本發(fā)明涉及水利監(jiān)測(cè)裝置，尤其涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的凌汛觀測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國(guó)北方沿黃地區(qū)，冬季嚴(yán)寒，特別黃河下游兩岸人民深受冰凌堵塞造成的洪水漫灘之苦，疏通河道，防止凌汛成災(zāi)是歷年來(lái)治黃人民不懈的追求，因此，進(jìn)行冬季冰凌觀測(cè)是掌握河道凌期變化第一手資料和防治洪水的重要手段之一，而冰凌觀測(cè)一般都是在淌凌期、冰凍發(fā)展期、開(kāi)河期三個(gè)時(shí)期進(jìn)行密切關(guān)注，為確保黃河安度凌汛，防凌人員密切關(guān)注冰凌變化，各觀測(cè)點(diǎn)工作人員全天候密切注視河道的凌情變化，特別是窄河道和彎道等易出現(xiàn)險(xiǎn)情河段，從河道河面寬度、流凌密度、冰厚、流冰面積、岸冰情況等方面進(jìn)行觀測(cè)記錄，而這些工作都靠觀測(cè)人員憑經(jīng)驗(yàn)和目估法進(jìn)行觀測(cè)記錄和計(jì)算，當(dāng)天觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和上報(bào)都要靠手寫(xiě)，這些傳統(tǒng)辛苦和低效率的工作已不適應(yīng)現(xiàn)代高速發(fā)展的電子信息技術(shù)要求，而且這種目估法觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，占用人員多，風(fēng)雪天觀測(cè)不便，存在人員不安全因素等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，節(jié)省了人工成本，又提供了工作質(zhì)量和工作效率的的一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的凌汛觀測(cè)系統(tǒng)和圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：設(shè)計(jì)了由無(wú)線信號(hào)連接的觀測(cè)裝置和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，以及終端設(shè)備組成的系統(tǒng)；并設(shè)計(jì)了基于上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及處理方法，通過(guò)攝像機(jī)構(gòu)自動(dòng)采集圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)用無(wú)線信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理設(shè)備，而后數(shù)據(jù)處理設(shè)備對(duì)攝像機(jī)構(gòu)采集的圖像作圖像空間轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道冰凌分布圖像數(shù)據(jù)的量化分析，在圖像處理中，采用基于亞像素視覺(jué)技術(shù)冰水分離法，有效降低閾值選擇難度。分析研究現(xiàn)有圖像分割算法，結(jié)合冰凌圖像特點(diǎn)，針對(duì)河道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，編寫(xiě)適用于冰凌圖像處理的基于opencv冰凌分析算法，利用輪廓檢測(cè)、邊緣檢測(cè)、圖像灰度化、圖像二值分化等技術(shù)研發(fā)的河面冰清分析算法的實(shí)現(xiàn)可將系統(tǒng)獲得的冰凌圖像數(shù)據(jù)中冰凌和河水部分進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)了對(duì)河道冰凌密度、最大冰塊、冰塊厚度的實(shí)時(shí)、科學(xué)、有效的觀測(cè)。其中，在保證整幅圖像的整體和局部的色彩和亮度等級(jí)的分布和特征的前提下，灰度圖的計(jì)算量變得少一些。為了整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，需要再將圖片進(jìn)行二值化處理，也就是將圖像上的點(diǎn)的灰度值置為0或者255。然后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)算法處理，通過(guò)設(shè)置參數(shù)閥值和矩陣，采用sobel算子與高斯拉普算子進(jìn)行邊緣處理。根據(jù)邊緣檢測(cè)的處理結(jié)果，進(jìn)行輪廓檢測(cè)。

具體為，一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的凌汛觀測(cè)系統(tǒng)，包括觀測(cè)裝置和終端設(shè)備，所述觀測(cè)裝置由無(wú)線信號(hào)連接有數(shù)據(jù)處理設(shè)備，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備信號(hào)連接所述終端設(shè)備；

所述觀測(cè)裝置包括新能源供電裝置，所述供電裝置電連接有數(shù)據(jù)采集裝置和信號(hào)收發(fā)裝置；

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括攝像機(jī)構(gòu)和云臺(tái)機(jī)構(gòu)，所述攝像機(jī)構(gòu)和云臺(tái)機(jī)構(gòu)信號(hào)連接所述信號(hào)收發(fā)裝置。

其中，所述云臺(tái)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)置型直流控制器和半球形防護(hù)罩，所述半球形防護(hù)罩內(nèi)設(shè)置有所述攝像機(jī)構(gòu)；

所述控制器包括用于控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的云臺(tái)控制模塊，所述云臺(tái)控制模塊信號(hào)連接有兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別用于實(shí)現(xiàn)云臺(tái)左右方向和上下方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；

還包括用于限制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的垂直限位栓、水平限位栓和兩個(gè)配合所述垂直限位栓、水平限位栓的微動(dòng)開(kāi)關(guān)。

所述太陽(yáng)能電池包括30-40塊太陽(yáng)能電池片。

所述無(wú)線傳輸設(shè)備采用蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)。

所述觀測(cè)裝置還包括時(shí)間繼電器。

一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的凌汛觀測(cè)系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：使用攝像機(jī)構(gòu)采集圖像；

步驟2：將采集得到的圖像發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備；

步驟3：數(shù)據(jù)處理設(shè)備將圖像中每個(gè)點(diǎn)的由紅色、綠色和藍(lán)色3 個(gè)分量組成的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為灰度的數(shù)據(jù)；

