圖像智能識(shí)別在水位監(jiān)測(cè)中的研究與應(yīng)用

金江波，王福卿，劉希慶，高明山，趙志輝

（河北省水利技術(shù)試驗(yàn)推廣中心，石家莊 050061）

灌區(qū)水資源是水資源重要組成部分，在保證農(nóng)業(yè)灌溉、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、維護(hù)生態(tài)平衡等方面發(fā)揮了重要作用。

目前，用水計(jì)量設(shè)備類型較多，但適用于渠道水量尤其是支斗渠灌溉用水計(jì)量的設(shè)備類型較少，壓力式、浮子式、容感式渠道水位傳感，由于受高寒地區(qū)凍脹、冰凍影響而不適用，而超聲波渠道流量?jī)x受制于渠道量水條件和設(shè)備造價(jià)較高等因素而限制了推廣應(yīng)用［1］。國(guó)家“農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革暨渠系節(jié)水改造”工作要求“計(jì)量到斗口”，所以研發(fā)、推廣適用于我國(guó)灌區(qū)灌溉計(jì)量，尤其是支斗渠灌溉用水計(jì)量的造價(jià)低廉、簡(jiǎn)便實(shí)用的量水設(shè)施和量水技術(shù)，是當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中亟待解決的棘手問題。結(jié)合農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革試點(diǎn)，采用渠道水位自動(dòng)拍照、圖像智能識(shí)別和GPRS遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，研發(fā)一種適用于高寒地區(qū)支斗渠渠道量水的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)⑶浪粓D像直觀記錄，不受外部環(huán)境和水體水質(zhì)等因素影響，穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

渠道水位圖像智能識(shí)別系統(tǒng)主要由信息采集層、信息傳輸層、信息應(yīng)用層3部分組成［2］。 如圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 信息采集層

主要由信息采集終端、GPRS無(wú)線模塊、電源等組成。信息采集終端主要完成監(jiān)測(cè)物理量傳感器信號(hào)，包括水位圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、定時(shí)記錄存儲(chǔ)等［3］；并通過GPRS無(wú)線模塊與數(shù)據(jù)管理中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，接收控制指令、發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和歷史數(shù)據(jù)等［4］。

1.2 信息傳輸層

本系統(tǒng)信息傳輸層主要由GPRS/Internet組成。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加SGSN和GGSN來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SGSN通過幀中繼連接基站系統(tǒng)，GGSN經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)與SGSN連通，最終連接到Internet，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信。

1.3 信息應(yīng)用層

信息應(yīng)用層主要指數(shù)據(jù)管理中心，其由通信服務(wù)器、應(yīng)用管理機(jī)、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理軟件構(gòu)成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入可采用由GPRS經(jīng)由防火墻到Internel公網(wǎng)接入方案，或由APN接入路由器的專用網(wǎng)絡(luò)接入方案。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)管理。

2 系統(tǒng)功能

渠道水位圖像智能識(shí)別系統(tǒng)集水位現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)拍照、圖像直觀顯示、智能識(shí)別、GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸、自動(dòng)計(jì)量、存儲(chǔ)、處理一體化的新型渠道量水系統(tǒng)。并能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)傳輸、流量計(jì)算、水量統(tǒng)計(jì)、過程線繪制、報(bào)表制作等。

系統(tǒng)主要具備以下功能：

2.1 采集功能

自動(dòng)采集分為非連續(xù)采集和連續(xù)采集。對(duì)于灌區(qū)來(lái)說(shuō)，其變化相對(duì)平緩，一般采用非連續(xù)性定時(shí)采集，即相隔一定時(shí)間進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)［5］。采用水位圖像直觀顯示，并對(duì)圖像進(jìn)行智能識(shí)別為水位值。這樣既能通過圖像了解現(xiàn)場(chǎng)，又能將水位自動(dòng)入庫(kù)，方便數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)等。

2.2 存儲(chǔ)功能

由于系統(tǒng)采用非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，所以必須將定時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，以便能夠更準(zhǔn)確捕捉到每日最高、最低水位值及突發(fā)事件所引起的突變值。

(2)蒼嶧鐵礦帶自北向南共分為5個(gè)含礦帶，礦帶展布形態(tài)受太白向斜和石閆背斜兩褶皺構(gòu)造的控制。規(guī)模較大的礦體主要產(chǎn)于向斜轉(zhuǎn)折端，而與背斜轉(zhuǎn)折端相對(duì)應(yīng)的礦床規(guī)模相對(duì)較小，在發(fā)生倒轉(zhuǎn)的褶皺構(gòu)造中，倒轉(zhuǎn)翼常常被拉斷，而正常翼則表現(xiàn)出礦體等厚性。斷層構(gòu)造為成礦后的破壞構(gòu)造，破壞了賦礦構(gòu)造及礦體的連續(xù)性，間接控制了鐵礦體的賦存和分布。

