【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于視頻檢測領(lǐng)域，尤其是一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
1、ai智能識別技術(shù)和高清圖像技術(shù)發(fā)展成熟，車牌識別、人臉識別在現(xiàn)實中廣泛應(yīng)用。水利信息化發(fā)展相對落后，視頻ai在水文監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用還不廣泛。傳統(tǒng)的蒸發(fā)量測量有兩種方法一種是測針法和稱重法，測針法需要人工反復(fù)旋轉(zhuǎn)刻度盤去讀數(shù)，操作繁瑣，對人的反應(yīng)及時性要求高，操作人員反應(yīng)不及時就會產(chǎn)生測量誤差。稱重法雖然使用簡單可以實現(xiàn)自動化測量，但是假如水中有雜質(zhì)，通過重量換算水位不準(zhǔn)，導(dǎo)致測量誤差；通過ai影像法測量蒸發(fā)量，基于高分辨率的鏡頭和sensor，可以更精準(zhǔn)的測量水位的變化，智能檢測液位變化得到蒸發(fā)量，省去人工繁瑣操作。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)及方法，使用智能影像技術(shù)，省去人工檢測，較少人力投入，同時蒸發(fā)量檢測誤差比傳統(tǒng)誤差小。
2、本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
3、一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)，包括液位計、進水管、鏡頭、圖像傳感器、cpu、4g模塊和蒸發(fā)桶，其中蒸發(fā)桶用于盛放水，并且蒸發(fā)桶通過進水管與旁邊的液位計相連；液位計內(nèi)的水和蒸發(fā)桶里的水是等位的；鏡頭的拍攝方向朝向液位計，鏡頭、圖像傳感器、cpu和4g模塊依次連接，鏡頭和圖像傳感器用于采集液位計的圖像，cpu對圖像處理計算蒸發(fā)量，4g模塊用于傳輸數(shù)據(jù)。
4、而且，所述鏡頭采用大焦段的鏡頭，用于將圖像放大，同時使
5、一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：
6、步驟1、蒸發(fā)桶中加適量水，使液面在液位計量程范圍內(nèi)，液位計上有兩條刻度線，量程為30mm，攝像機鏡頭和圖像傳感器采集高清圖像；
7、步驟2、構(gòu)建液面區(qū)域檢測模型，初始化圖像中的液位計檢測區(qū)域，isp單元模塊將檢測區(qū)域中圖像預(yù)處理去噪點，cpu內(nèi)的npu單元模塊將預(yù)處理后的圖像送給液面分割模型去檢測分割，通過模型檢測分割得到液面所在的像素；
8、步驟3、根據(jù)液面像素與液位關(guān)系表，計算出液位刻度值；
9、步驟4、根據(jù)蒸發(fā)桶觀測時間內(nèi)的液體容積落差計算得到蒸發(fā)量。
10、而且，所述步驟1的具體實現(xiàn)方法為：攝像機鏡頭和圖像傳感器采集高清圖像的具體實現(xiàn)方法為：圖像傳感器選用高分辨率500萬像素，所測量的0.1mm的液位所占像素數(shù)是8；并對0-30mm量程的液位每隔0.1mm液位進行圖像中的像素標(biāo)定，得到300個液位與像素的對應(yīng)關(guān)系保存到設(shè)備內(nèi)存里，精度0.1mm，通過圖像中的像素換算成高精度的液位。
11、而且，所述步驟2中預(yù)處理去噪點的具體實現(xiàn)方法為：使用高斯濾波對高清液位圖像進行圖像預(yù)處理，抑制噪聲并平滑圖像。
12、而且，所述步驟2中構(gòu)建液面區(qū)域檢測模型的具體實現(xiàn)方法為：
13、步驟1：搜集不同光照強度、不同液體渾濁度和不同液面波動變化場景豐富的高清精細液面圖像，并整理標(biāo)定出局部液面區(qū)域樣本；并按照比例分出訓(xùn)練集、評估集及測試集；
