图像智能识别在水位监测中的研究与应用

金江波，王福卿，刘希庆，高明山，赵志辉

（河北省水利技术试验推广中心，石家庄 050061）

灌区水资源是水资源重要组成部分，在保证农业灌溉、支持经济社会发展、维护生态平衡等方面发挥了重要作用。

目前，用水计量设备类型较多，但适用于渠道水量尤其是支斗渠灌溉用水计量的设备类型较少，压力式、浮子式、容感式渠道水位传感，由于受高寒地区冻胀、冰冻影响而不适用，而超声波渠道流量仪受制于渠道量水条件和设备造价较高等因素而限制了推广应用［1］。国家“农业水价综合改革暨渠系节水改造”工作要求“计量到斗口”，所以研发、推广适用于我国灌区灌溉计量，尤其是支斗渠灌溉用水计量的造价低廉、简便实用的量水设施和量水技术，是当前实际生产中亟待解决的棘手问题。结合农业水价综合改革试点，采用渠道水位自动拍照、图像智能识别和GPRS远程传输技术，研发一种适用于高寒地区支斗渠渠道量水的远程监控系统，能够将渠道水位图像直观记录，不受外部环境和水体水质等因素影响，稳定可靠。

1 系统构架

渠道水位图像智能识别系统主要由信息采集层、信息传输层、信息应用层3部分组成［2］。 如图1。

图1 系统构架

1.1 信息采集层

主要由信息采集终端、GPRS无线模块、电源等组成。信息采集终端主要完成监测物理量传感器信号，包括水位图像的实时监测、数据转换、定时记录存储等［3］；并通过GPRS无线模块与数据管理中心进行实时通讯，接收控制指令、发送实时监测信息和历史数据等［4］。

1.2 信息传输层

本系统信息传输层主要由GPRS/Internet组成。GPRS网络是在现有的GSM网络基础上增加SGSN和GGSN来实现的。SGSN通过帧中继连接基站系统，GGSN经由基于IP的GPRS骨干网与SGSN连通，最终连接到Internet，从而实现数据远程通信。

1.3 信息应用层

信息应用层主要指数据管理中心，其由通信服务器、应用管理机、实时监控管理软件构成。系统网络接入可采用由GPRS经由防火墙到Internel公网接入方案，或由APN接入路由器的专用网络接入方案。通过GPRS网络，实现信息的实时采集和数据管理。

2 系统功能

渠道水位图像智能识别系统集水位现场自动拍照、图像直观显示、智能识别、GPRS网络远程传输、自动计量、存储、处理一体化的新型渠道量水系统。并能自动完成数据传输、流量计算、水量统计、过程线绘制、报表制作等。

系统主要具备以下功能：

2.1 采集功能

自动采集分为非连续采集和连续采集。对于灌区来说，其变化相对平缓，一般采用非连续性定时采集，即相隔一定时间进行一次监测［5］。采用水位图像直观显示，并对图像进行智能识别为水位值。这样既能通过图像了解现场，又能将水位自动入库，方便数据查询统计等。

2.2 存储功能

由于系统采用非实时数据通讯，所以必须将定时监测数据进行记录存储，以便能够更准确捕捉到每日最高、最低水位值及突发事件所引起的突变值。

(2)苍峄铁矿带自北向南共分为5个含矿带，矿带展布形态受太白向斜和石闫背斜两褶皱构造的控制。规模较大的矿体主要产于向斜转折端，而与背斜转折端相对应的矿床规模相对较小，在发生倒转的褶皱构造中，倒转翼常常被拉断，而正常翼则表现出矿体等厚性。断层构造为成矿后的破坏构造，破坏了赋矿构造及矿体的连续性，间接控制了铁矿体的赋存和分布。

由于受存储数据格式、存储器容量等影响，该系统采用定时存储记录方式，时间间隔为5min，信息数据记录的存储容量为3年［6］。

2.3 指令接收与执行功能

信息测控终端设备具有对数据管理中心指令自动接收和识别、执行等功能，并根据指令需求自动查询数据、完成数据传输等。同时具有远程配置功能，包括测控终端时钟校对、域名配置、IP地址配置、多中心配置、数据报送模式等功能［7］。

2.4 自动报送及召测功能

在数据管理中心连续工作状态下，监测站点信息采用定时自动报送模式，远端数据既可通过GPRS/Internet定时报送到数据管理中心，也可通过单点召测或巡测模式。召测功能还用于所需站点信息的实时监测情况，了解某个站点水位、流量信息实时状况。

2.5 水位流量关系管理功能

对于规则断面的渠道，在粗糙系数一定的情况下，过水断面流量可用均匀流公式进行水量计算。

对于非均匀流渠道或无法确定粗糙系数的情况下，可根据站点控制断面的实测数据值，系统采用最小二乘法进行回归计算处理［8］，找出控制断面的水位～流量的回归曲线和各水位对应的流量表，以便于分析、修改和查询。

