際雨量與測量雨量能達(dá)到一致；同時(shí)在翻斗自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置來計(jì)量翻斗中的初始雨量，也能排除翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙等對(duì)計(jì)量雨量的隨機(jī)誤差，從這個(gè)意義上來講翻斗只是作為雨量收集裝置，而真正的計(jì)量雨量是通過浮標(biāo)位置來計(jì)量的(不論是大量程以及小量程都是取決于翻斗中的浮標(biāo)位置)，并將本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作瞬時(shí)翻斗中的浮標(biāo)位置y(i)action-before以及前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置y(i-1)action-after存儲(chǔ)在記憶單元內(nèi)，通過公式(3)計(jì)算出實(shí)際本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒過程中所傾倒掉的水量；V(i)=W2*{y(i)action-before*[l+y(i)action-before*(L-lH)]]]>-y(i-l)action-after*[l+y(i-l)action-after*(L-lH)]}---(3)]]>通過公式(3)求得的是本次所傾倒掉的水量，并同時(shí)將該次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作的時(shí)刻(年月日小時(shí)分秒)一起存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫的雨量記錄表中。
世界氣象組織和中國氣象局對(duì)于雨量測定有嚴(yán)格的規(guī)定，目前，眾所周知的雨、雪量計(jì)量單位是“毫米”。規(guī)定200毫米為雨量測定儀器的盛雨口標(biāo)準(zhǔn)口徑，進(jìn)入該筒內(nèi)的積水深度即為雨量的毫米值。按公式(4)、(5)推算可得口徑D＝200mm+0.6mm(0.6mm為盛雨口邊寬)(4)面積S＝3.1416*(10.03)2cm2＝316cm2(5)通過公式(3)和公式(5)所計(jì)算得到的值，然后根據(jù)公式(6)就能得到本次所檢測到的雨量，Rain(i)=V(i)S---(6)]]>通過雨量記錄表中所記錄的雨量以及翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作的時(shí)刻等信息可以求每小時(shí)降水量、每日降水量以及00-06，06-12，12-18，18-24時(shí)段的累計(jì)降水量，由計(jì)算公式(7)進(jìn)行計(jì)算Raintotal=Σi=strattimeendtimeRain(i)---(7)]]>在計(jì)算每小時(shí)降水量時(shí)，就是將某一個(gè)小時(shí)時(shí)間內(nèi)的雨量記錄進(jìn)行累加；同樣的方法計(jì)算每日降水量時(shí)，就是將零時(shí)時(shí)間到晚間12點(diǎn)以前時(shí)間內(nèi)的雨量記錄進(jìn)行累加；對(duì)于微量降水以及每分鐘降水量由于檢測量小、檢測時(shí)間短而造成了浮標(biāo)移動(dòng)量小，因此必須以每秒為單位檢測在翻斗的浮標(biāo)位置y(i)now與前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置y(i-1)action-after的相對(duì)位移，由計(jì)算公式(8)進(jìn)行計(jì)算V(i)=W2*{y(i)now*[l+y(i)now*(L-lH)]-y(i-l)action-after*[l+y(i-l)action-after*(L-lH)]}---(8)]]>通過公式(6)、(7)，累計(jì)在某一分鐘內(nèi)的雨量可以求得每分鐘降水量，同樣對(duì)微量降水可以通過比較長時(shí)間內(nèi)的累加來得到微量降水值。
所述的翻斗的浮標(biāo)位置y檢測是通過所獲取視頻圖像進(jìn)行處理得到浮標(biāo)位置，為了簡化圖像運(yùn)算，在本專利中將浮標(biāo)的顏色設(shè)計(jì)成紅色，那么上面的檢測就可以簡化為紅色部分在空間的位置問題；從攝像裝置讀取的視頻圖像是RGB色彩空間，RGB色彩空間對(duì)亮度比較敏感，特別是在野外使用的雨量計(jì)不應(yīng)該由亮度變化而造成誤測量，這里通過色彩空間轉(zhuǎn)化模塊將圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化，為獲得浮標(biāo)空間位置做準(zhǔn)備工作；YUV顏色模型是一種常用的顏色模型，其基本特征是將亮度信號(hào)與顏色信號(hào)分離，Y代表亮度，U、V是兩個(gè)彩色分量，表示色差，一般是藍(lán)，紅色的相對(duì)值，由于人眼對(duì)亮度的變化比對(duì)顏色的變化敏感，因此，YUV模型中Y分量的值所占帶寬大于等于彩色分量所占帶寬YUV與RGB模型之間的線形關(guān)系如公式(9)給出，Y＝0.301*R+0.586*G+0.113*BU＝-0.301*R-0.586*G+0.887*B(9)V＝0.699*R-0.586*G-0.113*B由于我們?cè)谟炅坑?jì)中只關(guān)心浮標(biāo)的空間位置，因此上述公式計(jì)算時(shí)只要計(jì)算紅色分量的值，然后得到相對(duì)應(yīng)的二值化圖像，我們將浮標(biāo)的幾何中心位置作為浮標(biāo)在空間上的點(diǎn)的位置。由于計(jì)算機(jī)中的圖像是以像素為單位表示的，另外由于攝像機(jī)模型在整個(gè)視頻范圍內(nèi)并非都是線形的，因此需要建立實(shí)際空間的尺寸大小與圖像中的尺寸的映射關(guān)系，即視覺雨量傳感器的標(biāo)定。