由于受存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式、存儲(chǔ)器容量等影響，該系統(tǒng)采用定時(shí)存儲(chǔ)記錄方式，時(shí)間間隔為5min，信息數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)容量為3年［6］。

2.3 指令接收與執(zhí)行功能

信息測(cè)控終端設(shè)備具有對(duì)數(shù)據(jù)管理中心指令自動(dòng)接收和識(shí)別、執(zhí)行等功能，并根據(jù)指令需求自動(dòng)查詢數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｍ瑫r(shí)具有遠(yuǎn)程配置功能，包括測(cè)控終端時(shí)鐘校對(duì)、域名配置、IP地址配置、多中心配置、數(shù)據(jù)報(bào)送模式等功能［7］。

2.4 自動(dòng)報(bào)送及召測(cè)功能

在數(shù)據(jù)管理中心連續(xù)工作狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息采用定時(shí)自動(dòng)報(bào)送模式，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)既可通過GPRS/Internet定時(shí)報(bào)送到數(shù)據(jù)管理中心，也可通過單點(diǎn)召測(cè)或巡測(cè)模式。召測(cè)功能還用于所需站點(diǎn)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，了解某個(gè)站點(diǎn)水位、流量信息實(shí)時(shí)狀況。

2.5 水位流量關(guān)系管理功能

對(duì)于規(guī)則斷面的渠道，在粗糙系數(shù)一定的情況下，過水?dāng)嗝媪髁靠捎镁鶆蛄鞴竭M(jìn)行水量計(jì)算。

對(duì)于非均勻流渠道或無(wú)法確定粗糙系數(shù)的情況下，可根據(jù)站點(diǎn)控制斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)采用最小二乘法進(jìn)行回歸計(jì)算處理［8］，找出控制斷面的水位～流量的回歸曲線和各水位對(duì)應(yīng)的流量表，以便于分析、修改和查詢。

2.6 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理中心具有對(duì)站點(diǎn)信息進(jìn)行自動(dòng)遙測(cè)，完成數(shù)據(jù)的分域、分時(shí)、分類，按照信息地域、時(shí)間、類別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析匯總、存儲(chǔ)，具備按地域、時(shí)段、類別進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)（最大值、最小值、平均值），并按《水資源監(jiān)測(cè)規(guī)范》等要求形成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表，以便上報(bào)、留檔及資料整編。能進(jìn)行水位過程曲線繪制，GIS專題圖表的繪制［9］，可清晰、直觀、形象地了解其變化情況。

3 信息監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

信息監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要由圖像識(shí)別、采集終端、GPRS數(shù)據(jù)終端、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、避雷器等組成。系統(tǒng)方案為：在渠道水中固定一個(gè)水位專用識(shí)別標(biāo)尺，并布置攝像頭及采集終端，對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過GPRS/Internet將觀測(cè)圖像上傳到數(shù)據(jù)管理中心，由數(shù)據(jù)管理中心完成對(duì)上傳數(shù)據(jù)的保存和分析，包括圖像智能識(shí)別、特征量提取及計(jì)算分析等任務(wù)，如圖2。

圖2 信息監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象的技術(shù)。識(shí)別過程包括圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取和判斷匹配等［10］。

借助圖像識(shí)別技術(shù)，不僅能通過圖片更快地搜索信息，還可以產(chǎn)生一種與外部世界進(jìn)行交互的新型方式，甚至?xí)屚獠渴澜绺又悄艿卣故具\(yùn)行。數(shù)字圖像處理和識(shí)別的主要技術(shù)方法有圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強(qiáng)和復(fù)原、圖像描述、圖像分割、圖像分類、識(shí)別等。圖像識(shí)別使攝像設(shè)備成為解密信息的鑰匙，僅需把攝像設(shè)備對(duì)準(zhǔn)某一未知事物，就能得到預(yù)想的答案。

本系統(tǒng)利用水位自動(dòng)拍照、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、圖像直觀顯示、智能識(shí)別為水位、根據(jù)水位～流量關(guān)系來(lái)推算水量。