2.6 数据管理功能

数据管理中心具有对站点信息进行自动遥测，完成数据的分域、分时、分类，按照信息地域、时间、类别对数据进行自动分析汇总、存储，具备按地域、时段、类别进行查询、统计（最大值、最小值、平均值），并按《水资源监测规范》等要求形成日报表、月报表、年报表，以便上报、留档及资料整编。能进行水位过程曲线绘制，GIS专题图表的绘制［9］，可清晰、直观、形象地了解其变化情况。

3 信息监测站点

信息监测站点主要由图像识别、采集终端、GPRS数据终端、太阳能供电系统、避雷器等组成。系统方案为：在渠道水中固定一个水位专用识别标尺，并布置摄像头及采集终端，对水位进行实时监控，并通过GPRS/Internet将观测图像上传到数据管理中心，由数据管理中心完成对上传数据的保存和分析，包括图像智能识别、特征量提取及计算分析等任务，如图2。

图2 信息监测结构示意图

3.1 图像识别

图像识别是利用计算机技术对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。识别过程包括图像预处理、图像分割、特征提取和判断匹配等［10］。

借助图像识别技术，不仅能通过图片更快地搜索信息，还可以产生一种与外部世界进行交互的新型方式，甚至会让外部世界更加智能地展示运行。数字图像处理和识别的主要技术方法有图像变换、图像编码压缩、图像增强和复原、图像描述、图像分割、图像分类、识别等。图像识别使摄像设备成为解密信息的钥匙，仅需把摄像设备对准某一未知事物，就能得到预想的答案。

本系统利用水位自动拍照、GPRS数据传输、图像直观显示、智能识别为水位、根据水位～流量关系来推算水量。

在水位专用识别标尺使用过程中，可能会出现各种天气现象，这样对水尺的识别也会产生一定影响，本套产品通过辅助照明的方法和优化识别算法来解决。如针对阴天时，外界光照不足的因素影响，设备会自动启用辅助照明，增加光照度；下雨时，水尺背景中可能会有雨滴，雨滴在图片中的阴影会对识别造成一定干扰，设备会对水位图片进行形态学闭运算，从而淡化雨滴阴影部分，排除干扰［11］；同时下雨时，水尺出水部分如有水渍，水渍会对水位线的判断产生干扰，设备对图片进行形态学闭运算、开运算等来淡化非水位线的颜色，排除干扰［12］。水量量测范围达0.01～10m3/s、水量量测误差优于3%、图像识别准确率在99%以上。

3.2 摄像头及采集终端

位于实时监测站点，主要完成监测指标的水位图像自动采集、数据转换、存储记录、GPRS模块通信控制、指令接收、远程配置、数据显示等管理功能。

由于数据的采集是24h不间断进行的，这样就会涉及到夜间识别问题。当夜间光线不足时，设备会自动启动辅助照明附件，拍摄完成后，自动关闭辅助照明附件，可有效地解决在夜间识别水位的问题［13］。

3.3 供电电源和工作模式

信息采集站点一般远离城镇，优先采用太阳能供电模式是比较科学的选择。这就要求信息采集站点设备采用低功耗设计，使系统通过电池供电可连续运行5年以上，具备中断（远程唤醒中断、时间中断）唤醒功能。考虑灌区信息监测的特点，GPRS无线数据模块采用定时段开启方案和定时发送等模式，这样既可省电，又能达到数据监测要求。

4 系统管理中心

系统管理中心是整个系统的管理枢纽，是系统信息监控中心和信息管理中心。系统管理中心主要由通信服务器、应用客户机、通讯接口、ADSL Modem、防火墙、路由器、操作系统软件、信息采集与数据管理系统软件等组成，为系统的良好运行提供硬件基础平台和软件支撑平台。

软件系统主要包括信息采集软件和数据管理软件，采用GIS技术、全中文操作、人性化界面、标准化数据结构等［14］，其功能结构如图3。

图3 系统功能结构图

5 应用效果

5.1 解决水质复杂条件下量水难题

利用较先进的图像识别技术对渠道水位进行自动识别，并通过GPRS/internet网实现渠道水位的远程传输，结合量水设施，采用远程直读模式实现渠道水位图像直观显示、水量的自动计量，解决低温冰冻环境、水质复杂条件下的自动量水难题。

5.2 数据实时、准确

信息采集站点采用自动检测模式，定时存储记录，并定时报送或可随时响应数据管理中心的实时在线召测，将实时采集数据及历史记录数据发送给数据管理中心，提高了数据监测的实时性、准确性、可靠性和时效性。信息采集站点5min记录1次数据，通过这些数据可以科学准确地了解灌区水位、流量的变化过程［15］。

5.3 先进实用、方便灵活

系统集成化程度高，组成比较简单，安装时只要将数据采集终端设备固定在专用线杆（建议用不锈钢杆）上即可。系统管理软件具有报表自动生成功能，并可绘制各种数据专题分析图、过程曲线图等。

6 结语

利用较先进的图像识别技术对渠道水位进行自动识别，本系统分别在河北省的张家口市、承德市等多个灌区得到应用推广，解决了低温冰冻环境、水质复杂条件下的自动量水难题。

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