所述的視覺雨量傳感器的標(biāo)定，是將一個(gè)尺寸大于浮標(biāo)活動(dòng)量程的標(biāo)尺放在浮標(biāo)活動(dòng)軌跡線上，通過計(jì)算機(jī)讀取標(biāo)尺上的刻度，然后將各刻度對(duì)應(yīng)在圖像中的像素，并對(duì)應(yīng)結(jié)果存儲(chǔ)在一張映射表中，這樣通過視頻圖像中浮標(biāo)的位置就能得到實(shí)際浮標(biāo)在空間上的位置。
為了最大限度降低雨量計(jì)的功耗，在本發(fā)明中利用翻斗翻倒動(dòng)作來自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，如果沒有在測量狀態(tài)就立即激活雨量計(jì)量裝置，對(duì)翻斗中的浮標(biāo)進(jìn)行測量；若一段時(shí)間內(nèi)無通、斷信號(hào)發(fā)出，即表示降雨過程結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。
在晚間下雨往往比較多，而晚間由于亮度不夠會(huì)影響視頻的檢測，在激活雨量計(jì)量裝置的前提下，本發(fā)明中在亮度不足以測量時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)亮度判斷及節(jié)能燈開關(guān)模塊，以便能全天候進(jìn)行雨量測量；所述的亮度判斷及節(jié)能燈開關(guān)模塊，是根據(jù)圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化的結(jié)果得到Y(jié)的亮度分量，如果當(dāng)Y的值小于域值Ymin時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)接通在攝像頭上面的節(jié)能燈，節(jié)能燈的亮度只要能超過域值Ymin的10％左右即可，當(dāng)Y的值超過域值Ymin的20％時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開對(duì)節(jié)能燈的供電。
為了防止在翻斗發(fā)生翻倒動(dòng)作過程中泄水而造成的計(jì)量誤差，本發(fā)明中通過止流裝置動(dòng)作使引流管處在滯流狀態(tài)，翻斗翻倒過程中由于滑軌的作用，推動(dòng)小錐體向上運(yùn)動(dòng)起到一個(gè)錐閥的作用，從而阻塞引流管的流體通道，使得雨水在翻斗翻倒期間仍保留在引流管或者小漏斗中；而當(dāng)翻斗恢復(fù)原來位置時(shí)，小錐體依靠彈簧力的作用使得引流管的雨水暢通進(jìn)入翻斗，同時(shí)也產(chǎn)塵一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來激活雨量計(jì)量裝置，因此翻斗的設(shè)計(jì)要滿足兩個(gè)要求1)翻斗上的滑軌必須在翻斗翻倒以前使錐閥的作用阻塞引流管的流體通道，防止在翻斗發(fā)塵翻倒動(dòng)作過程中泄水而造成的計(jì)量誤差；2)而當(dāng)翻斗恢復(fù)原來位置時(shí)，小錐體依靠彈簧力的作用使得引流管的雨水暢通進(jìn)入翻斗，同時(shí)能作為一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來激活雨量計(jì)量裝置，使得雨量計(jì)能在極低功耗情況下運(yùn)行。
按照上述原理制造的雨量計(jì)傳感器在安裝時(shí)只需調(diào)整基座的水平，無需調(diào)校翻斗感量，只要檢驗(yàn)它能可靠翻動(dòng)，因此安裝調(diào)試簡便易行；由于采用了無接觸式的視頻測量能降低故障率，減少維護(hù)或者無需維護(hù)。
本發(fā)明中的雨量傳感器的翻斗不作為計(jì)量部件，即使有少量沙塵沉積于翻斗斗室以及翻斗軸承付游隙變化，引起翻斗感量微小變化，不會(huì)影響翻斗正常翻動(dòng)，沙塵將會(huì)沉淀于浮子室底層，只要保證水路通暢就不會(huì)影響浮子正常工作，也不會(huì)產(chǎn)生附加測量誤差。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、精確、靈敏、長期可靠，高質(zhì)量完成降水過程的測量和信號(hào)輸出；2、長期可靠保持低維護(hù)率、誤差自校正、寬雨量寬雨強(qiáng)范圍測量；3、測量精度高，達(dá)到《規(guī)范》要求的測量誤差(雨強(qiáng)范圍為0.01-4m m/min)不大于±2％或不大于±1％；4、無功耗型或極低功耗型；5、誤差檢定所需設(shè)備簡單，現(xiàn)場檢定操作簡便易行；6、支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信、智能化。


圖1為雨量傳感器的翻斗設(shè)計(jì)圖。
圖2為浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為翻斗翻倒過程的示意圖。
圖4為計(jì)算機(jī)視覺在測量翻斗中浮標(biāo)的示意圖。
圖5為計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量傳感器硬件與網(wǎng)絡(luò)通信框圖。