步驟4：圖像灰度均衡化處理；

步驟5：用高斯濾波法降噪處理；

步驟6：圖像閾值分割；

步驟7：計(jì)算冰凌密度和最大冰塊的面積。

步驟8：由氣溫、冰凌密度和最大冰塊面積計(jì)算冰厚。

新能源供電裝置采用太陽(yáng)能蓄電池供電系統(tǒng)。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為能夠?qū)崿F(xiàn)在野外黃河河道長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，而這些地段多沒(méi)有市電等電源來(lái)為系統(tǒng)供電，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇新能源供電裝置來(lái)為系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供電源。河道冰情冰凌圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作在黃河河道岸邊，考慮到河道無(wú)供電的情況以及河道開(kāi)闊日照充足的現(xiàn)場(chǎng)條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用太陽(yáng)能蓄電池供電系統(tǒng)為系統(tǒng)供電。即冰水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和云臺(tái)控制冰凌圖像采集系統(tǒng)均由蓄電池供電，并通過(guò)太陽(yáng)能控制器控制太陽(yáng)能板向蓄電池充電。太陽(yáng)能電池板由太陽(yáng)能電池片(相當(dāng)于一節(jié)0.5V左右的電池)組成，是利用光伏發(fā)電原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，繼而存儲(chǔ)在蓄電池中或?yàn)樨?fù)載供電使其工作。太陽(yáng)能電池板中電池片的數(shù)量由系統(tǒng)電壓來(lái)決定，一般取系統(tǒng)電壓的1.4-1.5倍。整個(gè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的質(zhì)量和成本很大程度上受太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本決定，而太陽(yáng)能電池片的多少又決定著太陽(yáng)能電池板的價(jià)格。因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)太陽(yáng)能電池板選型時(shí)既要能夠滿足系統(tǒng)在野外長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求，又要滿足太陽(yáng)能電池板面積最小即太陽(yáng)能電池片最少?gòu)亩蛊鋬r(jià)格最小。

采用無(wú)線信號(hào)傳輸將現(xiàn)場(chǎng)采集的冰水情、冰凌圖像數(shù)據(jù)定時(shí)或者實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，總體看可以分為黃河現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分和監(jiān)控中心信息接收處理與控制兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)信息采集部分完成冰情冰凌圖像數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和后期處理，連接兩部分的紐帶就是數(shù)據(jù)的通信，因而通信網(wǎng)絡(luò)的選擇顯得尤為重要，是保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳回監(jiān)控中心的基礎(chǔ)?？紤]到系統(tǒng)工作在無(wú)人堅(jiān)守的野外，所以須選擇無(wú)線通信技術(shù)完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

本系統(tǒng)采用云計(jì)算模式，黃河現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分就是觀測(cè)裝置部分，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分就是數(shù)據(jù)處理設(shè)備和終端設(shè)備。攝像機(jī)構(gòu)的室外運(yùn)行比較成熟穩(wěn)定，故障一般出現(xiàn)在作為數(shù)據(jù)處理是被的工控處理器上，如采用云計(jì)算模式將省去異地維護(hù)的工作。云計(jì)算模式是將工控處理器放回辦公地點(diǎn)作為云計(jì)算中心，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的攝像機(jī)構(gòu)作為采集終端，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)構(gòu)采集完圖像后，實(shí)時(shí)發(fā)回云計(jì)算中心進(jìn)行分析計(jì)算并得出數(shù)據(jù)。這樣不僅省去異地維護(hù)工作，而且節(jié)省了每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都安裝工控處理器的費(fèi)用，達(dá)到效益最大化。

無(wú)線信號(hào)傳輸采用3G傳輸模塊。按照通信距離不同，無(wú)線通信方式主要有VHF、射頻RF、蜂窩通信(GSM,GPRS,3G)和衛(wèi)星通信，不同通信方式的通信距離各不相同，其中VHF和RF有著最遠(yuǎn)通信距離的限制，而且對(duì)工作環(huán)境還有著較為嚴(yán)苛的要求，容易受地形和氣候的影響。觀測(cè)裝置工作在黃河河道沿岸，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要傳回距離很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于40Km，因而VHF和RF射頻通信方式都不能滿足系統(tǒng)工作需求。反觀通信距離不受限制的衛(wèi)星，其0.6元/SOB的資費(fèi)對(duì)于少則兒KB的圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)太過(guò)龐大，是系統(tǒng)成本所不能承受的，因而衛(wèi)星通信方式也不在選用之列。經(jīng)實(shí)地考察，黃河口監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，因此采用蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)(3G)成為此次冰凌圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

觀測(cè)裝置對(duì)原始圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和運(yùn)算，并將原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控中心上位機(jī)發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制云臺(tái)實(shí)現(xiàn)上、下、左、右方向的旋轉(zhuǎn)以及對(duì)鏡頭實(shí)現(xiàn)變焦、變倍、光圈開(kāi)閉等操作。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河河道冰凌圖像的全方位多角度監(jiān)測(cè)。觀測(cè)裝置安裝時(shí)選擇安裝在距河面不遠(yuǎn)處的河道邊，閘前泵站是最為理想的安裝地點(diǎn)，既能保證安全又便于運(yùn)行維護(hù)，在開(kāi)河前就得提前將儀器箱取回。安裝時(shí)通過(guò)地腳螺絲先將攝像頭和儀器箱的支架固定，然后將再將攝像頭和儀器箱固定在支架上，如此一來(lái)，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上也保證了儀器箱和攝像頭的的安全。

