本發(fā)明涉及一種電子測量領域，尤其涉及一種圖像視覺處理技術實現(xiàn)水位和水質監(jiān)測裝置。

背景技術：
現(xiàn)有的水位監(jiān)測裝置只能單獨的檢測水位或水質，即無法實施水位、水質同時監(jiān)測。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種適于進行水質測量的水環(huán)境監(jiān)測裝置，該水環(huán)境監(jiān)測裝置采用灰度檢測原理進行水質監(jiān)測，即對拍攝的水面影像進行灰度處理得到該水面影像的灰度值以獲得水質情況。本發(fā)明提供了一種水環(huán)境監(jiān)測裝置，包括：使用時上下分布的測量管，其下端口上設有照明裝置并在使用時進入水面，測量管的上端口處設一攝像機，該攝像機適于拍攝所述測量管內的水面影像；數(shù)字圖像采集單元，與所述攝像機相連，適于將采集得的圖像變換為數(shù)字圖像；與所述數(shù)字圖像采集單元相連的計算機，該計算機存儲有第一樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值；所述第一樣本數(shù)據(jù)是由所述水環(huán)境監(jiān)測裝置對已知的、不同水質的水進行逐一測量而獲得；所述計算機適于對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對得出水質情況。所述計算機為PC機。作為一種優(yōu)選，所述測量管為錐形管，開口較小的一端處于上方，以減少攝像機獲得的影像中測量管的內壁所占整個圖像的比例，以提高灰度處理的可靠性。進一步，為了避免拍攝時環(huán)境光線對水面影像的影響，所述測量管的內壁上設有適于吸收光線的涂層。進一步，為了避免拍攝時水底環(huán)境光線對水面影像的影響，并在不拍攝時保持水流暢通，以使所述測量管內的水質與實際水質一致，所述測量管在位于水面下方的管壁上分布有多個通孔，且該測量管的底端封閉，以防止雜光進入測量管內；在水面下方的管體上套設一分布有通孔的套管；所述套管與一適于驅動該套管繞所述測量管轉動的轉動機構傳動連接，該轉動機構由一與所述攝像機相連的控制器控制，在不拍攝水面影像時，控制所述轉動機構帶動套管旋轉以使所述測量管上的通孔和套管上的通孔分別相對，以使水流適于進出所述測量管；在拍攝水面影像時，控制所述轉動機構帶動套管旋轉以使所述測量管上的通孔和套管上的通孔彼此錯開，以防止外部光線進入所述測量管。進一步，為了實現(xiàn)對所述水環(huán)境監(jiān)測裝置的水位測量，所述測量管固定設置；攝像機采用定焦廣角鏡頭，或定焦鏡頭。所述計算機還存儲有第二樣本數(shù)據(jù)，該第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄所述測量管內的水面影像的像素值與攝像機距離水面高度的對應表或計算式；所述計算機還適于計算出當前拍攝的所述測量管內的水面影像的像素值，并通過所述第二樣本數(shù)據(jù)得出當前攝像機距離水面的高度，然后將所述攝像機的安裝高度減去所述攝像機距離水面的高度，即獲得水位值。作為進一步優(yōu)選的實施方式，所述攝像機固定于所述測量管上，并使該測量管的上端口封閉，以避免外部光線從上端口進入該測量管。為了使攝像機在拍攝時，更加容易區(qū)分水面影像的邊緣，所述測量管內還包括白色的管內浮子，該管內浮子為具有垂向設置的中央通孔的柱狀結構，所述攝像機構適于拍攝所述中央通孔中的水面影像，且該管內浮子適于隨水面在所述測量管內上下浮動。進一步，為了實現(xiàn)對所述水環(huán)境監(jiān)測裝置的水位測量，所述測量管的外圍設有適于使該測量管浮于水面的浮子;所述水環(huán)境監(jiān)測裝置還包括：柔性標尺，該柔性標尺的一端固定在水底，另一端與一適于收卷、拉緊該柔性標尺的收卷裝置相連，該收卷裝置固定于所述測量管上；導向輪,設于所述測量管的內壁上，在該測量管的內壁上鄰近所述導向輪的上、下方分別設有與所述導向輪的輪軸平行的上、下導向桿，所述柔性標尺適于分別從所述上、下導向桿與測量管的內壁的間隙中穿過并貼合在所述導向輪的內側輪面上，所述導向輪的頂部處于水面上方。采用柔性標尺、適于使測量管豎直浮于水面上的浮子、導向輪等部件，使所述水環(huán)境監(jiān)測裝置可以漂浮在水面上，所述攝像機獲取鄰近所述導向輪的頂部的柔性標尺的讀數(shù)，經(jīng)圖像識別、誤差校正后，獲得實際水位值。