專(zhuān)利名稱(chēng)：風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于非入侵式風(fēng)浪特征參數(shù)定 量測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景數(shù)字化實(shí)景監(jiān)測(cè)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(cè)和數(shù)值化 信息提取的系統(tǒng)。圖像式實(shí)景監(jiān)控在目前已是普遍化普通化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控手段，無(wú)論是水陸 交通、太空航行還是室內(nèi)安全都使用了實(shí)景監(jiān)控。但是監(jiān)測(cè)不同于監(jiān)控，如同數(shù)字信號(hào)不同 于模擬信號(hào)，模擬信號(hào)需要經(jīng)過(guò)AtoD板的轉(zhuǎn)換才成為數(shù)字信號(hào)。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(guò)圖像處理才能將圖像中的專(zhuān)業(yè)信息數(shù)值化地提取出來(lái)。對(duì)于動(dòng)態(tài)固體或靜止固體的實(shí)景測(cè)量，被測(cè)對(duì)象的形狀、大小等相對(duì)于被測(cè)空間 坐標(biāo)系，是對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的，因此攝影坐標(biāo)空間與實(shí)際三維空間的相對(duì)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(cè)量與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系相對(duì)明確。但是對(duì)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(jì)特 征求取和報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)值信息。現(xiàn)代衛(wèi)星雷達(dá)遙感的風(fēng)浪測(cè)量，以主動(dòng)式和被動(dòng)式電磁波的 發(fā)射與接受為基本過(guò)程，它們的測(cè)量原理均是從海洋和水體之外，通過(guò)遙感水面電磁波，包 括可見(jiàn)光、遠(yuǎn)紅外、微波等后向散射回波信號(hào)，反演獲得水動(dòng)力信息。這類(lèi)測(cè)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(hào)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(shí)空變化，對(duì)資料質(zhì)量有明顯干擾，此外因?yàn)榫?離遠(yuǎn)，探測(cè)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(lái)，有各種波浪攝影測(cè)量的 嘗試，這類(lèi)工作有的著重測(cè)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(cè)量提供了有益的啟發(fā)。美國(guó)海 洋研究所的波浪圖形技術(shù)是根據(jù)波面像素點(diǎn)(Pixel)在攝影圖像中的色彩強(qiáng)度差異隨時(shí) 間變化來(lái)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(shí)際參考基準(zhǔn)點(diǎn)的三維 數(shù)值比對(duì)進(jìn)行兩維像空間向三維實(shí)際場(chǎng)空間轉(zhuǎn)換，進(jìn)而求出波浪高度值。在這個(gè)過(guò)程中，波 面色彩強(qiáng)度受太陽(yáng)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(shí)際水面空間中參考基準(zhǔn)點(diǎn)的建立、確定以及與監(jiān)測(cè)對(duì)象同時(shí)刻比對(duì)，往往比圖像 中觀測(cè)對(duì)象的確定困難的多，這對(duì)流體動(dòng)態(tài)攝影測(cè)量中兩維圖像空間向三維實(shí)際空間的轉(zhuǎn) 換造成困難，而且對(duì)實(shí)景監(jiān)測(cè)的適應(yīng)環(huán)境也形成限制。

實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的本實(shí)用新型的所要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決局地實(shí)景風(fēng)浪要素的非入侵式自動(dòng)化 監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提供一種風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。技術(shù)方案本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的采用如下技術(shù)方案[0009]一種風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)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(yùn)算處理，得到風(fēng)浪 要素?cái)?shù)值信息并存儲(chǔ)歸檔。進(jìn)一步地，上述風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)圖像選擇模塊所選擇的風(fēng)浪圖像。進(jìn)一步地，上述風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中風(fēng)浪圖像處理模塊包括監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)風(fēng)浪圖像進(jìn)行校正，即對(duì)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(duì)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(shí)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，上述風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中風(fēng)浪信息處理模塊包括風(fēng)浪要素運(yùn) 算模塊、風(fēng)浪要素顯示模塊和風(fēng)浪要素存儲(chǔ)模塊；其中風(fēng)浪要素運(yùn)算模塊用于計(jì)算風(fēng)浪運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；風(fēng)浪要素存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)歸檔風(fēng)浪信息數(shù)值資料。有益效果(1)本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)局地風(fēng)浪實(shí)景監(jiān)測(cè)，即同時(shí)提供影像監(jiān)控與定量數(shù)值測(cè)量 結(jié)果。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、便于攜帶和安置，同時(shí)易于使用操作，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)距離遙測(cè)，功能性 強(qiáng)。(2)本實(shí)用新型為非入侵式測(cè)量，對(duì)施測(cè)風(fēng)波流動(dòng)場(chǎng)沒(méi)有人為干擾，保持了流場(chǎng)的 原有特征，簡(jiǎn)化了測(cè)量設(shè)備的安裝與維護(hù)，由于數(shù)碼照相器材的普及，測(cè)量成本也較低。(3)具有獨(dú)特的測(cè)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(dòng)辨識(shí)出風(fēng)浪波峰線，由此確定統(tǒng)計(jì)的波長(zhǎng)，進(jìn)而獲得周期、波 速、波方向、波齡等風(fēng)浪數(shù)值化運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)。(4)依據(jù)風(fēng)浪非線性動(dòng)力統(tǒng)計(jì)特性的譜模型，從風(fēng)浪動(dòng)力統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定波高及風(fēng) 浪形態(tài)結(jié)構(gòu)，使所測(cè)得和所反演的平均波高、有效波高、1/10大波波高、波陡等風(fēng)浪結(jié)構(gòu)參 數(shù)符合流體動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)特征。(5)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛海洋、海洋氣象、海氣相互作用、流體動(dòng)力學(xué)、水上航行等領(lǐng)域 的實(shí)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(cè)與風(fēng)浪全面參數(shù)的定量獲取。


[0033]圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)圖。[0034]圖2是本實(shí)用新型中風(fēng)浪圖像采集模塊示意圖。[0035]圖3是本實(shí)用新型中風(fēng)浪圖像處理模塊示意圖。[0036]圖4是本實(shí)用新型中風(fēng)浪信息處理模塊示意圖。[0037]圖5為圖像校正對(duì)比圖；其中(a)、(c)為校正前的圖，(b)、(d)為校正后的圖。[0038]圖6為不同攝影環(huán)境時(shí)相機(jī)的角度圖。[0039]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。[0040]圖8為控制界面中像素當(dāng)量計(jì)算的彈出窗口圖。[0041]圖9為波峰線自動(dòng)繪制原理圖。[0042]圖10為風(fēng)浪場(chǎng)中繪制成的波峰線圖。[0043]圖11為風(fēng)浪方向的計(jì)算原理圖。[0044]圖12為非線性風(fēng)浪譜圖；其中(a)為Nemarm譜圖、(b)為P-M譜圖。[0045]圖13為測(cè)量結(jié)果圖。