觀測(cè)裝置的攝像機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中要能滿足整個(gè)河道斷面多角度的遠(yuǎn)程調(diào)控監(jiān)測(cè)；還要能隨河道監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)圖像清晰度變化進(jìn)行焦距的遠(yuǎn)程調(diào)焦控制，因此設(shè)置了云臺(tái)機(jī)構(gòu)，將攝像機(jī)構(gòu)安裝于云臺(tái)機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)監(jiān)控中心終端設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令，經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場(chǎng)冰凌圖像數(shù)據(jù)采集裝置，控制云臺(tái)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)攝像機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右、上下旋轉(zhuǎn)，以及攝像機(jī)構(gòu)焦距的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)河道斷面冰凌圖像的遠(yuǎn)近多角度按需監(jiān)測(cè)。

云臺(tái)機(jī)構(gòu)是固定、安裝攝像機(jī)構(gòu)的支撐設(shè)備，按分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的不同可以分為不同的類(lèi)型。按照使用環(huán)境不同分為室內(nèi)型和室外型。按照外形不同又可分為球型和普通型，其中球型云臺(tái)是將攝像機(jī)等安放在一個(gè)半球形防護(hù)罩內(nèi)以防止灰塵干擾鏡頭。按照工作電壓不同分為直流高變速型和交流定速型。按照云臺(tái)控制器的安裝分為內(nèi)置型和外置型。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置工作在野外黃河河道岸邊，采用太陽(yáng)能蓄電池供電系統(tǒng)供電，因而不能選用交流定速云臺(tái)，且能夠?qū)崿F(xiàn)云臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和鏡頭的遠(yuǎn)程調(diào)焦即可。此外相對(duì)于控制器外置型云臺(tái)，內(nèi)置型引出線較少，走線都在電路板上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。綜上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為直流控制器內(nèi)置球型云臺(tái)。云臺(tái)控制主要包括運(yùn)動(dòng)控制和鏡頭控制兩大模塊。鏡頭控制主要控制鏡頭的參數(shù)，細(xì)分為變焦、變倍、光圈等。而運(yùn)動(dòng)控制又細(xì)分為上下動(dòng)作控制，左右動(dòng)作控制。

云臺(tái)控制電路主要實(shí)現(xiàn)云臺(tái)在左右方向、上下方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以通過(guò)兩個(gè)歩進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)該功能。歩進(jìn)電機(jī)是一種電磁機(jī)械裝置，能將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)線位移或角位移。它啟?？焖?，當(dāng)電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大于等于電機(jī)負(fù)荷時(shí)，電機(jī)一瞬間的啟動(dòng)或停止可以通過(guò)輸入脈沖來(lái)控制。歩進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和歩距角一般只受輸入脈沖頻率影響，而與環(huán)境氣壓、溫度、振動(dòng)、負(fù)載變化以及電壓波動(dòng)等因素?zé)o關(guān)。因此，步進(jìn)電機(jī)可以用于云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制，因而對(duì)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制就變?yōu)閷?duì)歩進(jìn)電機(jī)工作方式的控制。

在設(shè)計(jì)中，為控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍，即控制云臺(tái)垂直、水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度極限，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)垂直、水平限位栓，分別通過(guò)兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直、水平限位功能。當(dāng)云臺(tái)垂直或水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到設(shè)定極限時(shí)，碰觸限位栓微動(dòng)開(kāi)關(guān)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，切斷電源，云臺(tái)在此方向不再轉(zhuǎn)動(dòng)。至此完成云臺(tái)控制點(diǎn)路的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)定時(shí)與可選區(qū)域的冰凌圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)采集受到系統(tǒng)功耗限制，冰凌圖像采用定時(shí)采集方式，設(shè)定每日8:00、12:00、14:00、16:00時(shí)段為冰凌圖像采集時(shí)間。在此時(shí)間段，系統(tǒng)對(duì)攝像頭，3G無(wú)線視頻模塊以及完成冰凌圖像采集任務(wù)，其余時(shí)段系統(tǒng)處于低功耗。同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)選定區(qū)域的冰凌圖像監(jiān)測(cè)。

云臺(tái)控制冰凌圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證系統(tǒng)在太陽(yáng)能蓄電池供電模式下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，需要最大程度的考慮降低系統(tǒng)功耗，所以硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)加入繼電器控制電路，每天定時(shí)給系統(tǒng)中云臺(tái)歩進(jìn)電機(jī)，攝像機(jī)以及3G無(wú)線視頻模塊上電，其他時(shí)間系統(tǒng)處在休眠狀態(tài)，以此來(lái)減小系統(tǒng)功耗。

觀測(cè)裝置設(shè)置有主程序和定時(shí)中斷上電程序。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)河道冰凌分布圖像數(shù)據(jù)的量化分析，首先對(duì)攝像頭采集的圖像作圖像空間轉(zhuǎn)換和降噪處理。由于現(xiàn)場(chǎng)光照隨時(shí)間變化是不均勻的，攝像頭長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)曝光不足現(xiàn)象，使得圖像中目標(biāo)物體冰凌和背景河水的亮度不均勻，造成分割時(shí)閾值的選擇困難。因此，在圖像預(yù)處理中，采用基于亞像素精度輪廓檢測(cè)視覺(jué)技術(shù)，有效降低輪廓選擇難度。通過(guò)圖像閾值分割技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了冰、水分離，完成冰凌數(shù)據(jù)的計(jì)算。