所述誤差校正的方法為：將通過圖像識別獲得的所述柔性標尺的讀數(shù)，與預設的校正值相減，即得到實際水位值。所述預設的校正值通過實驗獲得。本發(fā)明還提供了一種適于水位和水質監(jiān)測的測量方法，該方法要解決的技術問題是利用攝像機拍攝的水面影像進行相應處理以獲得水面影像的灰度值和面積像素值以得到相應的水質和水位情況。上述水環(huán)境監(jiān)測裝置的工作方法，包括如下步驟：（1）水面上固定有測量管，其下端口適于進入水面，上端口處設一攝像機，該攝像機拍攝所述測量管內的水面影像；（2）所述水面影像通過數(shù)字圖像采集單元轉換為數(shù)字圖像；（3）與所述數(shù)字圖像采集單元相連的計算機中存儲有第一、第二樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值，所述第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄所述測量管內的水面影像的像素值與攝像機距離水面高度的對應表或計算式；（4）所述計算機對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對，得出水質情況；（5）所述計算機計算出當前拍攝的所述測量管內的水面影像的像素值，并通過所述第二樣本數(shù)據(jù)得出當前攝像機距離水面的高度，然后將所述攝像機的安裝高度減去所述攝像機距離水面的高度，即獲得水位值。進一步，為了更方便的提取出水面影像的面積像素值，所述步驟（5）包括：a：所述數(shù)字圖像經(jīng)灰度處理后，采用MATLAB函數(shù)進行閾值分割處理以提取水面影像的邊緣；b：調用MATLAB庫函數(shù)bwarea，以計算邊緣提取后的水面影像的面積像素值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：（1）本發(fā)明通過水面影像以獲得水質的相應情況，裝置簡單，便于在野外或者無條件進行水質化驗的情況下進行便捷的水質測量或預判，無需繁瑣步驟；（2）在封閉的測量管內拍攝的水面影像不易收到外界光線的影響，測量更加準確；（3）本發(fā)明在獲得水質信息的同時，獲得圖像中的水面影像的大小，并根據(jù)預先測量得到的水面影像大小與攝像機之間的距離關系，以得到水位，進而實現(xiàn)了水位、水質監(jiān)測，使用方便。附圖說明為了使本發(fā)明的內容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中圖1本發(fā)明的水環(huán)境監(jiān)測裝置的結構示意圖。圖2本發(fā)明的轉動機構、控制器、攝像機的連接示意圖；圖3本發(fā)明的轉動機構的一種實施方式；圖4本發(fā)明的轉動機構的另一種實施方式；圖5本發(fā)明的轉動機構的另一種實施方式中各限位桿的結構俯視圖；圖6本發(fā)明的水位檢測系統(tǒng)的用于水位檢測部分的結構示意圖。具體實施方式實施方式一如圖1，一種水環(huán)境監(jiān)測裝置，包括：測量管1，其下端口上設有照明裝置并在使用時該下端口適于整體進入水面2，上端口處設一攝像機，該攝像機適于拍攝所述測量管1內的水面影像2-1；數(shù)字圖像采集單元，與所述攝像機相連適于將采集圖像變換為數(shù)字圖像；與所述數(shù)字圖像采集單元相連的計算機，該計算機存儲有第一樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值；所述第一樣本數(shù)據(jù)是由所述水環(huán)境監(jiān)測裝置對已知的、不同水質的水進行逐一測量而獲得；所述計算機適于對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像2-1的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對得出水質情況。水質檢測原理是利用不同水質相應的灰度值樣本與待檢測的水面影像的灰度值進行比較，即計算機存儲有不同水質的各灰度值樣本，即第一樣本數(shù)據(jù)。