在水位專用識(shí)別標(biāo)尺使用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種天氣現(xiàn)象，這樣對(duì)水尺的識(shí)別也會(huì)產(chǎn)生一定影響，本套產(chǎn)品通過輔助照明的方法和優(yōu)化識(shí)別算法來(lái)解決。如針對(duì)陰天時(shí)，外界光照不足的因素影響，設(shè)備會(huì)自動(dòng)啟用輔助照明，增加光照度；下雨時(shí)，水尺背景中可能會(huì)有雨滴，雨滴在圖片中的陰影會(huì)對(duì)識(shí)別造成一定干擾，設(shè)備會(huì)對(duì)水位圖片進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算，從而淡化雨滴陰影部分，排除干擾［11］；同時(shí)下雨時(shí)，水尺出水部分如有水漬，水漬會(huì)對(duì)水位線的判斷產(chǎn)生干擾，設(shè)備對(duì)圖片進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算、開運(yùn)算等來(lái)淡化非水位線的顏色，排除干擾［12］。水量量測(cè)范圍達(dá)0.01～10m3/s、水量量測(cè)誤差優(yōu)于3%、圖像識(shí)別準(zhǔn)確率在99%以上。

3.2 攝像頭及采集終端

位于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，主要完成監(jiān)測(cè)指標(biāo)的水位圖像自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)記錄、GPRS模塊通信控制、指令接收、遠(yuǎn)程配置、數(shù)據(jù)顯示等管理功能。

由于數(shù)據(jù)的采集是24h不間斷進(jìn)行的，這樣就會(huì)涉及到夜間識(shí)別問題。當(dāng)夜間光線不足時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)輔助照明附件，拍攝完成后，自動(dòng)關(guān)閉輔助照明附件，可有效地解決在夜間識(shí)別水位的問題［13］。

3.3 供電電源和工作模式

信息采集站點(diǎn)一般遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，優(yōu)先采用太陽(yáng)能供電模式是比較科學(xué)的選擇。這就要求信息采集站點(diǎn)設(shè)備采用低功耗設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)通過電池供電可連續(xù)運(yùn)行5年以上，具備中斷（遠(yuǎn)程喚醒中斷、時(shí)間中斷）喚醒功能?？紤]灌區(qū)信息監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)模塊采用定時(shí)段開啟方案和定時(shí)發(fā)送等模式，這樣既可省電，又能達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求。

4 系統(tǒng)管理中心

系統(tǒng)管理中心是整個(gè)系統(tǒng)的管理樞紐，是系統(tǒng)信息監(jiān)控中心和信息管理中心。系統(tǒng)管理中心主要由通信服務(wù)器、應(yīng)用客戶機(jī)、通訊接口、ADSL Modem、防火墻、路由器、操作系統(tǒng)軟件、信息采集與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件等組成，為系統(tǒng)的良好運(yùn)行提供硬件基礎(chǔ)平臺(tái)和軟件支撐平臺(tái)。

軟件系統(tǒng)主要包括信息采集軟件和數(shù)據(jù)管理軟件，采用GIS技術(shù)、全中文操作、人性化界面、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等［14］，其功能結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

5 應(yīng)用效果

5.1 解決水質(zhì)復(fù)雜條件下量水難題

利用較先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)渠道水位進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并通過GPRS/internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)渠道水位的遠(yuǎn)程傳輸，結(jié)合量水設(shè)施，采用遠(yuǎn)程直讀模式實(shí)現(xiàn)渠道水位圖像直觀顯示、水量的自動(dòng)計(jì)量，解決低溫冰凍環(huán)境、水質(zhì)復(fù)雜條件下的自動(dòng)量水難題。

5.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確

信息采集站點(diǎn)采用自動(dòng)檢測(cè)模式，定時(shí)存儲(chǔ)記錄，并定時(shí)報(bào)送或可隨時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)管理中心的實(shí)時(shí)在線召測(cè)，將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)及歷史記錄數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理中心，提高了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性和時(shí)效性。信息采集站點(diǎn)5min記錄1次數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以科學(xué)準(zhǔn)確地了解灌區(qū)水位、流量的變化過程［15］。

5.3 先進(jìn)實(shí)用、方便靈活

系統(tǒng)集成化程度高，組成比較簡(jiǎn)單，安裝時(shí)只要將數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備固定在專用線桿（建議用不銹鋼桿）上即可。系統(tǒng)管理軟件具有報(bào)表自動(dòng)生成功能，并可繪制各種數(shù)據(jù)專題分析圖、過程曲線圖等。

6 結(jié)語(yǔ)

利用較先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)渠道水位進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，本系統(tǒng)分別在河北省的張家口市、承德市等多個(gè)灌區(qū)得到應(yīng)用推廣，解決了低溫冰凍環(huán)境、水質(zhì)復(fù)雜條件下的自動(dòng)量水難題。

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