圖像預(yù)處理主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)換、灰度均衡和圖像濾波等過(guò)程。圖像采集設(shè)備得到的圖像數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是由紅色(Ｒ)、綠色(G)、和藍(lán)色(B)3個(gè)分量組成，為便于后續(xù)的處理和提高處理速度，灰度轉(zhuǎn)換過(guò)程將每個(gè)點(diǎn)的3個(gè)分量轉(zhuǎn)換成灰度(I)信息，通過(guò)采用基于亞像素精度輪廓檢測(cè)技術(shù)，提高了圖像對(duì)比度，經(jīng)過(guò)上述處理后圖像中含有很多噪聲點(diǎn)，嚴(yán)重影響了后續(xù)圖像分割效果，必須盡量濾除，本文采用高斯濾波方法，有效剔除了噪聲。

經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后，解決了亮度不均勻現(xiàn)象，從而降低了后續(xù)閾值的難度

閾值分割圖像的過(guò)程可用下述數(shù)學(xué)方程描述:

（1）

式(1)中，g(x，y)表示圖像分割結(jié)果，f(x，y)是待處理圖像這里指獲取的冰凌圖像，T為閾值，任何滿足f(x，y)≥T的點(diǎn)稱(chēng)為對(duì)象點(diǎn)，此處為圖像中的冰凌部分，其他點(diǎn)則稱(chēng)為背景點(diǎn)，此處指圖像中的河水部分。由式(1)可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)冰、水正確分離，選取合適的分割閾值T是關(guān)鍵值。選用迭代法，步驟歸納如下:

①選擇一個(gè)初始閾值T(j)，通?？梢赃x擇整體圖像的平均灰度值作為初始閾值，j為迭代次數(shù)。初始時(shí)j=0。

②用T(j)分割圖像。將圖像分為2個(gè)區(qū)域C1(j)和C2(j)。

③計(jì)算兩區(qū)域的平均灰度值。其中N1(j)、N2(j)為第j次迭代時(shí)區(qū)域C1和C2的像素個(gè)數(shù)。f(x，y)表示圖像中(x，y)點(diǎn)的灰度值。

（2）

（3）

④再計(jì)算新的門(mén)限值，即:

（4）

⑤令j=j+1重復(fù)式(2)－(4)直到T(j+1)與T(j)的差小于規(guī)定值。由圖3可以看出，上部分圖像為圖像未經(jīng)過(guò)預(yù)處理直接進(jìn)行閾值分割效果圖，由于圖像亮度不均勻，導(dǎo)致圖像分割后，冰、水混為一體，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)冰水的正確分離。下部分圖像效果為圖像先經(jīng)過(guò)預(yù)處理，然后進(jìn)行圖像分割的效果圖，可以看出，圖像二值化后，實(shí)現(xiàn)了冰、水完美分離，為后續(xù)冰凌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提供正確數(shù)據(jù)支撐。

基于opencv的算法。攝像頭拍攝的圖片，進(jìn)行8位的灰度值圖像處理，處理成灰度圖。在保證整幅圖像的整體和局部的色彩和亮度等級(jí)的分布和特征的前提下，灰度圖的計(jì)算量變得少一些。為了整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，需要再將圖片進(jìn)行二值化處理，也就是將圖像上的點(diǎn)的灰度值置為0或者255。然后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)算法處理，通過(guò)設(shè)置參數(shù)閥值和矩陣，采用sobel算子與高斯拉普算子進(jìn)行邊緣處理。根據(jù)邊緣檢測(cè)的處理結(jié)果，進(jìn)行輪廓檢測(cè)。

輪廓計(jì)算分為兩種模式：（1）只檢索最外邊的輪廓，并將他們組織為兩層。（2）檢索所有的輪廓，并重構(gòu)嵌套輪廓的整個(gè)層次。通過(guò)輪廓的計(jì)算可以計(jì)算出總共有多少個(gè)冰塊，各個(gè)冰塊的形狀，冰塊的面積、冰塊的厚度、冰塊的密度、冰塊的最大面積，以及冰塊群的大小，和整個(gè)河面寬度的百分比，并通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)的傳入云計(jì)算平臺(tái)中，云計(jì)算平臺(tái)根據(jù)最新監(jiān)測(cè)情況，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，環(huán)比和同比進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)照和分析。

根據(jù)設(shè)置的閥值，進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。通過(guò)這些業(yè)務(wù)處理后，云計(jì)算平臺(tái)會(huì)智能控制設(shè)備的工作狀態(tài)。比如：拍攝具體點(diǎn)，增加參數(shù)值和閥值，來(lái)確切的得到當(dāng)前河面情況，以及聯(lián)動(dòng)整個(gè)河面布防的攝像頭，進(jìn)行聯(lián)合拍照，進(jìn)行整體河面的數(shù)據(jù)分析，以并根據(jù)氣象信息、歷史信息和算法模型，產(chǎn)生報(bào)表和報(bào)警信息，以便做到冰情及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速處理。

在以上算法中解決了計(jì)算冰凌密度以及最大冰凌的方法，在防汛辦公室要求上報(bào)中還有“冰厚”的數(shù)據(jù)。冰厚的發(fā)展、變化在一段時(shí)間內(nèi)有一定的規(guī)律，其定量因素主要為氣溫，氣溫是影響冰厚最敏感的因素。在同一河段，當(dāng)其他條件相同時(shí)，氣溫愈低、累積負(fù)氣溫歷時(shí)愈長(zhǎng)，冰厚值愈大，且冰厚與累積負(fù)氣溫存在著一定的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，冰凌的密度和最大冰塊和冰厚成正比關(guān)系，密度越大，冰塊越厚。冰塊越大，厚度越大。根據(jù)影響的冰厚定量因素的分析，可建立冰厚函數(shù)表達(dá)式為：,式中d為冰厚，m為冰凌密度；k為最大冰塊；t為氣溫，℃，即穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)的累積日平均負(fù)氣溫。