圖6為計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量傳感器中硬件與軟件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1參照?qǐng)D1～圖6，一種基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，包括雨量收集裝置，所述的雨量收集裝置包括盛水器6、翻斗11，所述的盛水器6下端設(shè)有引流管8，該引流管8的下方為翻斗11，所述的翻斗11安裝在鉸支座12上，所述鉸支座12位于當(dāng)翻斗盛積的水量達(dá)到設(shè)定數(shù)量值時(shí)正好能使翻斗翻倒、將翻斗中盛積的水量傾倒完畢后翻斗由于重心恢復(fù)力的作用恢復(fù)到原來位置的平衡支點(diǎn)，所述的翻斗11上安裝在翻斗翻倒時(shí)堵住引流管、翻斗恢復(fù)后放開引流管的止流裝置10，所述的止流裝置10的堵塞件與引流管8的下端配合；在所述的翻斗11內(nèi)設(shè)有觀測水槽13，所述的觀測水槽13與翻斗底部連通，所述的觀測水槽13內(nèi)設(shè)有具有顏色特征的浮標(biāo)7；所述翻斗11連接用于在翻斗翻到動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生通、斷觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)傳感器15，所述的智能雨量檢測設(shè)備還包括用于監(jiān)測觀測水槽中水位的視覺傳感器、用于根據(jù)視覺傳感器信號(hào)計(jì)算雨量的微處理器(即視頻服務(wù)器)，所述觀測水槽13位于視覺傳感器的視覺范圍內(nèi)，所述的微處理器包括視覺傳感器標(biāo)定模塊，用于設(shè)定視頻圖像中浮標(biāo)的位置與實(shí)際浮標(biāo)在空間上的位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；浮標(biāo)位置采集模塊，用于采集視頻傳感器的視頻圖像，并確定浮標(biāo)的位置；雨量智能計(jì)算模塊，用于設(shè)定浮標(biāo)的位置與翻斗的水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；接收觸發(fā)傳感器的觸發(fā)信號(hào)后，采集視覺傳感器的信號(hào)，檢測翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作前瞬間浮標(biāo)的位置，并依據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算翻斗中的實(shí)際雨量，檢測翻斗前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置，計(jì)量翻斗中的初始雨量，實(shí)際雨量與初始雨量相減后得到本次傾倒雨量。
本實(shí)施例的智能雨量檢測設(shè)備由雨量收集單元、視頻圖像采集與處理單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元等構(gòu)成；所述的雨量收集裝置用于觀察瞬時(shí)雨量和累計(jì)雨量，所設(shè)計(jì)的雨量收集裝置的上部是一個(gè)盛水器6，盛水器6為圓錐形桶型體，雨水由圓錐形桶型體盛水器匯集，通過裝有小圓護(hù)網(wǎng)的小漏斗及其下端的引流管8，雨水進(jìn)入翻斗11；翻斗11上有一個(gè)支點(diǎn)12，支點(diǎn)12的位置設(shè)計(jì)在當(dāng)翻斗11盛積的水量達(dá)到一定的數(shù)量值時(shí)正好能使得翻斗翻倒，自動(dòng)將翻斗11中盛積的水量傾倒，在翻斗11翻倒的過程中引流管8通過止流裝置10，將水量暫時(shí)停留在小漏斗及其下端的引流管8中，當(dāng)翻斗11翻倒將翻斗中盛積的水量傾倒完畢后，如附圖3所示，翻斗11由于重心恢復(fù)力的作用恢復(fù)到原來位置，自動(dòng)打開止流裝置10使得雨水又進(jìn)入翻斗11；翻斗11中設(shè)計(jì)一個(gè)有顏色特征的小浮標(biāo)7，如附圖2所示，小浮標(biāo)7上部是一個(gè)紅色小球，通過視頻來觀察該小浮標(biāo)(紅色小球)的位置，小浮標(biāo)7被安置在雨量收集裝置中的一個(gè)可上下方向移動(dòng)的槽13內(nèi)，小浮標(biāo)7不會(huì)由于傾倒翻斗中的水時(shí)脫離槽，計(jì)算機(jī)視覺范圍能檢測到小浮標(biāo)7的整個(gè)活動(dòng)范圍；槽13與翻斗11下部是相通的，形成水路；當(dāng)翻斗11中盛積的水量發(fā)生變化時(shí)，槽13的水位也相應(yīng)發(fā)生變化，由于浮力的作用小浮標(biāo)7就會(huì)向上移動(dòng)，能反映翻斗11中所盛積的雨量多少，視覺的方式檢測雨量的原理圖如附圖3所示。根據(jù)上述的描述，所述的翻斗設(shè)計(jì)要滿足幾個(gè)條件1)容積條件翻斗的雨量收集最大量為100ml；2)雨量的計(jì)算條件小浮標(biāo)位置與翻斗中的雨水容積必須是可以通過簡單公式進(jìn)行計(jì)算的，也就是說能通過視頻觀測小浮標(biāo)位置迅速得到翻斗所收集的雨量；3)無泄漏條件在翻斗翻倒將翻斗中盛積的水量傾倒過程中，止流裝置動(dòng)作使引流管處在滯流狀態(tài)；4)翻斗的動(dòng)作條件當(dāng)翻斗收集的雨量達(dá)到最大量100ml時(shí)，翻斗能準(zhǔn)確動(dòng)作，當(dāng)翻斗翻倒動(dòng)作完成后又能迅速復(fù)位，同時(shí)停止引流管的滯流狀態(tài)，使雨水能流入翻斗中；5)防腐蝕條件由于雨水中包含有對(duì)一些材料的腐蝕成分，所選擇的翻斗材料要耐腐蝕。
