專利名稱：風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，屬于非入侵式風(fēng)浪特 征參數(shù)定量測量的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字化實景監(jiān)測是立足于數(shù)碼照相或數(shù)碼攝像技術(shù)的一種圖像式監(jiān)測和數(shù)值化 信息提取的系統(tǒng)。圖像式實景監(jiān)控在目前已是普遍化普通化的動態(tài)監(jiān)控手段，無論是水陸 交通、太空航行還是室內(nèi)安全都使用了實景監(jiān)控。但是監(jiān)測不同于監(jiān)控，如同數(shù)字信號不同 于模擬信號，模擬信號需要經(jīng)過AtoD板的轉(zhuǎn)換才成為數(shù)字信號。由數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī) 傳輸?shù)膱D像需要經(jīng)過圖像處理才能將圖像中的專業(yè)信息數(shù)值化地提取出來。對于動態(tài)固體或靜止固體的實景測量，被測對象的形狀、大小等相對于被測空間 坐標(biāo)系，是對相對穩(wěn)定的，因此攝影坐標(biāo)空間與實際三維空間的相對關(guān)系易于確定。在自然 環(huán)境下還有GPS定位系統(tǒng)的協(xié)助，因此圖像的定位測量與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系相對明確。但是對于流體，情況變得相當(dāng)復(fù)雜，特別是風(fēng)浪結(jié)構(gòu)，形態(tài)多變，需要進(jìn)行統(tǒng)計特 征求取和報告統(tǒng)計數(shù)值信息。現(xiàn)代衛(wèi)星雷達(dá)遙感的風(fēng)浪測量，以主動式和被動式電磁波的 發(fā)射與接受為基本過程，它們的測量原理均是從海洋和水體之外，通過遙感水面電磁波，包 括可見光、遠(yuǎn)紅外、微波等后向散射回波信號，反演獲得水動力信息。這類測量也有其自身 的局限除了設(shè)備昂貴以外，雷達(dá)微波脈沖及其回波信號在大氣中傳播，受到電離層、平流 層、海氣界面等多重影響。而且這種影響隨時空變化，對資料質(zhì)量有明顯干擾，此外因為距 離遠(yuǎn)，探測區(qū)的分辨率也較粗。隨著數(shù)碼相機(jī)設(shè)備的普及，多年來，有各種波浪攝影測量的 嘗試，這類工作有的著重測量波浪的某一要素，或僅考慮在特定環(huán)境條件下，如室內(nèi)水槽中 的波面特征，或是進(jìn)行理論推求等，但都為近距離波浪攝影測量提供了有益的啟發(fā)。美國海 洋研究所的波浪圖形技術(shù)是根據(jù)波面像素點(Pixel)在攝影圖像中的色彩強(qiáng)度差異隨時 間變化來反演近岸潮汐浪的起伏。再根據(jù)目標(biāo)空間中的像素當(dāng)量和實際參考基準(zhǔn)點的三維 數(shù)值比對進(jìn)行兩維像空間向三維實際場空間轉(zhuǎn)換，進(jìn)而求出波浪高度值。在這個過程中，波 面色彩強(qiáng)度受太陽入射角影響，隨環(huán)境天氣及光學(xué)強(qiáng)度變化而變化，使資料分析受到干擾。 特別是實際水面空間中參考基準(zhǔn)點的建立、確定以及與監(jiān)測對象同時刻比對，往往比圖像 中觀測對象的確定困難的多，這對流體動態(tài)攝影測量中兩維圖像空間向三維實際空間的轉(zhuǎn) 換造成困難，而且對實景監(jiān)測的適應(yīng)環(huán)境也形成限制。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是解決局地實景風(fēng)浪要素的非入侵式自動化監(jiān)測 問題，通過設(shè)計簡便的測量過程和建立合適的圖像專業(yè)信息提取運算，提供一種風(fēng)浪要素 數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。技術(shù)方案