通過(guò)多年實(shí)測(cè)資料分析、篩選，河道冰厚d受累積日平均負(fù)氣溫t的影響較大，為此，冰厚公式可以簡(jiǎn)單地表示為：

式中k為冰厚系數(shù)；為自秋季日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)之日起算的累積日平均負(fù)氣溫，℃。其中，k可通過(guò)點(diǎn)繪實(shí)測(cè)冰厚d與實(shí)測(cè)累積日平均負(fù)氣溫的關(guān)系圖分析確定（斜率），t為從網(wǎng)絡(luò)得到的氣溫。

本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，根據(jù)采集時(shí)間在一臺(tái)顯示器上讀取轄區(qū)內(nèi)所設(shè)工程觀測(cè)點(diǎn)冰凌觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有讀取數(shù)據(jù)精度高、時(shí)間性強(qiáng)，方便快捷，可節(jié)省大量的觀測(cè)人員，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，消除人身安全隱患，效率優(yōu)于人工，節(jié)省人力、物力、財(cái)力，該設(shè)備投資少、見(jiàn)效快、提高了工作效率。該項(xiàng)目的實(shí)施，能實(shí)時(shí)了解到冰凌變化的實(shí)情，為及時(shí)掌握冰凌險(xiǎn)情提供了第一手資料，有效地推動(dòng)了數(shù)字化黃河建設(shè)進(jìn)程，提高了科技創(chuàng)新發(fā)展的水平。為今后的防凌決策提供科學(xué)依據(jù)，大大提高黃河防凌辦公自動(dòng)化水平。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明云計(jì)算模式圖；

圖2為本發(fā)明觀測(cè)裝置主程序流程圖；

圖3為本發(fā)明觀測(cè)裝置定時(shí)中斷上電流程圖；

具體實(shí)施方式

為能清楚說(shuō)明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過(guò)具體實(shí)施方式，對(duì)本方案進(jìn)行闡述。

一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的凌汛觀測(cè)系統(tǒng)，包括觀測(cè)裝置和終端設(shè)備，其特征在于，所述觀測(cè)裝置由無(wú)線信號(hào)連接有數(shù)據(jù)處理設(shè)備，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備信號(hào)連接所述終端設(shè)備；

所述觀測(cè)裝置包括新能源供電裝置，所述供電裝置電連接有數(shù)據(jù)采集裝置和信號(hào)收發(fā)裝置；

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括攝像機(jī)構(gòu)和云臺(tái)機(jī)構(gòu)，所述攝像機(jī)構(gòu)和云臺(tái)機(jī)構(gòu)信號(hào)連接所述信號(hào)收發(fā)裝置。

其中，所述云臺(tái)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)置型直流控制器和半球形防護(hù)罩，所述半球形防護(hù)罩內(nèi)設(shè)置有所述攝像機(jī)構(gòu)；

所述控制器包括用于控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的云臺(tái)控制模塊，所述云臺(tái)控制模塊信號(hào)連接有兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別用于實(shí)現(xiàn)云臺(tái)左右方向和上下方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；

還包括用于限制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的垂直限位栓、水平限位栓和兩個(gè)配合所述垂直限位栓、水平限位栓的微動(dòng)開(kāi)關(guān)。

所述太陽(yáng)能電池包括30-40塊太陽(yáng)能電池片。

所述無(wú)線傳輸設(shè)備采用蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)。

所述觀測(cè)裝置還包括時(shí)間繼電器。

一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的凌汛觀測(cè)系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：使用攝像機(jī)構(gòu)采集圖像；

步驟2：將采集得到的圖像發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備；

步驟3：數(shù)據(jù)處理設(shè)備將圖像中每個(gè)點(diǎn)的由紅色、綠色和藍(lán)色3 個(gè)分量組成的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為灰度的數(shù)據(jù)；

步驟4：圖像灰度均衡化處理；

步驟5：用高斯濾波法降噪處理；

步驟6：圖像閾值分割；

步驟7：計(jì)算冰凌密度和最大冰塊的面積。

步驟8：由氣溫、冰凌密度和最大冰塊面積計(jì)算冰厚。

新能源供電裝置采用太陽(yáng)能蓄電池供電系統(tǒng)。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為能夠?qū)崿F(xiàn)在野外黃河河道長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，而這些地段多沒(méi)有市電等電源來(lái)為系統(tǒng)供電，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇新能源供電裝置來(lái)為系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供電源。河道冰情冰凌圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作在黃河河道岸邊，考慮到河道無(wú)供電的情況以及河道開(kāi)闊日照充足的現(xiàn)場(chǎng)條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用太陽(yáng)能蓄電池供電系統(tǒng)為系統(tǒng)供電。即冰水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和云臺(tái)控制冰凌圖像采集系統(tǒng)均由蓄電池供電，并通過(guò)太陽(yáng)能控制器控制太陽(yáng)能板向蓄電池充電。太陽(yáng)能電池板由太陽(yáng)能電池片(相當(dāng)于一節(jié)0.5V左右的電池)組成，是利用光伏發(fā)電原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，繼而存儲(chǔ)在蓄電池中或?yàn)樨?fù)載供電使其工作。太陽(yáng)能電池板中電池片的數(shù)量由系統(tǒng)電壓來(lái)決定，一般取系統(tǒng)電壓的1.4-1.5倍。整個(gè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的質(zhì)量和成本很大程度上受太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本決定，而太陽(yáng)能電池片的多少又決定著太陽(yáng)能電池板的價(jià)格。因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)太陽(yáng)能電池板選型時(shí)既要能夠滿足系統(tǒng)在野外長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求，又要滿足太陽(yáng)能電池板面積最小即太陽(yáng)能電池片最少?gòu)亩蛊鋬r(jià)格最小。