所述的容積條件，在本發(fā)明中將翻斗的設(shè)計(jì)成扁型梯形狀，如附圖1所示，本發(fā)明中將翻斗的寬度設(shè)計(jì)為一個(gè)恒定量W，梯形邊的下部底邊長度為1，梯形邊的上部底邊長度為L，梯形的總高度為H，當(dāng)翻斗所收集的雨量到達(dá)最大高度時(shí)，翻斗中雨水的容積可以用公式(1)進(jìn)行計(jì)算V=W*H*(l+L)2---(1)]]>所述的雨量的計(jì)算條件，梯形邊的長度x是隨著水位的高度y變化而變化的，因此長度x是高度y的線形函數(shù)，所以我們可以通過這個(gè)關(guān)系式求得在某個(gè)高度時(shí)翻斗中雨水的容積，公式如(2)所示V(y)=W*y*[l+y*(L-lH)]2---(2)]]>從上述公式可以知道，我們只要測量出小浮標(biāo)位置，也就是得到高度y，就能計(jì)算出在某個(gè)高度時(shí)翻斗中雨水的容積，當(dāng)然也可以事先設(shè)計(jì)好一張表格，通過某一個(gè)高度y進(jìn)行查表得到相對(duì)應(yīng)的雨水的容積。從公式(2)知道雨量的測量準(zhǔn)確度取決于翻斗的制造精度。
所述的無泄漏條件，當(dāng)翻斗翻倒動(dòng)作開始時(shí)，由于在翻斗上的滑軌14的作用，使得止流裝置10動(dòng)作使引流管處在滯流狀態(tài)，推動(dòng)止流裝置10的小錐體向上運(yùn)動(dòng)起到一個(gè)錐閥的作用，從而阻塞引流管的流體通道，使得雨水在翻斗翻倒期間仍保留在引流管或者小漏斗中；而當(dāng)翻斗恢復(fù)原來位置時(shí)，小錐體依靠彈簧力的作用使得引流管的雨水暢通進(jìn)入翻斗，保證了泄水過程中產(chǎn)生漏記損失。
所述的防腐蝕條件，在本專利中采用鋁合金材料進(jìn)行制造翻斗以及其他零部件，翻斗中內(nèi)部要光滑，以便能將翻斗中的一些渣滓在翻斗翻倒過程中清理出去。
所述的翻斗的動(dòng)作條件，是通過雨水的容積變化時(shí)翻斗的重心變化原理實(shí)現(xiàn)的，圖3中當(dāng)翻斗中的雨水容積達(dá)到最大容積時(shí)，相對(duì)與支點(diǎn)的雨水的重心與翻斗本身的重心的平衡被破壞，翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作，由于制造上的誤差，在本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)節(jié)平衡塊，通過調(diào)節(jié)平衡塊調(diào)節(jié)相對(duì)與支點(diǎn)的翻斗本身的重心來達(dá)到準(zhǔn)確的翻斗的動(dòng)作。
為了彌補(bǔ)翻斗式傳感器測量雨量上的一些固有的缺陷和不足，本發(fā)明中將浮標(biāo)式雨量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)翻斗式雨量計(jì)的缺陷和不足，特別是由于翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙和油污的影響、翻斗軸承付游隙變化及沙塵阻滯使摩擦力變化的影響等等所造成的隨機(jī)誤差，這種隨機(jī)誤差造成了每次測量的實(shí)際雨量與測量雨量不同，比如實(shí)際雨量為101ml、99ml、100ml、...，但是翻斗式傳感器測量雨量都認(rèn)為是100ml；在本專利中采用翻斗中有浮標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，在測量原理是通過測量翻斗中的浮標(biāo)位置來計(jì)量翻斗中的水量，通過視頻檢測手段來檢測翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作前瞬間翻斗中的水量，這樣實(shí)際雨量與測量雨量能達(dá)到一致；同時(shí)在翻斗自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置來計(jì)量翻斗中的初始雨量，也能排除翻斗室水體殘留、翻斗室殘留泥沙等對(duì)計(jì)量雨量的隨機(jī)誤差，從這個(gè)意義上來講翻斗只是作為雨量收集裝置，而真正的計(jì)量雨量是通過浮標(biāo)位置來計(jì)量的(不論是大量程以及小量程都是取決于翻斗中的浮標(biāo)位置)，并將本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作瞬時(shí)翻斗中的浮標(biāo)位置y(i)action-before以及前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置y(i-1)action-after存儲(chǔ)在記憶單元內(nèi)，通過公式(3)計(jì)算出實(shí)際本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒過程中所傾倒掉的水量；V(i)=W2*[y(i)action-before*[l+y(i)action-before*(L-lH)]]]>-y(i-l)action-after*[l+y(i-l)action-after*(L-lH)]}---(3)]]>通過公式(3)求得的是本次所傾倒掉的水量，并同時(shí)將該次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作的時(shí)刻(年月日小時(shí)分秒)一起存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫的雨量記錄表中。