14、步驟2：液面區(qū)域檢測模型使用裁剪通道數(shù)后yolov8網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練框架使用pytorch，使用步驟1中所述訓(xùn)練集與評估集，進行液面區(qū)域檢測模型訓(xùn)練；該液面區(qū)域檢測模型負責(zé)在輸入的圖像中檢測出局部液面檢測區(qū)域，為下一步roi區(qū)域內(nèi)進行液面分割做準(zhǔn)備；
15、液面區(qū)域檢測模型訓(xùn)練，同時利用交叉熵損失和中心損失訓(xùn)練模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，具體表達式如下：
16、
17、其中，ls為交叉熵損失,lc為中心損失；為全連接層的輸出，n表示類別個數(shù)；表示第yi個類別的特征中心，xi表示全連接層之前的特征，m表示最小batch的大小，λ為分布系數(shù)；
18、步驟3：利用測試集選擇出最佳的液面區(qū)域檢測模型。
19、而且，所述步驟2中將預(yù)處理后的圖像送給液面區(qū)域檢測模型去檢測分割的具體實現(xiàn)方法為：
20、步驟1：利用上述步驟1中的液面區(qū)域樣本，先摳圖獲得液面區(qū)域roi圖像，此roi圖像由兩部分構(gòu)成，上半部分為空氣層，下半部分為液面層；再標(biāo)定出液面層區(qū)域，制作成液面分割樣本，并按照比例分出訓(xùn)練集、評估集及測試集；
21、步驟2：液面分割模型使用的是分割網(wǎng)絡(luò)unet，訓(xùn)練框架使用pytorch，使用步驟1中制作的訓(xùn)練集與評估集進行液面分割模型訓(xùn)練；該液面分割模型檢測得到的液面區(qū)域分割出液面區(qū)域；
22、液面分割模型訓(xùn)練，同時利用softmax激活函數(shù)、帶權(quán)重的交叉熵損失函數(shù)、權(quán)重計算函數(shù)一起訓(xùn)練模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；
23、softmax激活函數(shù)具體表達式如下：
24、
25、其中，c代表類別數(shù)量，代表每類別得分，softmax激活函數(shù)將每個像素點的輸出值變換成值為正且和為1的概率分布，從而得到每個像素點中每個類的置信度si。
26、帶權(quán)重的交叉熵損失函數(shù)具體表達式如下：
27、
28、其中，e為交叉熵損失，w(x)表示樣本真實分布，px(x)表示樣本的預(yù)測分布；
29、權(quán)重計算函數(shù)，具體表達式如下：
30、
31、其中，w(x)為待計算權(quán)重，wc(x)是預(yù)先計算真值分割位置，用來補償訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中每個類別的像素的不同頻率；d1(x)是距離最近分割邊界的距離，d2(x)是距離第二近分割邊界的距離。
32、步驟3：利用測試集選擇出最佳的液面分割模型。
33、而且，所述步驟3的具體方法為：本專利技術(shù)通過對輸入液位圖進行檢測和圖像分割處理，獲取到液面位置，再根據(jù)液位與像素的對應(yīng)關(guān)系，推算輸出液位刻度值。實際實施例示意流程圖，如圖4所示；
34、本專利技術(shù)的優(yōu)點和積極效果是：
35、本專利技術(shù)通過與蒸發(fā)桶相連的液位計反應(yīng)蒸發(fā)桶里的水是位置，通過依次連接的鏡頭、圖像傳感器、cpu和4g模塊，依次完成采集液位計的圖像，對圖像處理計算蒸發(fā)量，并且傳輸蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。本專利技術(shù)使用智能影像技術(shù)，視頻采集分析液位變化實現(xiàn)蒸發(fā)量自動監(jiān)測，并使用大焦段鏡頭和高分辨率圖像傳感器，實現(xiàn)更精細的液位變化檢測，蒸發(fā)量檢測誤差極小，高清無水尺精細化液位變化檢測，蒸發(fā)量檢測誤差比傳統(tǒng)誤差小。同時本專利技術(shù)通過構(gòu)建液面區(qū)域檢測模型以及液面分割模型能夠?qū)D像的誤差降至最低。