采用MATLAB庫函數(shù)對所述水面影像2-1進行相應灰度值處理，步驟如下：I=imread(‘image.jpg’);%打開待處理圖片（8位灰度）imshow(I);%顯示該圖片C=mean2(I);%計算圖像像素矩陣的平均值通過mean2函數(shù)就可以計算出所述水面影像2-1的灰度值。表1是各種水質的平均灰度值，即第一樣本數(shù)據(jù)：按照一般常識，這些水樣本的水質優(yōu)劣可以這樣排列：純凈水>綠茶水>游泳池水>河水>混有泥漿的水>被染料污染的水>工業(yè)廢水≈墨汁水，當水體采樣圖像灰度值（亮度值）越小時，可認為其水質越差，反之亦然。因而在水質檢測時，可以通過對水體總體灰度的計算得出相應的水質結論，還可以通過樣本提取、神經(jīng)網(wǎng)絡、模式識別等更高級的處理手段，做到檢測濁度等更細化的水質指標。例如，若檢測到的水面影像2-1的灰度為85，則得出該水質與河水的水質相當。為了避免外界光線對水面影像2-1的影響，所述攝像機與上端口密封連接，所述測量管1的內壁上設有適于吸收光線的黑色涂層。見圖2，為了進一步避免水下光線對拍攝的影響，以提高拍攝的水面影像2-1的亮度、色度的準確性，所述測量管1在位于水面2下方的管壁上分布有多個通孔，且該測量管1的底端封閉；在水面2下方的管體上套設一分布有通孔的套管8-1；所述套管8-1與一適于驅動該套管8-1繞所述測量管1轉動的轉動機構傳動連接，該轉動機構由一與所述攝像機相連的控制器控制，在不拍攝水面影像2-1時，控制所述轉動機構帶動套管8-1旋轉以使所述測量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合以適于水流流通；在拍攝水面影像2-1時，控制所述轉動機構帶動套管8-1旋轉以使所述測量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此錯開，以防止外部光線進入所述測量管1。所述轉動機構控制套管繞所述測量管1轉動的具體實施方式：見圖3，所述測量管1的底部下端面與套管8-1的底部上端面之間形成密封腔8-2，該密封腔8-2以起到防水作用，在該密封腔8-2內設有一步進電機8-3，通過步進電機8-3可以設置轉動角度，使所述測量1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合或者彼此錯開（通孔圖中未畫出），步進電機8-3的機座固定于所述測量管1的底部下端面，且該機座的中心位置與所述底部下端面的中心位置相對應，即同軸，所述步進電機8-3的轉軸一端與所述套管8-1的底部上端面相連以帶動套管8-1繞所述測量管1轉動，該步進電機8-3由控制器控制。也可以把步進電機8-3的轉軸一端固定于所述測量管1的底部下端面，機座同軸固定于所述套管8-1的底部上端面，當步進電機8-3轉動時，由于轉軸被固定，不會旋轉，則機座就會旋轉，即機座帶動套管8-1繞所述測量管1轉動。見圖4，還可以在所述密封腔8-2內安裝電動機8-4，電動機8-4的機座固定于所述測量管1的底部下端面，且該底部下端面的中心位置與該機座的中心位置相對應，即同軸，所述電動機8-4的轉軸8-5一端與所述套管8-1的底部上端面相連，由于電動機8-4在旋轉的時候很難控制轉動的角度，所以在所述電動機8-4的轉軸8-5上安裝有一限位橫桿8-6，在所述套管8-1的底部上端面安裝有兩對限位桿，所述限位橫桿8-6嵌于所述兩對限位桿（即第一、第二限位桿為一對，第三、第四限位桿為一對）之間，所述電動機8-4轉動時，帶動所述套管8-1繞所述測量管1旋轉，兩對限位桿限定了電動機8-4的旋轉角度。見圖5，具體工作過程，設所述限位橫桿8-6兩端處于第二限位桿8-7b、第三限位桿8-7c處時，所述測量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合，所述限位橫桿8-6兩端處于第一限位桿8-7a、第四限位桿8-7d處時，所述測量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此錯開，以防止光線進入測量管1。當攝像機準備拍攝時，電動機8-4控制轉軸8-5帶動限位橫桿8-6旋轉至第一限位桿8-7a和第四限位桿8-7d處時，電動機8-4停止工作，這時所述測量管1上的通孔和套管8-1上的通孔彼此錯開，以防止外部光線進入所述測量管1，攝像機進行拍攝，拍攝完畢，電動機8-4反轉，所述限位橫桿8-6旋轉至第二限位桿8-7b和第三限位桿8-7c處時，使所述測量管1上的通孔和套管8-1上的通孔吻合，使水流流通。