世界氣象組織和中國氣象局對(duì)于雨量測定有嚴(yán)格的規(guī)定，目前，眾所周知的雨、雪量計(jì)量單位是“毫米”。規(guī)定200毫米為雨量測定儀器的盛雨口標(biāo)準(zhǔn)口徑，進(jìn)入該筒內(nèi)的積水深度即為雨量的毫米值。按公式(4)、(5)推算可得口徑D＝200mm+0.6mm(0.6mm為盛雨口邊寬)(4)面積S＝3.1416*(10.03)2cm2＝316cm2(5)通過公式(3)和公式(5)所計(jì)算得到的值，然后根據(jù)公式(6)就能得到本次所檢測到的雨量，
Rain(i)=V(i)S---(6)]]>通過雨量記錄表中所記錄的雨量以及翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作的時(shí)刻等信息可以求每小時(shí)降水量、每日降水量以及00-06，06-12，12-18，18-24時(shí)段的累計(jì)降水量，由計(jì)算公式(7)進(jìn)行計(jì)算Raintotal=Σi=starttimeendtimeRain(i)---(7)]]>在計(jì)算每小時(shí)降水量時(shí)，就是將某一個(gè)小時(shí)時(shí)間內(nèi)的雨量記錄進(jìn)行累加；同樣的方法計(jì)算每日降水量時(shí)，就是將零時(shí)時(shí)間到晚間12點(diǎn)以前時(shí)間內(nèi)的雨量記錄進(jìn)行累加；對(duì)于微量降水以及每分鐘降水量由于檢測量小、檢測時(shí)間短而造成了浮標(biāo)移動(dòng)量小，因此必須以每秒為單位檢測在翻斗的浮標(biāo)位置y(i)now與前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置y(i-1)action-after的相對(duì)位移，由計(jì)算公式(8)進(jìn)行計(jì)算V(i)=W2*{y(i)now*[l+y(i)now*(L-lH)]-y(i-l)action-after*[l+y(i-l)action-after*(L-lH)]}---(8)]]>通過公式(6)、(7)，累計(jì)在某一分鐘內(nèi)的雨量可以求得每分鐘降水量，同樣對(duì)微量降水可以通過比較長時(shí)間內(nèi)的累加來得到微量降水值。
所述的翻斗的浮標(biāo)位置y檢測是通過所獲取視頻圖像進(jìn)行處理得到浮標(biāo)位置，為了簡化圖像運(yùn)算，在本專利中將浮標(biāo)的顏色設(shè)計(jì)成紅色，那么上面的檢測就可以簡化為紅色部分在空間的位置問題；從攝像裝置讀取的視頻圖像是RGB色彩空間，RGB色彩空間對(duì)亮度比較敏感，特別是在野外使用的雨量計(jì)不應(yīng)該由亮度變化而造成誤測量，這里通過色彩空間轉(zhuǎn)化模塊將圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化，為獲得浮標(biāo)空間位置做準(zhǔn)備工作；YUV顏色模型是一種常用的顏色模型，其基本特征是將亮度信號(hào)與顏色信號(hào)分離，Y代表亮度，U、V是兩個(gè)彩色分量，表示色差，一般是藍(lán)，紅色的相對(duì)值，由于人眼對(duì)亮度的變化比對(duì)顏色的變化敏感，因此，YUV模型中Y分量的值所占帶寬大于等于彩色分量所占帶寬YUV與RGB模型之間的線形關(guān)系如公式(9)給出，
Y＝0.301*R+0.586*G+0.113*BU＝-0.301*R-0.586*G+0.887*B(9)V＝0.699*R-0.586*G-0.113*B由于我們?cè)谟炅坑?jì)中只關(guān)心浮標(biāo)的空間位置，因此上述公式計(jì)算時(shí)只要計(jì)算紅色分量的值，然后得到相對(duì)應(yīng)的二值化圖像，我們將浮標(biāo)的幾何中心位置作為浮標(biāo)在空間上的點(diǎn)的位置。由于計(jì)算機(jī)中的圖像是以像素為單位表示的，另外由于攝像機(jī)模型在整個(gè)視頻范圍內(nèi)并非都是線形的，因此需要建立實(shí)際空間的尺寸大小與圖像中的尺寸的映射關(guān)系，即視覺雨量傳感器的標(biāo)定。
所述的視覺雨量傳感器的標(biāo)定，是將一個(gè)尺寸大于浮標(biāo)活動(dòng)量程的標(biāo)尺放在浮標(biāo)活動(dòng)軌跡線上，通過計(jì)算機(jī)讀取標(biāo)尺上的刻度，然后將各刻度對(duì)應(yīng)在圖像中的像素，并對(duì)應(yīng)結(jié)果存儲(chǔ)在一張映射表中，這樣通過視頻圖像中浮標(biāo)的位置就能得到實(shí)際浮標(biāo)在空間上的位置。
為了最大限度降低雨量計(jì)的功耗，在本發(fā)明中利用翻斗翻倒動(dòng)作來自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，如果雨量傳感器沒有在測量狀態(tài)就立即激活雨量傳感器中的供電電源，對(duì)翻斗中的浮標(biāo)進(jìn)行測量；若一段時(shí)間內(nèi)無通、斷信號(hào)發(fā)出，即表示降雨過程結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。附圖4中的觸發(fā)信號(hào)單元15當(dāng)翻斗11發(fā)生翻倒動(dòng)作時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，同時(shí)該觸發(fā)信號(hào)單元15也起到了翻斗11恢復(fù)狀態(tài)的定位作用。
