视觉水位监测系统研究

张曦明　李向阳　周普辉

摘 要：随着新技术的发展，越来越多的电子技术被应用到我们的水利行业，为我们的基础水文工作提供帮助，解决了生产中存在的实际问题，对我们的工作带来了极大的促进，提高了工作效率，降低了劳动强度。视觉水位计就是采用机器视觉的方式，利用光学视觉技术测量水位变化，依据当前传统水尺水位计的图形图像来识别水位信息，对识别的信息进行采集、计算、传输、整理入库；使用公网无线GPRS和北斗卫星进行通信互相备份，实现水位数据、图像信息稳定的定时采集、实时招测。

关键词：光学 视觉技术 机器视觉 图形图像 采集 整理入库

中图分类号：TV22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0053-02

视觉水位计就是利用机器对目标进行视觉，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

1 视觉水位计的特点

使用现有水位计，只需要安装图像设备即可。只有简单的水位计安装在水中，可防止因为洪水将水尺冲走，而造成重大损失。如果水尺损坏，可提示，即时更换。具有图像保存，查找，亦可人工校正，具备相应资料保全功能。

2 视觉水位计组成

视觉水位计由以下几个部分组成，见图1。

在光线不足的环境或夜晚，通过补光设备可获得必要的光源，得到清晰的图像。

CCD摄像机将光学信号转成视频信号输送给视频采集卡，视频采集卡将视频信号转换成数字信号输送给计算机。

计算机依据相应的水位特征将数字信号转换成水位数据。

3 视觉水位计工作原理

视觉水位计分可为水位计、图像获取、水尺图像定位与分割、水尺信息识别四部分组成。其工作流程见图2。

首先需在水中安装水尺标识板，通过CCD摄像机机、补光设备及采集卡获取图像。识别软件采用神经网络的方法对水尺进行定位，再依据水尺的特征来判断水位信息。

3.1 水尺定位

计算机通过采集卡定时对水尺进行图像采集，采集到的图像是24位的真彩色图像，首先将图像进行灰度变换，转换为256色的灰度图。在水尺的局部图像内，字符笔画及刻度线与水尺的背景反差形成明显边缘。利用特征，采用小波分析的多分辨率思想，进行水平方向上的小波变换，小波变换后的高频部分可以突出水尺过缘，后继处理只需要对高频图像进行变换，即可定位出水尺的位置。接下来，利用局部阈值方法，将高频图像部分二值化。此时的图像可能含有一些干扰信息，因此要先对其进行中值滤波，以消除一些不必要的噪声。考虑到数学形态学的腐蚀和膨胀运算可以分别起到突出轮廓和填充空洞的作用，因此利用数学形态学的闭运算来突出水尺的轮廓和消除孤立的部分。然后根据对水尺的先验知识（例如刻度特征等）提取水尺的候选区。最后，将水尺候选区域变换到HSI色彩空间，通过判断背景的颜色及刻度特征来确定准确的水尺区域。

3.2 数字识别

将已经确定的水尺区域变换成灰度图。利用中值滤波进行预处理，然后利用中值滤波消除水尺上的污点，利用HOUGH变换对水尺进行倾斜度矫正。接着采用自适应阈值法，将图像二值化。利用竖直方向的投影具有波峰、波谷间隔出现的特性，将字符进行分割。最后，将分割的字符大小归一化后，送入改进的BP神经网络进行字符识别。

3.3 水尺信息获取

根据水尺的特征建立水尺模型。水尺特征主要包括三部分：第一水尺的几何特征，如外形成长条形，有相应的数字信息及分明刻度线。第二数字信息有均匀的分布。第三有明显的对等中间线。将获得的水尺图像与水尺模型进行相应的比对。再依据对水尺板上的数字的识别及刻度线的读取，得到相应的水位信息。再读取的信息与水尺模型进行相应的再比对，可得到准确的信息。

3.4 水尺信息保存

将得到水尺图像与水尺读数进行数据库保存，方便以后校验及查询。

4 信息采集传输

4.1 多通道数据采集系统

采用多通道进行信息采集，保证多个监测点的数据传输到中心站，采集系统由多通道数据采集接口模块和各类信息监测站点传感器构成。测量系统的各类传感器主要有：图像传感器、水雨情传感器、蒸发传感器、流量传感器、气象传感器、水质等各类传感器。多通道数据采集系统通过各类接口电路，可实现多类综合数据的实时采集，也可以通过智能核心控制模块与不同传感器的组合，分别实现水位、雨情监测、蒸发监测、流量监测、气象监测等动态监测设备功能。

4.2 多通道数据传输子系统

由于遥测站所处的地理位置比较偏僻，一般无法使用有线的通信系统，因此本项研究拟采用无线通信系统。为了节省成本，共享社会资源，本项目采用公共无线通信技术作为本项目的基础通信技术。

