視覺水位監測系統研究

張曦明　李向陽　周普輝

摘 要：隨著新技術的發展，越來越多的電子技術被應用到我們的水利行業，為我們的基礎水文工作提供幫助，解決了生產中存在的實際問題，對我們的工作帶來了極大的促進，提高了工作效率，降低了勞動強度。視覺水位計就是采用機器視覺的方式，利用光學視覺技術測量水位變化，依據當前傳統水尺水位計的圖形圖像來識別水位信息，對識別的信息進行采集、計算、傳輸、整理入庫；使用公網無線GPRS和北斗衛星進行通信互相備份，實現水位數據、圖像信息穩定的定時采集、實時招測。

關鍵詞：光學 視覺技術 機器視覺 圖形圖像 采集 整理入庫

中圖分類號：TV22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0053-02

視覺水位計就是利用機器對目標進行視覺，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

1 視覺水位計的特點

使用現有水位計，只需要安裝圖像設備即可。只有簡單的水位計安裝在水中，可防止因為洪水將水尺沖走，而造成重大損失。如果水尺損壞，可提示，即時更換。具有圖像保存，查找，亦可人工校正，具備相應資料保全功能。

2 視覺水位計組成

視覺水位計由以下幾個部分組成，見圖1。

在光線不足的環境或夜晚，通過補光設備可獲得必要的光源，得到清晰的圖像。

CCD攝像機將光學信號轉成視頻信號輸送給視頻采集卡，視頻采集卡將視頻信號轉換成數字信號輸送給計算機。

計算機依據相應的水位特征將數字信號轉換成水位數據。

3 視覺水位計工作原理

視覺水位計分可為水位計、圖像獲取、水尺圖像定位與分割、水尺信息識別四部分組成。其工作流程見圖2。

首先需在水中安裝水尺標識板，通過CCD攝像機機、補光設備及采集卡獲取圖像。識別軟件采用神經網絡的方法對水尺進行定位，再依據水尺的特征來判斷水位信息。

3.1 水尺定位

計算機通過采集卡定時對水尺進行圖像采集，采集到的圖像是24位的真彩色圖像，首先將圖像進行灰度變換，轉換為256色的灰度圖。在水尺的局部圖像內，字符筆畫及刻度線與水尺的背景反差形成明顯邊緣。利用特征，采用小波分析的多分辨率思想，進行水平方向上的小波變換，小波變換后的高頻部分可以突出水尺過緣，后繼處理只需要對高頻圖像進行變換，即可定位出水尺的位置。接下來，利用局部閾值方法，將高頻圖像部分二值化。此時的圖像可能含有一些干擾信息，因此要先對其進行中值濾波，以消除一些不必要的噪聲。考慮到數學形態學的腐蝕和膨脹運算可以分別起到突出輪廓和填充空洞的作用，因此利用數學形態學的閉運算來突出水尺的輪廓和消除孤立的部分。然后根據對水尺的先驗知識（例如刻度特征等）提取水尺的候選區。最后，將水尺候選區域變換到HSI色彩空間，通過判斷背景的顏色及刻度特征來確定準確的水尺區域。

3.2 數字識別

將已經確定的水尺區域變換成灰度圖。利用中值濾波進行預處理，然后利用中值濾波消除水尺上的污點，利用HOUGH變換對水尺進行傾斜度矯正。接著采用自適應閾值法，將圖像二值化。利用豎直方向的投影具有波峰、波谷間隔出現的特性，將字符進行分割。最后，將分割的字符大小歸一化后，送入改進的BP神經網絡進行字符識別。

3.3 水尺信息獲取

根據水尺的特征建立水尺模型。水尺特征主要包括三部分：第一水尺的幾何特征，如外形成長條形，有相應的數字信息及分明刻度線。第二數字信息有均勻的分布。第三有明顯的對等中間線。將獲得的水尺圖像與水尺模型進行相應的比對。再依據對水尺板上的數字的識別及刻度線的讀取，得到相應的水位信息。再讀取的信息與水尺模型進行相應的再比對，可得到準確的信息。

3.4 水尺信息保存

將得到水尺圖像與水尺讀數進行數據庫保存，方便以后校驗及查詢。

4 信息采集傳輸

4.1 多通道數據采集系統

采用多通道進行信息采集，保證多個監測點的數據傳輸到中心站，采集系統由多通道數據采集接口模塊和各類信息監測站點傳感器構成。測量系統的各類傳感器主要有：圖像傳感器、水雨情傳感器、蒸發傳感器、流量傳感器、氣象傳感器、水質等各類傳感器。多通道數據采集系統通過各類接口電路，可實現多類綜合數據的實時采集，也可以通過智能核心控制模塊與不同傳感器的組合，分別實現水位、雨情監測、蒸發監測、流量監測、氣象監測等動態監測設備功能。

4.2 多通道數據傳輸子系統

由于遙測站所處的地理位置比較偏僻，一般無法使用有線的通信系統，因此本項研究擬采用無線通信系統。為了節省成本，共享社會資源，本項目采用公共無線通信技術作為本項目的基礎通信技術。