具體實(shí)施方案
以下結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，系統(tǒng)由三個(gè)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(chǔ)。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(yùn)動(dòng)學(xué)要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要 素計(jì)算，以及計(jì)算值顯示，風(fēng)浪信息數(shù)值資料存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)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(cè)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(cè)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(duì)風(fēng)浪圖像進(jìn)行校正，即對(duì)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(duì)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(shí)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(yùn)算模塊、風(fēng)浪要素顯示模 塊和風(fēng)浪要素存儲(chǔ)模塊；其中風(fēng)浪要素運(yùn)算模塊用于計(jì)算風(fēng)浪運(yùn)動(dòng)要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；[0060]風(fēng)浪要素顯示模塊用于顯示風(fēng)浪運(yùn)動(dòng)要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素；風(fēng)浪要素存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)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(shí)，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(guò)對(duì)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(duì)稱(chēng)一致的實(shí)際狀況，獲得矯正系數(shù)，從而線性 地對(duì)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(shí)際空間尺度的對(duì)應(yīng)比例，由于圖像 的基本尺度單位是像素點(diǎn)，因此該比例稱(chēng)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(jì)算出所拍攝風(fēng)浪波長(zhǎng)的實(shí)際尺度。在此測(cè)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(duì)應(yīng)，簡(jiǎn)化了空間轉(zhuǎn)換過(guò)程， 避免了從圖像直接向?qū)嶋H三維空間轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的誤差。波峰線是兩維風(fēng)浪場(chǎng)圖像中最為顯著也相對(duì)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(zhǎng)圖像信息奠定基本條件。圖9所示波峰線的識(shí)別原理是通過(guò)確定波峰線起始點(diǎn)，即選定某波鋒線起點(diǎn)，該 起點(diǎn)為具有m*n個(gè)像素點(diǎn)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(dòng)順序相關(guān)系數(shù)計(jì)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(guò)重復(fù)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算選擇方案，自動(dòng)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(duì)位置確定，因此兩條相鄰波峰線 的相對(duì)平均位置(最寬處至三分之一寬處的總平均)可定出波長(zhǎng)，再求出全場(chǎng)平均波長(zhǎng)以 及相同環(huán)境條件下的多幀圖的波長(zhǎng)平均。由平均波長(zhǎng)可根據(jù)風(fēng)浪要素解析式計(jì)算出相應(yīng)的 波周期、波速度、波齡等風(fēng)浪運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。風(fēng)浪波長(zhǎng)L與波周期T和波速C的關(guān)系式為L(zhǎng) = MLlth ^,C = ^th
2π L2π L式中d為水深，g為重力加速度，th為雙曲函數(shù)。波齡公式i3=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(duì)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(duì)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(jì)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(lèi)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(dòng)力 統(tǒng)計(jì)關(guān)系譜.由于周期是從圖像中波峰線反演出的波長(zhǎng)獲得，因此可通過(guò)概率譜的風(fēng)浪動(dòng) 力統(tǒng)計(jì)特征分布，建立起由波長(zhǎng)逆運(yùn)算獲得波高的計(jì)算方案，也就是波長(zhǎng)與波高的非線性
6關(guān)系式。由于有各種不同類(lèi)型的非線性風(fēng)浪概率譜，因此根據(jù)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證一種更相符實(shí) 驗(yàn)環(huán)境與資料形態(tài)的譜.確定
權(quán)利要求一種風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)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(yùn)算處理，得到風(fēng)浪要素?cái)?shù)值信息并存儲(chǔ)歸檔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)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?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)浪圖像處 理模塊包括監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)風(fēng)浪圖像進(jìn)行校正，即對(duì)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(duì)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(shí)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?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)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(yùn)算模塊、風(fēng)浪要素顯示模塊和風(fēng)浪要素存儲(chǔ)模塊；其中風(fēng)浪要素運(yùn)算模塊用于計(jì)算風(fēng)浪運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)要素和風(fēng)浪結(jié)構(gòu)要素； 風(fēng)浪要素存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)歸檔風(fēng)浪信息數(shù)值資料。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供一種風(fēng)浪要素?cái)?shù)值實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于非入侵式風(fēng)浪特征參數(shù)定量測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。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(yùn)算處理，得到風(fēng)浪要素?cái)?shù)值信息并存儲(chǔ)歸檔。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、便于攜帶和安置，同時(shí)易于使用操作，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)距離遙測(cè)，功能性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01C11/00GK201748922SQ201020252428
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)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(jiān)紅, 苗春生 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)