在晚間下雨往往比較多，而晚間由于亮度不夠會(huì)影響視頻的檢測，在激活雨量計(jì)量裝置的前提下，本發(fā)明中在亮度不足以測量時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)亮度判斷及節(jié)能燈開關(guān)模塊，以便能全天候進(jìn)行雨量測量；所述的亮度判斷及節(jié)能燈開關(guān)模塊，是根據(jù)圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化的結(jié)果得到Y(jié)的亮度分量，如果當(dāng)Y的值小于域值Ymin時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)接通在攝像頭上面的節(jié)能燈，節(jié)能燈的亮度只要能超過域值Ymin的10％左右即可，當(dāng)Y的值超過域值Ymin的20％時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開對(duì)節(jié)能燈的供電。
為了防止在翻斗發(fā)生翻倒動(dòng)作過程中泄水而造成的計(jì)量誤差，本發(fā)明中通過止流裝置動(dòng)作使引流管處在滯流狀態(tài)，翻斗翻倒過程中由于滑軌的作用，推動(dòng)小錐體向上運(yùn)動(dòng)起到一個(gè)錐閥的作用，從而阻塞引流管的流體通道，使得雨水在翻斗翻倒期間仍保留在引流管或者小漏斗中；而當(dāng)翻斗恢復(fù)原來位置時(shí)，小錐體依靠彈簧9的回復(fù)力的作用使得引流管的雨水暢通進(jìn)入翻斗，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來激活雨量計(jì)量裝置，因此翻斗的設(shè)計(jì)要滿足兩個(gè)要求1)翻斗上的滑軌必須在翻斗翻倒以前使錐閥的作用阻塞引流管的流體通道，防止在翻斗發(fā)生翻倒動(dòng)作過程中泄水而造成的計(jì)量誤差；2)而當(dāng)翻斗恢復(fù)原來位置時(shí)，小錐體依靠彈簧力的作用使得引流管的雨水暢通進(jìn)入翻斗，同時(shí)能作為一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來激活雨量計(jì)量裝置，使得雨量計(jì)能在極低功耗情況下運(yùn)行。
所述的視頻圖像采集與處理裝置，本發(fā)明中采用了全方位視覺傳感器，其目的是能在讀取小浮標(biāo)的視頻信息同時(shí)又能檢測周圍的視頻信息，這樣雨量傳感器也能檢測泥石流等自然災(zāi)害的視頻信息；全方位視覺傳感器如圖4中右邊部分所示，聚光透鏡4以及攝像單元5固定在圓筒體的下部；圓筒體的上部固定著一個(gè)向下的大曲率的折反射鏡1，在折反射鏡1的底部中央安裝一個(gè)黑色的倒圓錐體2，用于防止光飽和；其光學(xué)原理是全景圖像的光點(diǎn)經(jīng)透明外罩3，在折反射鏡1上形成折反射，然后在CMOS攝像單元5上成像。這樣能將一個(gè)半球(折反射鏡)中的信息壓縮成一幅圖像，使得一幅圖像中的信息量更大。
本發(fā)明中選擇嵌入式Linux系統(tǒng)，主要達(dá)到集傳感、通信、移動(dòng)為一體的目的，嵌入式Linux系統(tǒng)中包括了軟件與硬件技術(shù)，其中嵌入式Linux軟件是核心技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)全方位視覺的視頻服務(wù)器的功能。
嵌入式Linux全方位視覺傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖6所示。在嵌入式系統(tǒng)硬件方面，選用Samsung公司的S3c2410開發(fā)板為嵌入式arm9硬件平臺(tái)，處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，此外，配置16MB 16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000E擴(kuò)展一個(gè)網(wǎng)口并引出一個(gè)HOST USB接口。通過在USB接口上外接一個(gè)帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷斎刖彌_區(qū)中進(jìn)行處理。
所述的視頻服務(wù)器，其目的是不斷讀取全方位視覺傳感器所拍攝到的場景圖像信息，并提供對(duì)有線及無線網(wǎng)絡(luò)的支持，使各種網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行Socket通訊，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程主機(jī)上進(jìn)行視頻分析與處理，也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸場景信息到手機(jī)上，方便用戶隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場信息。全方位視覺傳感器視頻服務(wù)器的架構(gòu)如圖5所示，在S3c2410中建立視頻服務(wù)器。
按照上述原理制造的雨量計(jì)傳感器在安裝時(shí)只需調(diào)整基座的水平，無需調(diào)校翻斗感量，只要檢驗(yàn)它能可靠翻動(dòng)，因此安裝調(diào)試簡便易行；由于采用了無接觸式的視頻測量能降低故障率，減少維護(hù)或者無需維護(hù)。
本發(fā)明中的雨量傳感器的翻斗不作為計(jì)量部件，即使有少量沙塵沉積于翻斗斗室以及翻斗軸承付游隙變化，引起翻斗感量微小變化，不會(huì)影響翻斗正常翻動(dòng)，沙塵將會(huì)沉淀于浮子室底層，只要保證水路通暢就不會(huì)影響浮子正常工作，也不會(huì)產(chǎn)生附加測量誤差。