如圖3所示，該項研究的多通道數據穿數子系統技術的核心是通過模塊化設計可實現中國移動、中國聯通、中國電信和北斗衛星等多類無線通信技術（GPRS＼3G＼衛星通信等技術）的有機整合，應用北斗衛星通信作為備用信道，保證實現2個以上的多通道的通信系統自動切換。

多通道通信系統的主要功能是實現將多通道數據采集子系統采集到的水雨情等各類綜合信息，通過無線網絡（GPRS＼3G＼衛星通信等技術）傳輸到相關部門的服務器中進行儲存管理。所以通訊電路的設計是該系統的核心部分，也非常重要的環節。要求該通訊系統穩定且高速。因此，綜合考慮設計了中國移動和中國聯通與北斗衛星雙通道互為備份的多通道通信模式。

由于GPRS無線通訊在信息行業應用已非常成熟，該項研究直接使用工業級的GPRS模塊如圖4所示，并設計外圍電路構成可拆卸式的多通道通信系統。 GPRS模塊的串口與中央處理器的其中一個串口進行電氣連接，用于收發數據；模塊的數據卡接口連接到一個具有6個引腳的標準的SIM卡座，用于數據服務讀取；本方案設計具有2個SIM卡座，通過巧妙的電路設計，可以單獨使用其中一張數據卡，一般以中國移動網絡為主，中國聯通網絡為輔，中央處理器根據現在的網絡情況選擇信號最好的網絡進行數據傳輸。模塊的網絡信號控制端通過連接到一個三極管來驅動一個發光二極管，用于提示模塊是否登錄網絡，通過智能核心控制模塊的IO端口來控制GPRS模塊是否開啟。endprint

4.3 各類數據采集與傳輸組合方案

水雨情監測組合方案：遙測終端機、攝像頭、雨量計、水尺、供電系統單元、防雷系統單元。可以實現實時采集及傳輸水位、現場圖片、實時視頻、降雨量、氣溫等多項信息。蒸發量監測組合方案：遙測終端機、蒸發傳感器、雨量計、供電系統、防雷系統單元等組成。可以實現實時采集及傳輸數據。

4.4 傳輸協議的選擇

4.4.1 TCP/IP協議集

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol） 即傳輸控制協議/網間協議，是一個工業標準的協議集，它是為廣域網（WAN）設計的。它是由ARPANET網的研究機構發展起來的。

TCP/IP協議不是TCP和IP這兩個協議的合稱，而是指因特網整個TCP/IP協議族。從協議分層模型方面來講，TCP/IP由四個層次組成：網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層。其層次結構和各協議的關系見圖5。

其中傳輸層提供應用程序間的通信。其功能包括：（1）格式化信息流；（2）提供可靠傳輸。而傳輸層協議主要有兩個：傳輸控制協議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數據報協議UDP（User Datagram protocol）。

4.4.2 TCP與UDP的比較

TCP和UDP是TCP/IP協議族中位于傳輸層的兩個重要協議，在實際運用中各有特點，均有廣泛應用。實際上TCP和UDP最本質的區別就在于有無連接。建立連接可以在需要通訊地雙方建立一個傳遞信息的通道，在發送方發送請求連接信息接收方響應后，由于是在接受方響應后才開始傳遞信息，而且是在一個通道中傳送，因此接收方能比較完整地收到發送方發出的信息，即信息傳遞的可靠性比較高。但也正因為需要建立連接，使資源開銷加大（在建立連接前必須等待接受方響應，傳輸信息過程中必須確認信息是否傳到及斷開連接時發出相應的信號等），獨占一個通道，在斷開連接線不能建立另一個連接，即兩人在通話過程中第三方不能打入電話。而無連接是一開始就發送信息，只是一次性的傳遞，是先不需要接受方的響應，因而在一定程度上也無法保證信息傳遞的可靠性了，就像寫信一樣，我們只是將信寄出去，卻不能保證收信人一定可以收到。經過比較看出TCP的可靠性好，傳輸速度較慢，TCP協議中已經封裝了可靠性校驗的策略和算法，使用起來更安全可靠、便捷。

4.4.3 移動終端動態監管系統

移動終端動態監管系統具有與PC端動態監管及預警系統類似的基本功能，即對水情動態監管數據進行顯示、查詢、統計、管理和分析。兼容目前使用最廣泛的iOS系統和Android系統的手機。主要功能包括：運行狀況綜述、重點水情信息收藏夾、詳細信息監視和條件查詢等功能。

5 結語

視覺水位計結合傳統人工水位觀測與仿生學、視頻檢測，軟件識別技術的高科技產品，系統建設中土建簡單快捷，圖像識別部件可遠距離安裝，簡便，安全。

參考文獻

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[3] 易飛，余剛，何凌.現代通信網絡技術叢書：GPRS網絡信令實例詳解[M]：北京：人民郵電出版社，2012.endprint