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本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)，包括風(fēng)浪圖像采集模塊、風(fēng)浪圖像處理模塊和 風(fēng)浪信息處理模塊；其中圖像采集模塊用于采集由照相機(jī)或攝像機(jī)錄入的風(fēng)浪圖像；圖像處理模塊用于處理圖像采集模塊采集的風(fēng)浪圖像；風(fēng)浪信息處理模塊用于將圖像處理模塊得到的圖像資料進(jìn)行運算處理，得到風(fēng)浪 要素數(shù)值信息并存儲歸檔。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)中風(fēng)浪圖像采集模塊包括圖像輸入 模塊、圖像播放模塊、圖像選擇模塊和圖像存儲模塊，其中圖像輸入模塊用于輸入采集到的風(fēng)浪圖像；圖像播放模塊用于播放圖像輸入模塊所傳送的風(fēng)浪圖像；圖像選擇模塊用于選擇進(jìn)行分析的風(fēng)浪圖像；圖像存儲模塊用于存儲圖像選擇模塊所選擇的風(fēng)浪圖像。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)中風(fēng)浪圖像處理模塊包括監(jiān)測環(huán)境 要素確定模塊、圖像校正模塊、圖像標(biāo)定模塊和風(fēng)浪波峰線確定模塊；其中監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊用于確定拍攝環(huán)境及拍攝條件的要素；圖像校正模塊用于對風(fēng)浪圖像進(jìn)行校正，即對傾斜式攝影造成的風(fēng)浪圖像變形進(jìn) 行校正；圖像標(biāo)定模塊用于對風(fēng)浪圖像進(jìn)行標(biāo)定，即求取像素當(dāng)量獲得目標(biāo)物的實際空間 尺度；風(fēng)浪波峰線確定模塊用于波峰線的確定與繪制。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)中風(fēng)浪信息處理模塊包括風(fēng)浪要素 運算模塊、風(fēng)浪要素顯示模塊和風(fēng)浪要素存儲模塊；其中風(fēng)浪要素運算模塊用于計算風(fēng)浪運動要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；風(fēng)浪要素顯示模塊用于顯示風(fēng)浪運動要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；風(fēng)浪要素存儲模塊用于存儲歸檔風(fēng)浪信息數(shù)值資料。一種基上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟1)由照相機(jī)或攝像機(jī)錄入風(fēng)浪圖像，接著采用圖像輸入模塊將錄入的風(fēng)浪圖像經(jīng) 圖像播放模塊發(fā)送到圖像選擇模塊，圖像選擇模塊進(jìn)行風(fēng)浪圖像選擇，將選中的圖像發(fā)送 至圖像存儲模塊；所述圖像選擇模塊進(jìn)行風(fēng)浪圖像選擇有兩種方式方式i、設(shè)定每隔若干秒采集一幀風(fēng)浪圖像，保存這一監(jiān)測時段內(nèi)的有規(guī)律時間間 隔的風(fēng)浪圖像，以備分析；方式ii、任意選定一幀風(fēng)浪圖像，獲得不規(guī)則時間間隔的風(fēng)浪圖像，以備分析；2)在圖像存儲模塊里存儲的圖像，經(jīng)監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊提供附屬環(huán)境條件 后，先采用圖像校正模塊對存儲的圖像進(jìn)行圖像校正，接著采用圖像標(biāo)定模塊對校正后的 圖像進(jìn)行標(biāo)定；其中所述附屬環(huán)境條件包括環(huán)境風(fēng)速的等級、攝影鏡頭的角度、攝影鏡頭距 水面的高度、被測流場的水深；3)采用風(fēng)浪波峰線確定模塊確定波峰線并繪制；4)根據(jù)風(fēng)浪圖像中的波峰線信息，經(jīng)風(fēng)浪要素運算模塊獲取風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)參數(shù)，再由風(fēng)浪要素顯示模塊定量顯示出來，最終傳入到風(fēng)浪要素存儲模塊存儲歸 檔。