采用無(wú)線信號(hào)傳輸將現(xiàn)場(chǎng)采集的冰水情、冰凌圖像數(shù)據(jù)定時(shí)或者實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，總體看可以分為黃河現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分和監(jiān)控中心信息接收處理與控制兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)信息采集部分完成冰情冰凌圖像數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和后期處理，連接兩部分的紐帶就是數(shù)據(jù)的通信，因而通信網(wǎng)絡(luò)的選擇顯得尤為重要，是保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳回監(jiān)控中心的基礎(chǔ)?？紤]到系統(tǒng)工作在無(wú)人堅(jiān)守的野外，所以須選擇無(wú)線通信技術(shù)完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。

如圖1所示，本系統(tǒng)采用云計(jì)算模式，黃河現(xiàn)場(chǎng)信息采集部分就是觀測(cè)裝置部分，監(jiān)控中心信息接收處理與控制部分就是數(shù)據(jù)處理設(shè)備和終端設(shè)備。攝像機(jī)構(gòu)的室外運(yùn)行比較成熟穩(wěn)定，故障一般出現(xiàn)在作為數(shù)據(jù)處理是被的工控處理器上，如采用云計(jì)算模式將省去異地維護(hù)的工作。云計(jì)算模式是將工控處理器放回辦公地點(diǎn)作為云計(jì)算中心，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的攝像機(jī)構(gòu)作為采集終端，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)構(gòu)采集完圖像后，實(shí)時(shí)發(fā)回云計(jì)算中心進(jìn)行分析計(jì)算并得出數(shù)據(jù)。這樣不僅省去異地維護(hù)工作，而且節(jié)省了每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都安裝工控處理器的費(fèi)用，達(dá)到效益最大化。

無(wú)線信號(hào)傳輸采用3G傳輸模塊。按照通信距離不同，無(wú)線通信方式主要有VHF、射頻RF、蜂窩通信(GSM,GPRS,3G)和衛(wèi)星通信，不同通信方式的通信距離各不相同，其中VHF和RF有著最遠(yuǎn)通信距離的限制，而且對(duì)工作環(huán)境還有著較為嚴(yán)苛的要求，容易受地形和氣候的影響。觀測(cè)裝置工作在黃河河道沿岸，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要傳回距離很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于40Km，因而VHF和RF射頻通信方式都不能滿足系統(tǒng)工作需求。反觀通信距離不受限制的衛(wèi)星，其0.6元/SOB的資費(fèi)對(duì)于少則兒KB的圖像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)太過(guò)龐大，是系統(tǒng)成本所不能承受的，因而衛(wèi)星通信方式也不在選用之列。經(jīng)實(shí)地考察，黃河口監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在蜂窩網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，因此采用蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)(3G)成為此次冰凌圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

觀測(cè)裝置對(duì)原始圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和運(yùn)算，并將原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控中心上位機(jī)發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制云臺(tái)實(shí)現(xiàn)上、下、左、右方向的旋轉(zhuǎn)以及對(duì)鏡頭實(shí)現(xiàn)變焦、變倍、光圈開(kāi)閉等操作。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河河道冰凌圖像的全方位多角度監(jiān)測(cè)。觀測(cè)裝置安裝時(shí)選擇安裝在距河面不遠(yuǎn)處的河道邊，閘前泵站是最為理想的安裝地點(diǎn)，既能保證安全又便于運(yùn)行維護(hù)，在開(kāi)河前就得提前將儀器箱取回。安裝時(shí)通過(guò)地腳螺絲先將攝像頭和儀器箱的支架固定，然后將再將攝像頭和儀器箱固定在支架上，如此一來(lái)，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上也保證了儀器箱和攝像頭的的安全。

觀測(cè)裝置的攝像機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中要能滿足整個(gè)河道斷面多角度的遠(yuǎn)程調(diào)控監(jiān)測(cè)；還要能隨河道監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)圖像清晰度變化進(jìn)行焦距的遠(yuǎn)程調(diào)焦控制，因此設(shè)置了云臺(tái)機(jī)構(gòu)，將攝像機(jī)構(gòu)安裝于云臺(tái)機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)監(jiān)控中心終端設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令，經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場(chǎng)冰凌圖像數(shù)據(jù)采集裝置，控制云臺(tái)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)攝像機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右、上下旋轉(zhuǎn)，以及攝像機(jī)構(gòu)焦距的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)河道斷面冰凌圖像的遠(yuǎn)近多角度按需監(jiān)測(cè)。