本實(shí)施例提供了一種高精度高可靠數(shù)字式視頻雨量觀測方式，滿足了水文氣象部門急需的高精度觀測設(shè)備的要求，將光、機(jī)、電、通信、圖像處理等技術(shù)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了智能化計(jì)算，消除了各種測量誤差，提高了雨量傳感器的分辨力和測量精度，減少了各種功耗，實(shí)現(xiàn)了雨量的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理，提供各種通信手段以及各種控制功能，能在非常惡劣的環(huán)境條件下可靠工作，同時(shí)該雨量傳感器支持各種網(wǎng)絡(luò)通信，能方便地進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)同時(shí)把握區(qū)域的雨量分布情況提供了一種新的手段。
實(shí)施例2參照?qǐng)D1～圖6本實(shí)施例的視覺傳感器采用一般的攝像頭，該攝像頭對(duì)準(zhǔn)小浮標(biāo)進(jìn)行檢測，設(shè)計(jì)與安裝時(shí)必須保證攝像頭的視場范圍覆蓋小浮標(biāo)的整個(gè)活動(dòng)行程。其余結(jié)構(gòu)、工作過程與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，包括雨量收集裝置，所述的雨量收集裝置包括盛水器、翻斗，所述的盛水器下端設(shè)有引流管，該引流管的下方為翻斗，所述的翻斗安裝在鉸支座上，所述鉸支座位于當(dāng)翻斗盛積的水量達(dá)到設(shè)定數(shù)量值時(shí)正好能使翻斗翻倒、將翻斗中盛積的水量傾倒完畢后翻斗由于重心恢復(fù)力的作用恢復(fù)到原來位置的平衡支點(diǎn)，其特征在于所述的翻斗上安裝在翻斗翻倒時(shí)堵住引流管、翻斗恢復(fù)后放開引流管的止流裝置，所述的止流裝置的堵塞件與引流管的下端配合；在所述的翻斗內(nèi)設(shè)有觀測水槽，所述的觀測水槽與翻斗底部連通，所述的觀測水槽內(nèi)設(shè)有具有顏色特征的浮標(biāo)；所述翻斗連接用于在翻斗翻到動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生通、斷觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)傳感器，所述的智能雨量檢測設(shè)備還包括用于監(jiān)測觀測水槽中水位的視覺傳感器、用于根據(jù)視覺傳感器信號(hào)計(jì)算雨量的微處理器，所述觀測水槽位于視覺傳感器的視覺范圍內(nèi)，所述的微處理器包括視覺傳感器標(biāo)定模塊，用于設(shè)定視頻圖像中浮標(biāo)的位置與實(shí)際浮標(biāo)在空間上的位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；浮標(biāo)位置采集模塊，用于采集視頻傳感器的視頻圖像，并確定浮標(biāo)的位置；雨量智能計(jì)算模塊，用于設(shè)定浮標(biāo)的位置與翻斗的水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；接收觸發(fā)傳感器的觸發(fā)信號(hào)后，采集視覺傳感器的信號(hào)，檢測翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作前瞬間浮標(biāo)的位置，并依據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算翻斗中的實(shí)際雨量，檢測翻斗前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置，計(jì)量翻斗中的初始雨量，實(shí)際雨量與初始雨量相減后得到本次傾倒雨量。
2.如權(quán)利要求1所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于所述的翻斗呈扁型梯形狀，翻斗的寬度為一個(gè)恒定量W，梯形邊的下部底邊長度為l，梯形邊的上部底邊長度為L，梯形的總高度為H，浮標(biāo)的位置即水位的高度y，在雨量智能計(jì)算模塊中，翻斗梯形邊的長度x是水位的高度y的線形函數(shù)，建立水位的高度與翻斗中雨水的容積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，公式如(2)所示V(y)=W*y*[l+y*(L-lH)]2---(2)]]>上式中，V為翻斗中雨水的容積；將本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作瞬時(shí)翻斗中的浮標(biāo)位置y(i)action-before以及前一次自動(dòng)恢復(fù)動(dòng)作后的翻斗中的浮標(biāo)位置y(i-1)action-after存儲(chǔ)在記憶單元內(nèi)，通過公式(3)計(jì)算出實(shí)際本次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒過程中所傾倒掉的水量；V(i)=W2*{y(i)action-bcfore*[l+y(i)action-before*(L-lH)]---(3);]]>-y(i-1)action-after*[l+y(i-1)action-after*(L-lH)]}]]>設(shè)定盛水器的面積為S，根據(jù)公式(6)就能得到本次所檢測到的雨量，Rain(i)=V(i)S---(6)]]>上式中，Rain為雨量。