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法的步驟2)中圖像校正 模塊進(jìn)行圖像校正的方法是通過對傾斜拍攝時相機(jī)距水面的高度、相機(jī)角度與垂直俯視拍 攝時相機(jī)角度的對比，獲得訂正角度，依據(jù)風(fēng)浪圖像的上下尺度應(yīng)對稱一致的實際狀況，獲 得矯正系數(shù)，從而對傾斜拍攝的風(fēng)浪圖像進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法的步驟2)中采用圖像 標(biāo)定模塊進(jìn)行圖像標(biāo)定的方法是通過對已知尺度的漂浮性可移動參考物的拍攝，求出圖像 中的尺度與實際空間尺度的對應(yīng)比例，根據(jù)像素當(dāng)量計算出所攝風(fēng)浪的實際尺度，在攝影 條件固定的情況下，標(biāo)定過程與監(jiān)測過程分離，標(biāo)定物對被測風(fēng)浪場無干擾。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法的步驟3)中風(fēng)浪波峰 線確定的方法為選擇分析所選風(fēng)浪截圖，在圖中選定該波峰線起點，該起點為具有m*n個像素點 的矩形種子模塊，其中m、η分別為該種子模塊的兩個相鄰邊長像素點個數(shù)；然后在緊鄰種 子模塊下方的矩形搜索區(qū)中，將種子模板與相同尺度的子模板進(jìn)行滑動順序相關(guān)系數(shù)計 算，相關(guān)系數(shù)最大的子模板被確定為該搜索區(qū)中的波鋒線所在子模板，與種子模板相連，構(gòu) 成一段波鋒線，接著以該子模板為新的種子模板，繼續(xù)向下延伸，確定下一段波鋒線，直至 繪出整條波峰線；當(dāng)選定同一風(fēng)浪截圖中多個波鋒線起點后，根據(jù)上述步驟，可同時繪制出所有選 定的波峰線；進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法的步驟4)中經(jīng)風(fēng)浪要 素運算模塊獲取風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)的步驟如下步驟Α、由兩條相鄰波峰線的相對平均位置確定波長，其中相對平均位置包括兩 層一是以兩相鄰波峰線間最大間距至三分之一寬度為止，計算寬度平均波長；二是對全場多條波峰線間距進(jìn)行平均以及同環(huán)境條件下不同圖幀的平均值進(jìn)行 平均，經(jīng)此處理獲得平均波長；步驟B、由波長根據(jù)風(fēng)浪解析式計算出波周期、波速度、波齡；步驟C，由波鋒線確定波方向，根據(jù)波方向垂直于波鋒線原理，通過對每條波峰線 進(jìn)行X、Y分量合成方向角度的求取，求出一幀圖像上多條波峰線的平均方向，對同環(huán)境條 件下不同圖幀的平均方向進(jìn)行平均，獲得分析時段風(fēng)浪平均傳播方向；綜合上述要素參量，可構(gòu)成風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)集。進(jìn)一步地，上述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法的所述的步驟4)中的 風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素運算的方法是依托非線性風(fēng)浪概率特征分布規(guī)律，由周期與波高的概率分 布曲線關(guān)系式，經(jīng)實驗參數(shù)調(diào)整，從周期逆運算，反演出波高，進(jìn)而計算出平均波高、有效波 高、1/10大波波高、波陡等風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素集。有益效果(1)本發(fā)明可實現(xiàn)局地風(fēng)浪實景監(jiān)測，即同時提供影像監(jiān)控與定量數(shù)值測量結(jié)果。(2)本發(fā)明為非入侵式測量，對施測風(fēng)波流動場沒有人為干擾，保持了流場的原有