如图3所示，该项研究的多通道数据穿数子系统技术的核心是通过模块化设计可实现中国移动、中国联通、中国电信和北斗卫星等多类无线通信技术（GPRS＼3G＼卫星通信等技术）的有机整合，应用北斗卫星通信作为备用信道，保证实现2个以上的多通道的通信系统自动切换。

多通道通信系统的主要功能是实现将多通道数据采集子系统采集到的水雨情等各类综合信息，通过无线网络（GPRS＼3G＼卫星通信等技术）传输到相关部门的服务器中进行储存管理。所以通讯电路的设计是该系统的核心部分，也非常重要的环节。要求该通讯系统稳定且高速。因此，综合考虑设计了中国移动和中国联通与北斗卫星双通道互为备份的多通道通信模式。

由于GPRS无线通讯在信息行业应用已非常成熟，该项研究直接使用工业级的GPRS模块如图4所示，并设计外围电路构成可拆卸式的多通道通信系统。 GPRS模块的串口与中央处理器的其中一个串口进行电气连接，用于收发数据；模块的数据卡接口连接到一个具有6个引脚的标准的SIM卡座，用于数据服务读取；本方案设计具有2个SIM卡座，通过巧妙的电路设计，可以单独使用其中一张数据卡，一般以中国移动网络为主，中国联通网络为辅，中央处理器根据现在的网络情况选择信号最好的网络进行数据传输。模块的网络信号控制端通过连接到一个三极管来驱动一个发光二极管，用于提示模块是否登录网络，通过智能核心控制模块的IO端口来控制GPRS模块是否开启。endprint

4.3 各类数据采集与传输组合方案

水雨情监测组合方案：遥测终端机、摄像头、雨量计、水尺、供电系统单元、防雷系统单元。可以实现实时采集及传输水位、现场图片、实时视频、降雨量、气温等多项信息。蒸发量监测组合方案：遥测终端机、蒸发传感器、雨量计、供电系统、防雷系统单元等组成。可以实现实时采集及传输数据。

4.4 传输协议的选择

4.4.1 TCP/IP协议集

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol） 即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WAN）设计的。它是由ARPANET网的研究机构发展起来的。

TCP/IP协议不是TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个TCP/IP协议族。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由四个层次组成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。其层次结构和各协议的关系见图5。

其中传输层提供应用程序间的通信。其功能包括：（1）格式化信息流；（2）提供可靠传输。而传输层协议主要有两个：传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和用户数据报协议UDP（User Datagram protocol）。

4.4.2 TCP与UDP的比较

TCP和UDP是TCP/IP协议族中位于传输层的两个重要协议，在实际运用中各有特点，均有广泛应用。实际上TCP和UDP最本质的区别就在于有无连接。建立连接可以在需要通讯地双方建立一个传递信息的通道，在发送方发送请求连接信息接收方响应后，由于是在接受方响应后才开始传递信息，而且是在一个通道中传送，因此接收方能比较完整地收到发送方发出的信息，即信息传递的可靠性比较高。但也正因为需要建立连接，使资源开销加大（在建立连接前必须等待接受方响应，传输信息过程中必须确认信息是否传到及断开连接时发出相应的信号等），独占一个通道，在断开连接线不能建立另一个连接，即两人在通话过程中第三方不能打入电话。而无连接是一开始就发送信息，只是一次性的传递，是先不需要接受方的响应，因而在一定程度上也无法保证信息传递的可靠性了，就像写信一样，我们只是将信寄出去，却不能保证收信人一定可以收到。经过比较看出TCP的可靠性好，传输速度较慢，TCP协议中已经封装了可靠性校验的策略和算法，使用起来更安全可靠、便捷。

4.4.3 移动终端动态监管系统

移动终端动态监管系统具有与PC端动态监管及预警系统类似的基本功能，即对水情动态监管数据进行显示、查询、统计、管理和分析。兼容目前使用最广泛的iOS系统和Android系统的手机。主要功能包括：运行状况综述、重点水情信息收藏夹、详细信息监视和条件查询等功能。

5 结语

视觉水位计结合传统人工水位观测与仿生学、视频检测，软件识别技术的高科技产品，系统建设中土建简单快捷，图像识别部件可远距离安装，简便，安全。

参考文献

[1] 程乾生.属性识别理论模型及其应用[J].北京大学学报：自然科学版，1997，33（1）：12-20

[2] [美]科齐勒克《TCP/IP指南：底层核心协议》（卷1）[M]：北京：人民邮电出版社.2008

[3] 易飞，余刚，何凌.现代通信网络技术丛书：GPRS网络信令实例详解[M]：北京：人民邮电出版社，2012.endprint