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1.一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)，其特征在于：包括液位計、進水管、鏡頭、圖像傳感器、CPU、4G模塊和蒸發(fā)桶，其中蒸發(fā)桶用于盛放水，并且蒸發(fā)桶通過進水管與旁邊的液位計相連；液位計內(nèi)的水和蒸發(fā)桶里的水是等位的；鏡頭的拍攝方向朝向液位計，鏡頭、圖像傳感器、CPU和4G模塊依次連接，鏡頭和圖像傳感器用于采集液位計的圖像，CPU對圖像處理計算蒸發(fā)量，4G模塊用于傳輸數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)，其特征在于：所述鏡頭采用大焦段的鏡頭，用于將圖像放大，同時使用高分辨率的圖像處理器，實現(xiàn)更精準(zhǔn)液位測量目的；CPU的ISP單元模塊對圖像信號進行處理得到高清圖像，再送入CPU內(nèi)的NPU單元模塊，內(nèi)部通過算法識別到液位計的液面，根據(jù)實際的液位變化計算得到蒸發(fā)量；4G模塊將統(tǒng)計的蒸發(fā)量上報給水利平臺用于展示蒸發(fā)量。
3.一種如權(quán)利要求1所述的影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟1的具體實現(xiàn)方法為：攝像機鏡頭和
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟2中預(yù)處理去噪點的具體實現(xiàn)方法為：使用高斯濾波對高清液位圖像進行圖像預(yù)處理，抑制噪聲并平滑圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟2中構(gòu)建液面區(qū)域檢測模型的具體實現(xiàn)方法為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟2中將預(yù)處理后的圖像送給液面區(qū)域檢測模型去檢測分割的具體實現(xiàn)方法為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟3的具體方法為：本專利技術(shù)通過對輸入液位圖進行檢測和圖像分割處理，獲取到液面位置，再根據(jù)液位與像素的對應(yīng)關(guān)系，推算輸出液位刻度值。實際實施例示意流程圖，如圖4所示。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)，其特征在于：包括液位計、進水管、鏡頭、圖像傳感器、cpu、4g模塊和蒸發(fā)桶，其中蒸發(fā)桶用于盛放水，并且蒸發(fā)桶通過進水管與旁邊的液位計相連；液位計內(nèi)的水和蒸發(fā)桶里的水是等位的；鏡頭的拍攝方向朝向液位計，鏡頭、圖像傳感器、cpu和4g模塊依次連接，鏡頭和圖像傳感器用于采集液位計的圖像，cpu對圖像處理計算蒸發(fā)量，4g模塊用于傳輸數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)，其特征在于：所述鏡頭采用大焦段的鏡頭，用于將圖像放大，同時使用高分辨率的圖像處理器，實現(xiàn)更精準(zhǔn)液位測量目的；cpu的isp單元模塊對圖像信號進行處理得到高清圖像，再送入cpu內(nèi)的npu單元模塊，內(nèi)部通過算法識別到液位計的液面，根據(jù)實際的液位變化計算得到蒸發(fā)量；4g模塊將統(tǒng)計的蒸發(fā)量上報給水利平臺用于展示蒸發(fā)量。
3.一種如權(quán)利要求1所述的影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種影像測量自然水域蒸發(fā)量的系統(tǒng)的測量方法，其特征在于：所述步驟1的具體實現(xiàn)方法為：攝像機鏡頭和圖像傳感器采集高清圖像的具體實現(xiàn)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳東亮，趙金彪，吳迪，陳文杰，任亞非，李偉，
申請(專利權(quán))人：天地偉業(yè)技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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