6特征，簡化了測量設(shè)備的安裝與維護(hù)，由于數(shù)碼照相器材的普及，測量成本也較低。(3)具有簡潔的測量流程，獲取全面的風(fēng)浪結(jié)構(gòu)與風(fēng)浪動態(tài)特征的各項統(tǒng)計參數(shù)。 以實景監(jiān)測的二維影像為基本圖像處理空間，建立二維平面圖形校正與標(biāo)定，避免了圖像 處理中二維圖形空間坐標(biāo)向三維實際空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，簡化了處理過程，減少了轉(zhuǎn)換誤
差的產(chǎn)生。(4)具有獨特的測量原理，從風(fēng)浪影像結(jié)構(gòu)中最突出且較穩(wěn)定的特征一一波峰線 入手，首先從攝影圖像中自動辨識出風(fēng)浪波峰線，由此確定統(tǒng)計的波長，進(jìn)而獲得周期、波 速、波方向、波齡等風(fēng)浪數(shù)值化運動統(tǒng)計學(xué)參數(shù)。(5)依據(jù)風(fēng)浪非線性動力統(tǒng)計特性的譜模型，從風(fēng)浪動力統(tǒng)計規(guī)律確定波高及風(fēng) 浪形態(tài)結(jié)構(gòu)，使所測得和所反演的風(fēng)浪結(jié)構(gòu)參數(shù)符合流體動力學(xué)統(tǒng)計特征。由已獲得的實 際風(fēng)浪統(tǒng)計波長與周期，結(jié)合多種非線性動力統(tǒng)計波高譜模型公式，建立波高逆運算方程。 并結(jié)合實際風(fēng)況對逆運算公式進(jìn)行函數(shù)調(diào)整。由風(fēng)浪周期反演風(fēng)浪統(tǒng)計波高，從而得到有 效波高、1/10大波波高、波陡等描述局地風(fēng)浪時空結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計參數(shù)。(6)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛海洋、海洋氣象、海氣相互作用、流體動力學(xué)、水上航行等領(lǐng)域 的實際應(yīng)用、研究工作、教學(xué)示范等方面的局地風(fēng)浪監(jiān)測與風(fēng)浪全面參數(shù)的定量獲取。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明中風(fēng)浪圖像采集模塊示意圖。
圖3是本發(fā)明中風(fēng)浪圖像處理模塊示意圖。
圖4是本發(fā)明中風(fēng)浪信息處理模塊示意圖。
圖5為圖像校正對比圖；其中(a)、(c)為校正前的圖，(b)、(d)為校正后的圖。
圖6為不同攝影環(huán)境時相機(jī)的角度圖。
圖7為像素當(dāng)量的求取圖；其中(a)標(biāo)尺式、(b)為已知尺度的浮塊式。
圖8為控制界面中像素當(dāng)量計算的彈出窗口圖。
圖9為波峰線自動繪制原理圖。
圖10為風(fēng)浪場中繪制成的波峰線圖。
圖11為風(fēng)浪方向的計算原理圖。
圖12為非線性風(fēng)浪譜圖；其中(a)為Nemarm譜圖、(b)為P-M譜圖。
圖13為測量結(jié)果圖。
具體實施方案下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)構(gòu)成①風(fēng)浪圖像采集部分，包括圖像輸入、圖像 播放、圖像選擇和圖像存儲。②風(fēng)浪圖像處理部分，包括環(huán)境要素參數(shù)輸入，圖像校正，圖像 標(biāo)定，波峰線兩維空間確定。③風(fēng)浪圖像信息處理部分，包括風(fēng)浪運動學(xué)要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要 素計算，以及計算值顯示，風(fēng)浪信息數(shù)值資料存儲歸檔等。如圖2所示，風(fēng)浪圖像采集模塊示意圖，包括圖像輸入模塊、圖像播放模塊、圖像 選擇模塊和圖像存儲模塊，其中