云臺(tái)機(jī)構(gòu)是固定、安裝攝像機(jī)構(gòu)的支撐設(shè)備，按分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的不同可以分為不同的類(lèi)型。按照使用環(huán)境不同分為室內(nèi)型和室外型。按照外形不同又可分為球型和普通型，其中球型云臺(tái)是將攝像機(jī)等安放在一個(gè)半球形防護(hù)罩內(nèi)以防止灰塵干擾鏡頭。按照工作電壓不同分為直流高變速型和交流定速型。按照云臺(tái)控制器的安裝分為內(nèi)置型和外置型。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置工作在野外黃河河道岸邊，采用太陽(yáng)能蓄電池供電系統(tǒng)供電，因而不能選用交流定速云臺(tái)，要能夠?qū)崿F(xiàn)云臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和鏡頭的遠(yuǎn)程調(diào)焦即可。此外相對(duì)于控制器外置型云臺(tái)，內(nèi)置型引出線較少，走線都在電路板上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。綜上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為直流控制器內(nèi)置球型云臺(tái)。云臺(tái)控制主要包括運(yùn)動(dòng)控制和鏡頭控制兩大模塊。鏡頭控制主要控制鏡頭的參數(shù)，細(xì)分為變焦、變倍、光圈等。而運(yùn)動(dòng)控制又細(xì)分為上下動(dòng)作控制，左右動(dòng)作控制。

云臺(tái)控制電路主要實(shí)現(xiàn)云臺(tái)在左右方向、上下方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以通過(guò)兩個(gè)歩進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)該功能。歩進(jìn)電機(jī)是一種電磁機(jī)械裝置，能將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)線位移或角位移。它啟?？焖?，當(dāng)電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大于等于電機(jī)負(fù)荷時(shí)，電機(jī)一瞬間的啟動(dòng)或停止可以通過(guò)輸入脈沖來(lái)控制。歩進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和歩距角一般只受輸入脈沖頻率影響，而與環(huán)境氣壓、溫度、振動(dòng)、負(fù)載變化以及電壓波動(dòng)等因素?zé)o關(guān)。因此，步進(jìn)電機(jī)可以用于云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制，因而對(duì)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制就變?yōu)閷?duì)歩進(jìn)電機(jī)工作方式的控制。

在設(shè)計(jì)中，為控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍，即控制云臺(tái)垂直、水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度極限，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)考慮設(shè)計(jì)垂直、水平限位栓，分別通過(guò)兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直、水平限位功能。當(dāng)云臺(tái)垂直或水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到設(shè)定極限時(shí)，碰觸限位栓微動(dòng)開(kāi)關(guān)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，切斷電源，云臺(tái)在此方向不再轉(zhuǎn)動(dòng)。至此完成云臺(tái)控制點(diǎn)路的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)定時(shí)與可選區(qū)域的冰凌圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)采集受到系統(tǒng)功耗限制，冰凌圖像采用定時(shí)采集方式，設(shè)定每日8:00、12:00、14:00、16:00時(shí)段為冰凌圖像采集時(shí)間。在此時(shí)間段，系統(tǒng)對(duì)攝像頭，3G無(wú)線視頻模塊以及完成冰凌圖像采集任務(wù)，其余時(shí)段系統(tǒng)處于低功耗。同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)選定區(qū)域的冰凌圖像監(jiān)測(cè)。

云臺(tái)控制冰凌圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證系統(tǒng)在太陽(yáng)能蓄電池供電模式下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，需要最大程度的考慮降低系統(tǒng)功耗，所以硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)加入繼電器控制電路，每天定時(shí)給系統(tǒng)中云臺(tái)歩進(jìn)電機(jī)，攝像機(jī)以及3G無(wú)線視頻模塊上電，其他時(shí)間系統(tǒng)處在休眠狀態(tài)，以此來(lái)減小系統(tǒng)功耗。

觀測(cè)裝置設(shè)置有主程序和定時(shí)中斷上電程序，主程序和定時(shí)中斷上電程序的流程如圖2和圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)河道冰凌分布圖像數(shù)據(jù)的量化分析，首先對(duì)攝像頭采集的圖像作圖像空間轉(zhuǎn)換和降噪處理。由于現(xiàn)場(chǎng)光照隨時(shí)間變化是不均勻的，攝像頭長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)曝光不足現(xiàn)象，使得圖像中目標(biāo)物體冰凌和背景河水的亮度不均勻，造成分割時(shí)閾值的選擇困難。因此，在圖像預(yù)處理中，采用基于亞像素精度輪廓檢測(cè)視覺(jué)技術(shù)，有效降低輪廓選擇難度。通過(guò)圖像閾值分割技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了冰、水分離，完成冰凌數(shù)據(jù)的計(jì)算。

圖像預(yù)處理主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)換、灰度均衡和圖像濾波等過(guò)程。圖像采集設(shè)備得到的圖像數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是由紅色(Ｒ)、綠色(G)、和藍(lán)色(B)3個(gè)分量組成，為便于后續(xù)的處理和提高處理速度，灰度轉(zhuǎn)換過(guò)程將每個(gè)點(diǎn)的3個(gè)分量轉(zhuǎn)換成灰度(I)信息，通過(guò)采用基于亞像素精度輪廓檢測(cè)技術(shù)，提高了圖像對(duì)比度，經(jīng)過(guò)上述處理后圖像中含有很多噪聲點(diǎn)，嚴(yán)重影響了后續(xù)圖像分割效果，必須盡量濾除，本文采用高斯濾波方法，有效剔除了噪聲。

經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后，解決了亮度不均勻現(xiàn)象，從而降低了后續(xù)閾值的難度

閾值分割圖像的過(guò)程可用下述數(shù)學(xué)方程描述:

（1）

式(1)中，g(x，y)表示圖像分割結(jié)果，f(x，y)是待處理圖像這里指獲取的冰凌圖像，T為閾值，任何滿足f(x，y)≥T的點(diǎn)稱(chēng)為對(duì)象點(diǎn)，此處為圖像中的冰凌部分，其他點(diǎn)則稱(chēng)為背景點(diǎn)，此處指圖像中的河水部分。由式(1)可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)冰、水正確分離，選取合適的分割閾值T是關(guān)鍵值。選用迭代法，步驟歸納如下:

①選擇一個(gè)初始閾值T(j)，通?？梢赃x擇整體圖像的平均灰度值作為初始閾值，j為迭代次數(shù)。初始時(shí)j=0。

②用T(j)分割圖像。將圖像分為2個(gè)區(qū)域C1(j)和C2(j)。

③計(jì)算兩區(qū)域的平均灰度值。其中N1(j)、N2(j)為第j次迭代時(shí)區(qū)域C1和C2的像素個(gè)數(shù)。f(x，y)表示圖像中(x，y)點(diǎn)的灰度值。

（2）

（3）

④再計(jì)算新的門(mén)限值，即:

（4）

⑤令j=j+1重復(fù)式(2)－(4)直到T(j+1)與T(j)的差小于規(guī)定值。由圖3可以看出，上部分圖像為圖像未經(jīng)過(guò)預(yù)處理直接進(jìn)行閾值分割效果圖，由于圖像亮度不均勻，導(dǎo)致圖像分割后，冰、水混為一體，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)冰水的正確分離。下部分圖像效果為圖像先經(jīng)過(guò)預(yù)處理，然后進(jìn)行圖像分割的效果圖，可以看出，圖像二值化后，實(shí)現(xiàn)了冰、水完美分離，為后續(xù)冰凌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提供正確數(shù)據(jù)支撐。

基于opencv的算法。攝像頭拍攝的圖片，進(jìn)行8位的灰度值圖像處理，處理成灰度圖。在保證整幅圖像的整體和局部的色彩和亮度等級(jí)的分布和特征的前提下，灰度圖的計(jì)算量變得少一些。為了整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，需要再將圖片進(jìn)行二值化處理，也就是將圖像上的點(diǎn)的灰度值置為0或者255。然后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)算法處理，通過(guò)設(shè)置參數(shù)閥值和矩陣，采用sobel算子與高斯拉普算子進(jìn)行邊緣處理。根據(jù)邊緣檢測(cè)的處理結(jié)果，進(jìn)行輪廓檢測(cè)。

輪廓計(jì)算分為兩種模式：1、只檢索最外邊的輪廓，并將他們組織為兩層。2、檢索所有的輪廓，并重構(gòu)嵌套輪廓的整個(gè)層次。通過(guò)輪廓的計(jì)算可以計(jì)算出總共有多少個(gè)冰塊，各個(gè)冰塊的形狀，冰塊的面積、冰塊的厚度、冰塊的密度、冰塊的最大面積，以及冰塊群的大小，和整個(gè)河面寬度的百分比，并通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)的傳入云計(jì)算平臺(tái)中，云計(jì)算平臺(tái)根據(jù)最新監(jiān)測(cè)情況，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，環(huán)比和同比進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)照和分析。

根據(jù)設(shè)置的閥值，進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。通過(guò)這些業(yè)務(wù)處理后，云計(jì)算平臺(tái)會(huì)智能控制設(shè)備的工作狀態(tài)。比如：拍攝具體點(diǎn)，增加參數(shù)值和閥值，來(lái)確切的得到當(dāng)前河面情況，以及聯(lián)動(dòng)整個(gè)河面布防的攝像頭，進(jìn)行聯(lián)合拍照，進(jìn)行整體河面的數(shù)據(jù)分析，以并根據(jù)氣象信息、歷史信息和算法模型，產(chǎn)生報(bào)表和報(bào)警信息，以便做到冰情及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速處理。

在以上算法中解決了計(jì)算冰凌密度以及最大冰凌的方法，在防汛辦公室要求上報(bào)中還有“冰厚”的數(shù)據(jù)。冰厚的發(fā)展、變化在一段時(shí)間內(nèi)有一定的規(guī)律，其定量因素主要為氣溫，氣溫是影響冰厚最敏感的因素。在同一河段，當(dāng)其他條件相同時(shí)，氣溫愈低、累積負(fù)氣溫歷時(shí)愈長(zhǎng)，冰厚值愈大，且冰厚與累積負(fù)氣溫存在著一定的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，冰凌的密度和最大冰塊和冰厚成正比關(guān)系，密度越大，冰塊越厚。冰塊越大，厚度越大。根據(jù)影響的冰厚定量因素的分析，可建立冰厚函數(shù)表達(dá)式為：,式中d為冰厚，m為冰凌密度；k為最大冰塊；t為氣溫，℃，即穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)的累積日平均負(fù)氣溫。

通過(guò)多年實(shí)測(cè)資料分析、篩選，河道冰厚d受累積日平均負(fù)氣溫t的影響較大，為此，冰厚公式可以簡(jiǎn)單地表示為：

式中k為冰厚系數(shù)；為自秋季日平均氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)之日起算的累積日平均負(fù)氣溫，℃。其中，k可通過(guò)點(diǎn)繪實(shí)測(cè)冰厚d與實(shí)測(cè)累積日平均負(fù)氣溫的關(guān)系圖分析確定（斜率），t為從網(wǎng)絡(luò)得到的氣溫。

本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征能夠通過(guò)或采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述，當(dāng)然，上述說(shuō)明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。