當然這種方案中限位桿也可以利用限位槽來替代，該限位槽的槽口寬度大于所述限位橫桿8-6。實施例二在實施例一的基礎上，進行水位的測量的技術方案如下：所述測量管1固定設置,所述攝像機固定安裝于所述測量管1的上端口；所述計算機還存儲有第二樣本數(shù)據(jù)，該第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄水面影像2-1的各面積像素值與攝像機距離水面的對應高度，即各面積像素值和攝像機與水面2的間距之間的對應關系；所述計算機還適于計算出所述水面影像2-1的面積像素值，該面積像素值與第二樣本數(shù)據(jù)進行比對，得出攝像機距離水面2的高度，所述攝像機的安裝高度減去所述攝像機距離水面2的高度以獲得水位值。所述攝像機的安裝高度可以預先知曉并預存于所述計算機中，也可以通過現(xiàn)有技術中的標尺等工具進行測量得出。還可以通過如下方案實現(xiàn)攝像機高度測量，該方案包括：柔性標尺，適于收卷、拉緊該柔性標尺的收卷裝置，該收卷裝置與攝像機水平設置，所述收卷裝置由一微型步進電機驅動，該電機適于當標尺一端接觸到水底時停止釋放標尺（若電機電流瞬時變小，則判斷標尺的一端接觸到水底），同時通過一傳感器記錄下電機帶動收卷裝置旋轉的圈數(shù)，并且該傳感器把相應圈數(shù)輸入至一控制模塊，該控制模塊通過相應圈數(shù)得到攝像機的實際高度。水位測量基本原理是根據(jù)物體在眼中的成像原理；即，目標越遠，看著就越小，對于攝像機、照相機拍攝的視頻、圖片，同樣是如此。那么，將攝像機固定在測量管1上端口垂直向下拍攝測量管1中的水面影像2-1。隨著水位的上下變化，即水位與攝像機的相對距離發(fā)生了變化，這種變化在所拍的水面影像2-1中體現(xiàn)為水面影像2-1所占畫面面積大小的變化。因此，通過計算圖像中水面影像2-1的面積大小，可以判斷出水面2與攝像機的相對距離，由于攝像機位置是固定的，因而可換算出水位。該發(fā)明與申請?zhí)?00910232679.6，名稱為“基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)和方法”。的方案相比，具有以下優(yōu)點（1）結構更加簡單，無需通過浮子就可以進行水位測定；（2）誤差小，因為浮子在浮于水面的，故在拍攝時，拍攝的浮子的投影的高度并不是實際水位的高度，要比實際水位略高，這就存在了誤差，并且各種水質密度不一樣，造成了浮子浮于水面的高度不同，需要進行誤差修訂，給水位測量帶來了麻煩，但是本發(fā)明直接通過水面影像2-1來進行水位測量，克服了上述缺陷。所述測量管1內還包括管內浮子，該管內浮子為具有垂向設置的中央通孔的柱狀結構，所述攝像機構適于拍攝所述中央通孔中的水面影像，且該管內浮子適于隨水面在所述測量管1內上下浮動；通過拍攝管內浮子內的水面影像2-1使該水面影像2-1的邊緣更加清晰，便于提取該水面影像2-1的面積。實施例三見圖6，在實施例一的基礎上，進行水位的測量，該技術方案如下：所述測量管1的上端口處固定安裝有一攝像機，所述測量管1的外圍設有適于使該測量管1豎直浮于水面2的浮子3，并且通過該浮子3能使測量管1浮于水面，無需另外固定。所述水環(huán)境監(jiān)測裝置還包括：柔性標尺4，一端固定在水底，另一端與一適于收卷、拉緊該柔性標尺4的收卷裝置5相連，該收卷裝置5固定于所述測量管1的上部；導向輪6,設于所述測量管1的內壁上，在該測量管1的內壁上鄰近所述導向輪上、下方分別設有上導向桿7-1、下導向桿7-2，所述柔性標尺4適于從所述上導向桿7-1、下導向桿7-2穿過并貼合在所述導向輪6的內側輪面上，所述導向輪6的頂部處于水面上方。該實施例六進行水位測量的原理是利用攝像機在拍攝水面影像2-1時，同時拍攝被導向輪6撐起的柔性標尺4，柔性標尺4的刻度被撐起后很容易被拍到，就得到了實際水位。由于導向輪6很小，在進行水質檢測的時，拍攝的水面影像2-1進行灰度處理時導向輪、標尺等部件可以忽略不計，并不會影響到水面影像2-1的灰度值計算。并且所述柔性標尺4伸入水底并不影響所述測量管1的底端封閉。