圖像輸入模塊用于輸入采集到的風(fēng)浪圖像；圖像播放模塊用于播放圖像輸入模塊所傳送的風(fēng)浪圖像；圖像選擇模塊用于選擇進(jìn)行分析的風(fēng)浪圖像；圖像存儲模塊用于存儲圖像選擇模塊所選擇的風(fēng)浪圖像。如圖3所示，風(fēng)浪圖像處理模塊示意圖，包括監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊、圖像校正模 塊、圖像標(biāo)定模塊和風(fēng)浪波峰線確定模塊；其中監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊用于確定拍攝環(huán)境及拍攝條件的要素；圖像校正模塊用于對風(fēng)浪圖像進(jìn)行校正，即對傾斜式攝影造成的風(fēng)浪圖像變形進(jìn) 行校正；圖像標(biāo)定模塊用于對風(fēng)浪圖像進(jìn)行標(biāo)定，即求取像素當(dāng)量獲得目標(biāo)物的實際空間 尺度；風(fēng)浪波峰線確定模塊用于波峰線的確定與繪制。如圖4所示，風(fēng)浪信息處理模塊示意圖。包括風(fēng)浪要素運算模塊、風(fēng)浪要素顯示模 塊和風(fēng)浪要素存儲模塊；其中風(fēng)浪要素運算模塊用于計算風(fēng)浪運動要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；風(fēng)浪要素顯示模塊用于顯示風(fēng)浪運動要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；風(fēng)浪要素存儲模塊用于存儲歸檔風(fēng)浪信息數(shù)值資料。如圖5所示，當(dāng)相機(jī)傾斜于被攝區(qū)域時，所攝圖像形成近寬遠(yuǎn)窄的變形，因此需要 進(jìn)行圖像校正，在控制界面中通過對相機(jī)距水面高度的確定、相機(jī)角度和垂直俯攝角度的 比較，獲得訂正角度，依據(jù)圖的上下尺度應(yīng)對稱一致的實際狀況，獲得矯正系數(shù)，從而線性 地對圖像在縱向進(jìn)行調(diào)整.校正前后的圖像如圖6(a)、(c)和(b)、(d)所示。如圖7所示圖像標(biāo)定是求出圖像中的尺度與實際空間尺度的對應(yīng)比例，由于圖像 的基本尺度單位是像素點，因此該比例稱為像素當(dāng)量。[圖7(a)標(biāo)尺式，(b)已知尺度的浮 塊式]；如圖8根據(jù)像素當(dāng)量可計算出所拍攝風(fēng)浪波長的實際尺度。在此測定中，只需了 解參照物的水平兩維信息，即從圖像空間向?qū)嶋H水平兩維空間對應(yīng)，簡化了空間轉(zhuǎn)換過程， 避免了從圖像直接向?qū)嶋H三維空間轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的誤差。波峰線是兩維風(fēng)浪場圖像中最為顯著也相對穩(wěn)定的風(fēng)浪結(jié)構(gòu)特征，而波峰線的確 定將為獲得波長圖像信息奠定基本條件。圖9所示波峰線的識別原理是通過確定波峰線起始點，即選定某波鋒線起點，該 起點為具有m*n個像素點的矩形種子模塊，然后在緊鄰種子模塊下方的矩形搜索區(qū)中，將 種子模板與相同尺度的子模板進(jìn)行滑動順序相關(guān)系數(shù)計算，相關(guān)系數(shù)最大的子模板被確定 為該搜索區(qū)中的波鋒線所在子模板，與種子模板相連，構(gòu)成一段波鋒線，接著以該子模板為 新的種子模板，繼續(xù)向下延伸新的搜索區(qū)，通過重復(fù)相關(guān)系數(shù)的計算選擇方案，自動搜索確 定波鋒線，直至繪出整條波峰線；圖10所示波峰線的具體位置可根據(jù)圖中的相對位置確定，因此兩條相鄰波峰線 的相對平均位置(最寬處至三分之一寬處的總平均)可定出波長，再求出全場平均波長以 及相同環(huán)境條件下的多幀圖的波長平均。由平均波長可根據(jù)風(fēng)浪要素解析式計算出相應(yīng)的 波周期、波速度、波齡等風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)。