3.如權(quán)利要求2所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于在雨量智能計(jì)算模塊中，記錄該次翻斗自動(dòng)發(fā)生翻倒動(dòng)作的時(shí)刻，并將各個(gè)翻倒時(shí)刻記錄在數(shù)據(jù)庫記錄表中，并記錄各個(gè)翻到時(shí)刻的雨量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方式計(jì)算得到設(shè)定時(shí)間段的雨量。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于在雨量智能計(jì)算模塊中，接收觸發(fā)傳感器的觸發(fā)信號(hào)后，打開供電電源，開始采集視頻傳感器的視頻圖像，如超過設(shè)定的時(shí)間沒有通、斷觸發(fā)信號(hào)，關(guān)斷供電電源。
5.如權(quán)利要求1-3之一所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于在浮標(biāo)位置采集模塊，讀取觀測水槽的視頻圖像，通過色彩空間轉(zhuǎn)化模塊將圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下Y＝0.301*R+0.586*G+0.113*BU＝-0.301*R-0.586*G+0.887*B(9)V＝0.699*R-0.586*G-0.113*B上式中，Y代表YUV顏色模型的亮度，U、V是YUV顏色模型的兩個(gè)彩色分量，表示色差；R表示RGB色彩空間的紅色；G表示RGB色彩空間的綠色；B表示RGB色彩空間的藍(lán)色；計(jì)算浮標(biāo)顏色分量的值，然后得到相對(duì)應(yīng)的二值化圖像，將浮標(biāo)的幾何中心位置作為浮標(biāo)在空間上的點(diǎn)的位置。
6.如權(quán)利要求1-3之一所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于所述的止流裝置包括安裝在翻斗上的滑軌、位于滑軌上的滾輪，所述的滑軌與堵塞件上的滾輪依靠彈簧力緊密接觸，所述的滾輪安裝在所述引流管下部，在所述的滾輪與所述引流管下部之間設(shè)有復(fù)位彈簧。
7.如權(quán)利要求6所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于當(dāng)翻斗位于初始位置時(shí)，所述的滑軌與鉸支座距離最近的一端與滾輪接觸，堵塞件處于放松狀態(tài)，滑軌另一端的下部位于支撐塊上，所述的觸發(fā)傳感器位于滑軌與支撐塊的接觸面的之間。
8.如權(quán)利要求1-3之一所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于所述雨量智能計(jì)算模塊還包括微小雨量測量單元，用于設(shè)定視頻傳感器的浮標(biāo)位置采樣頻率，周期性地讀取浮標(biāo)的位置，檢測每一周期的翻斗中的浮標(biāo)位置變化，統(tǒng)計(jì)設(shè)定時(shí)間段的微小雨量數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于所述的視頻傳感器為全方位視覺傳感器，包括折反射鏡、透明圓筒體，所述的透明圓筒體的上部固定向下的大曲率的折反射鏡，聚光透鏡以及攝像單元固定在圓簡體的下部，所述的折反射鏡的下部中央設(shè)有黑色倒圓錐體。
10.如權(quán)利要求5所述的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，其特征在于所述的智能雨量檢測設(shè)備還包括照明燈，所述的照明燈安裝在視覺傳感器上，所述的微處理器還包括亮度判斷及節(jié)能燈開關(guān)模塊，用于提取圖像RGB色彩空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)化的結(jié)果得到Y(jié)的亮度分量，如果當(dāng)Y的值小于域值Ymin時(shí)，自動(dòng)接通照明燈，照明燈的亮度為域值Ymin的10％，當(dāng)Y的值超過域值Ymin的20％時(shí)，自動(dòng)斷開對(duì)照明燈的供電。
全文摘要
一種基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備，包括雨量收集裝置，雨量收集裝置包括盛水器、翻斗，盛水器下端設(shè)有引流管，引流管的下方為翻斗，翻斗安裝在鉸支座上，翻斗上安裝止流裝置，止流裝置的堵塞件與引流管的下端配合；在翻斗內(nèi)設(shè)有觀測水槽，觀測水槽與翻斗底部連通，觀測水槽內(nèi)設(shè)有具有顏色特征的浮標(biāo)；翻斗連接觸發(fā)傳感器，智能雨量檢測設(shè)備還包括用于監(jiān)測觀測水槽中水位的視覺傳感器、用于根據(jù)視覺傳感器信號(hào)計(jì)算雨量的微處理器，所述觀測水槽位于視覺傳感器的視覺范圍內(nèi)，微處理器包括視覺傳感器標(biāo)定模塊、浮標(biāo)位置采集模塊、雨量智能計(jì)算模塊。本發(fā)明提供一種安裝調(diào)整簡單、測量精度高、安全可靠性強(qiáng)的基于計(jì)算機(jī)視覺的智能雨量檢測設(shè)備。
文檔編號(hào)G01W1/14GK1963564SQ20061015467
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
發(fā)明者湯一平, 周宗思, 樓勇攀, 嚴(yán)海東, 柳圣軍, 金海明 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)