實施例四見圖1，在實施例二的基礎上的水環(huán)境監(jiān)測裝置的工作方法，包括如下步驟：（1）水面2上方固定有測量管1，其下端口適于進入水面2，上端口處設一攝像機，該攝像機拍攝所述測量管1內的水面影像2-1；（2）所述水面影像2-1通過數(shù)字圖像采集單元轉換為數(shù)字圖像；（3）與所述數(shù)字圖像采集單元相連的計算機，該計算機存儲有第一、第二樣本數(shù)據(jù)，所述第一樣本數(shù)據(jù)適于記錄各種水質的灰度值，所述第二樣本數(shù)據(jù)適于記錄水面影像2-1的各面積像素值與攝像機距離水面的對應高度（即，各面積像素值和攝像機與水面2的間距之間的對應關系）；（4）所述計算機對所述數(shù)字圖像進行灰度處理，以獲得所述水面影像2-1的灰度值，該灰度值與第一樣本數(shù)據(jù)進行比對得出水質情況；（5）所述計算機計算出所述水面影像2-1的面積像素值，該面積像素值與第二樣本數(shù)據(jù)進行比對，得出攝像機距離水面2的高度，所述攝像機的安裝高度減去所述攝像機距離水面2的高度以獲得水位值。所述步驟（5）包括：a：所述水面影像2-1進行灰度處理后，采用MATLAB函數(shù)進行閾值分割處理以提取水面影像2-1的邊緣；b：調用MATLAB庫函數(shù)bwarea，以計算邊緣提取后的水面影像2-1的面積像素值。水質檢測的具體方法見實施例1中的水質監(jiān)測步驟。水位計算的具體方法采用MATLAB函數(shù)對所述攝像機拍攝的水面影像2-1進行閾值分割處理，其步驟如下：I=imread(‘image.jpg’);%打開待處理圖片imshow(I);%顯示該圖片Inew=im2bw(I,x/255);%根據(jù)閾值x進行圖像二值化，劃分目標與背景Figure;imshow(Inew);%顯示二值化后的結果通過上述步驟得到水面影像2-1的面積，例如，該水面影像2-1為白色，背景為黑色。當然也可以根據(jù)需要設置不同的顏色，例如水面影像2-1為黑色，背景為白色。這里以水面影像2-1為白色，背景為黑色為例，為了計算出白色部分的面積，可調用MATLAB庫函數(shù)bwarea。Bwarea函數(shù)并非簡單計算非0像素的數(shù)目，它還對不同像素賦予不同的權限，以補償由于用離散數(shù)據(jù)表示連續(xù)圖像所帶來的誤差。如一條50點長的對角線要比50點長的水平線長，因此，bwarea函數(shù)返回的50點長的水平線面積是50，而50點長的對角線面積返回的是62.5。采用bwarea進行面積計算的步驟如下：Number=bwarea(Inew)；Number計算出白色部分的像素點，即所述水面影像2-1的面積像素，并與存儲在計算機中的第二樣本數(shù)據(jù)，即記錄水面影像2-1的各面積像素值（即像素點）與攝像機距離水面的對應高度的對應關系列表相比較，如表2所示：距離(cm)像素點距離(cm)像素點距離(cm)像素點1859998253175932206681954116262813133196272049458272565734188092145541282408235177742241099292320436169632338848302222337161882434584312154942148005013966例如，若Number為54116，即54116個像素面積。則水面2與攝像機的間距為19cm，即攝像機距離水面2的高度為19cm，故54116個像素面積與19cm這個距離產(chǎn)生映射關系。所述攝像機距離水面的高度并不呈線性關系，而是一個由陡變緩的曲線，即水面距攝像機越近，相同的水位變化，水面影像變化越大。因而該水位測量方法的精度也是不恒定的，在測量范圍較小時才能保證合適的精度，故適用于水位變化不大的水域（如流動性不大的湖泊，高度有限的蓄水池）。本發(fā)明還可以采用Canny檢測算子對于灰度分量進行邊緣提取，以獲得水面影像2-1的各面積像素值，具體步驟參見發(fā)明專利，申請?zhí)?00910232679.6，名稱為“基于圖像視覺的水位測量系統(tǒng)和方法”。期刊《計算機與現(xiàn)代化》2006年06期，黃蕾、劉文波的論文“基于CNN的灰度圖像邊緣提取算法中模板參數(shù)的研究”中對灰度邊緣提取也有詳細說明，本發(fā)明也同樣可以采用該算法。期刊《南京航空航天大學》2006年，黃蕾的論文“基于細胞神經(jīng)網(wǎng)絡的圖像邊緣提取算法研究”中對描述了采用神經(jīng)網(wǎng)絡對圖像進行邊緣提取的方法，該方法也同樣適用于本發(fā)明。從表2中得到攝像機距離水面2的高度后，所述攝像機的安裝高度減去所述攝像機距離水面2的高度以獲得水位值。