風(fēng)浪波長L與波周期T和波速C的關(guān)系式為 式中d為水深，g為重力加速度，th為雙曲函數(shù)。波齡公式β = c/V為波速c和風(fēng)速V之比，為表示波浪發(fā)展程度的量。波峰線與風(fēng)浪的傳播方向垂直，因此獲得了波峰線，即可逐步推導(dǎo)出風(fēng)浪傳播方 向。具體步驟如圖11所示。先對每條波峰線進(jìn)行x、Y分量合成方向角度求取，獲得平均方 向，即相對于北方(0° )的角度，再求出一幀圖像上多條波峰線的平均方向角度，并可推至 多幀系列圖的計算，由此獲得風(fēng)浪平均傳播方向。非線性風(fēng)浪的基本形態(tài)由非線性風(fēng)浪譜描述，有多種類型的非線性風(fēng)浪譜。如圖 12所示，圖12(a)為Nemarm譜，圖12(b)為P-M譜；風(fēng)浪譜概率曲線建立了頻率(橫坐標(biāo)) 與波高(縱坐標(biāo))之間的關(guān)系.而頻率是周期的倒數(shù)，因此風(fēng)浪譜也是周期與波高的動力 統(tǒng)計關(guān)系譜.由于周期是從圖像中波峰線反演出的波長獲得，因此可通過概率譜的風(fēng)浪動 力統(tǒng)計特征分布，建立起由波長逆運算獲得波高的計算方案，也就是波長與波高的非線性 關(guān)系式。由于有各種不同類型的非線性風(fēng)浪概率譜，因此根據(jù)實測資料驗證一種更相符實 驗環(huán)境與資料形態(tài)的譜.確定 其中g(shù)是重力加速度，9. 8m/s2, T為波周期，H為波高，b,, j是調(diào)試參數(shù)，為擬合多 項式，也是風(fēng)速的函數(shù)；i為水深級別，j為風(fēng)況級別；加入調(diào)整參數(shù)可反演出波高、以及其 余風(fēng)浪結(jié)構(gòu)統(tǒng)計參數(shù)有效波高、1/10大波波高、波陡等。實驗室風(fēng)波流水槽風(fēng)浪斜向攝影測量結(jié)果如圖13所示。下表為結(jié)果舉例。表1兩個測量實例的比較 風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作原理為通過流體動態(tài)結(jié)構(gòu)的攝影圖像分 析，以及非線性風(fēng)浪概率譜分布，獲得由風(fēng)浪波峰線辨識至反演出風(fēng)浪波高等全部風(fēng)浪結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)浪動態(tài)統(tǒng)計參數(shù)。在此過程中簡化了圖像空間與實際空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并考慮 了非線性風(fēng)浪的動力統(tǒng)計概率分布的約束，獲得滿足誤差限度的定量風(fēng)浪結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到 實景監(jiān)測同時提供圖像與數(shù)值信息的效果。 整個工作過程通過控制界面進(jìn)行。系統(tǒng)工作流程為攝影一風(fēng)浪圖像選擇與截 圖環(huán)境參數(shù)確定圖像校正——圖像標(biāo)定波峰線自動識別風(fēng)浪運動學(xué)參 數(shù)確定，包括波長、周期、波速、波齡、風(fēng)浪波動傳播方向——根據(jù)非線性風(fēng)浪概率分布與 參數(shù)調(diào)整，由周期逆運算，求出波高以及其余風(fēng)浪結(jié)構(gòu)參數(shù)包括有效波高、1/10大波波高、 波陡等。
權(quán)利要求
一種風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括風(fēng)浪圖像采集模塊、風(fēng)浪圖像處理模塊和風(fēng)浪信息處理模塊；其中圖像采集模塊用于采集由照相機(jī)或攝像機(jī)錄入的風(fēng)浪圖像；圖像處理模塊用于處理圖像采集模塊采集的風(fēng)浪圖像；風(fēng)浪信息處理模塊用于將圖像處理模塊得到的圖像資料進(jìn)行運算處理，得到風(fēng)浪要素數(shù)值信息并存儲歸檔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)浪圖像采 集模塊包括圖像輸入模塊、圖像播放模塊、圖像選擇模塊和圖像存儲模塊，其中圖像輸入模塊用于輸入采集到的風(fēng)浪圖像； 圖像播放模塊用于播放圖像輸入模塊所傳送的風(fēng)浪圖像； 圖像選擇模塊用于選擇進(jìn)行分析的風(fēng)浪圖像； 圖像存儲模塊用于存儲圖像選擇模塊所選擇的風(fēng)浪圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)浪圖像處 理模塊包括監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊、圖像校正模塊、圖像標(biāo)定模塊和風(fēng)浪波峰線確定模塊； 其中監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊用于確定拍攝環(huán)境及拍攝條件的要素； 圖像校正模塊用于對風(fēng)浪圖像進(jìn)行校正，即對傾斜式攝影造成的風(fēng)浪圖像變形進(jìn)行校正；圖像標(biāo)定模塊用于對風(fēng)浪圖像進(jìn)行標(biāo)定，即求取像素當(dāng)量獲得目標(biāo)物的實際空間尺度；風(fēng)浪波峰線確定模塊用于波峰線的確定與繪制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)浪信息處 理模塊包括風(fēng)浪要素運算模塊、風(fēng)浪要素顯示模塊和風(fēng)浪要素存儲模塊；其中風(fēng)浪要素運算模塊用于計算風(fēng)浪運動要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素； 風(fēng)浪要素顯示模塊用于顯示風(fēng)浪運動要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素； 風(fēng)浪要素存儲模塊用于存儲歸檔風(fēng)浪信息數(shù)值資料。
5.一種基于權(quán)利要求1至4任意所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特 征在于，包括以下步驟1)由照相機(jī)或攝像機(jī)錄入風(fēng)浪圖像，接著采用圖像輸入模塊將錄入的風(fēng)浪圖像經(jīng)圖像 播放模塊發(fā)送到圖像選擇模塊，圖像選擇模塊進(jìn)行風(fēng)浪圖像選擇，將選中的圖像發(fā)送至圖 像存儲模塊；所述圖像選擇模塊進(jìn)行風(fēng)浪圖像選擇有兩種方式方式i、設(shè)定每隔若干秒采集一幀風(fēng)浪圖像，保存這一監(jiān)測時段內(nèi)的有規(guī)律時間間隔的 風(fēng)浪圖像，以備分析；方式ii、任意選定一幀風(fēng)浪圖像，獲得不規(guī)則時間間隔的風(fēng)浪圖像，以備分析；2)在圖像存儲模塊里存儲的圖像，經(jīng)監(jiān)測環(huán)境要素確定模塊提供附屬環(huán)境條件后，先 采用圖像校正模塊對存儲的圖像進(jìn)行圖像校正，接著采用圖像標(biāo)定模塊對校正后的圖像進(jìn) 行標(biāo)定；其中所述附屬環(huán)境條件包括環(huán)境風(fēng)速的等級、攝影鏡頭的角度、攝影鏡頭距水面的 高度、被測流場的水深；3)采用風(fēng)浪波峰線確定模塊確定波峰線并繪制；4)根據(jù)風(fēng)浪圖像中的波峰線信息，經(jīng)風(fēng)浪要素運算模塊獲取風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)和風(fēng)浪結(jié) 構(gòu)參數(shù)，再由風(fēng)浪要素顯示模塊定量顯示出來，最終傳入到風(fēng)浪要素存儲模塊存儲歸檔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，所述 步驟2)中圖像校正模塊進(jìn)行圖像校正的方法是通過對傾斜拍攝時相機(jī)距水面的高度、相 機(jī)角度與垂直俯視拍攝時相機(jī)角度的對比，獲得訂正角度，依據(jù)風(fēng)浪圖像的上下尺度應(yīng)對 稱一致的實際狀況，獲得矯正系數(shù)，從而對傾斜拍攝的風(fēng)浪圖像進(jìn)行調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，所述 的步驟2)中采用圖像標(biāo)定模塊進(jìn)行圖像標(biāo)定的方法是通過對已知尺度的漂浮性可移動參 考物的拍攝，求出圖像中的尺度與實際空間尺度的對應(yīng)比例，根據(jù)像素當(dāng)量計算出所攝風(fēng) 浪的實際尺度，在攝影條件固定的情況下，標(biāo)定過程與監(jiān)測過程分離，標(biāo)定物對被測風(fēng)浪場 無干擾。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，所述 步驟3)中風(fēng)浪波峰線確定的方法為選擇分析所選風(fēng)浪截圖，在圖中選定該波峰線起點，該起點為具有m*n個像素點的矩 形種子模塊，其中m、η分別為該種子模塊的兩個相鄰邊長像素點個數(shù)；然后在緊鄰種子模 塊下方的矩形搜索區(qū)中，將種子模板與相同尺度的子模板進(jìn)行滑動順序相關(guān)系數(shù)計算，相 關(guān)系數(shù)最大的子模板被確定為該搜索區(qū)中的波鋒線所在子模板，與種子模板相連，構(gòu)成一 段波鋒線，接著以該子模板為新的種子模板，繼續(xù)向下延伸，確定下一段波鋒線，直至繪出 整條波峰線；當(dāng)選定同一風(fēng)浪截圖中多個波鋒線起點后，根據(jù)上述步驟，可同時繪制出所有選定的 波峰線；
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，所述 步驟4)中經(jīng)風(fēng)浪要素運算模塊獲取風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)的步驟如下步驟Α、由兩條相鄰波峰線的相對平均位置確定波長，其中相對平均位置包括兩層一是以兩相鄰波峰線間最大間距至三分之一寬度為止，計算寬度平均波長；二是對全場多條波峰線間距進(jìn)行平均以及同環(huán)境條件下不同圖幀的平均值進(jìn)行平均， 經(jīng)此處理獲得平均波長；步驟B、由波長根據(jù)風(fēng)浪解析式計算出波周期、波速度、波齡；步驟C，由波鋒線確定波方向，根據(jù)波方向垂直于波鋒線原理，通過對每條波峰線進(jìn)行 Χ、Υ分量合成方向角度的求取，求出一幀圖像上多條波峰線的平均方向，對同環(huán)境條件下不 同圖幀的平均方向進(jìn)行平均，獲得分析時段風(fēng)浪平均傳播方向；綜合上述要素參量，可構(gòu)成風(fēng)浪運動學(xué)參數(shù)集。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于所述 的步驟4)中的風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素運算的方法是依托非線性風(fēng)浪概率特征分布規(guī)律，由周期與 波高的概率分布曲線關(guān)系式，經(jīng)實驗參數(shù)調(diào)整，從周期逆運算，反演出波高，進(jìn)而計算出平 均波高、有效波高、1/10大波波高、波陡等風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素集。全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)浪要素數(shù)值實景監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，屬于非入侵式風(fēng)浪特征參數(shù)定量測量的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)包括風(fēng)浪圖像采集模塊、風(fēng)浪圖像處理模塊和風(fēng)浪信息處理模塊；本發(fā)明的監(jiān)測方法包括A、圖像采集模塊采集錄入的風(fēng)浪圖像；B、圖像處理模塊處理圖像采集模塊采集的風(fēng)浪圖像；C、風(fēng)浪信息處理模塊將圖像處理模塊得到的風(fēng)浪圖像資料作進(jìn)一步運算處理，并將所得風(fēng)浪數(shù)值信息存儲歸檔。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔、便于攜帶和安置，同時易于使用操作，可進(jìn)行現(xiàn)場或遠(yuǎn)距離遙測，功能性強(qiáng)。
文檔編號G01B11/02GK101915569SQ201010222250
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者劉剛, 張金龍, 李洪利, 王堅紅, 苗春生 申請人:南京信息工程大學(xué)