阅读说明：本技术 一种基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统和方法 (All-weather tunnel water level monitoring system and method based on infrared image detection ) 是由 应颖 朱丹 耿明 张�浩 殷勤 史明红 邱绍峰 刘辉 张俊岭 彭方进 李成洋 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统,包括水位采集装置、A/D转换器、嵌入式红外图像处理器、信号传输器和显示器,水位采集装置包括水位信息条装置和红外热像仪,水位信息条装置包括固定套环装置和防锈板,固定套环装置包括支撑杆和辅助支撑环；红外热像仪通过A/D转换器与嵌入式红外图像处理器连接,以让嵌入式红外图像处理器获得隧道内的水位情况；所述嵌入式红外图像处理器通过所述信号传输器与所述显示器连接。本发明可实现对隧道内水位监测的全覆盖和易致灾位置的重点监测,非接触式红外图像探测和嵌入式红外图像处理可实现对隧道内复杂背景下水位信息的精准提取,减少人员和设备的损失。(The invention discloses an all-weather tunnel water level monitoring system based on infrared image detection, which comprises a water level acquisition device, an A/D converter, an embedded infrared image processor, a signal transmitter and a display, wherein the water level acquisition device comprises a water level information strip device and an infrared thermal imager, the water level information strip device comprises a fixed sleeve ring device and an anti-rust plate, and the fixed sleeve ring device comprises a supporting rod and an auxiliary supporting ring; the infrared thermal imager is connected with the embedded infrared image processor through an A/D converter so that the embedded infrared image processor can obtain the water level condition in the tunnel; the embedded infrared image processor is connected with the display through the signal transmitter. The invention can realize the key monitoring of the full-coverage and disaster-prone positions of the water level monitoring in the tunnel, and the non-contact infrared image detection and the embedded infrared image processing can realize the accurate extraction of the water level information under the complex background in the tunnel, thereby reducing the loss of personnel and equipment.)

一种基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统和方法

技术领域

本发明属于地下基础设施综合监测技术领域，更具体地，涉及一种全天候隧道内水位监测系统和方法。

背景技术

近年来，我国城市地下基础设施建设快速发展，地下空间开发呈现多样化、深度化和复杂化；其中隧道呈现规模由小到大、结构由简单到复杂、功能由单一到综合的发展趋势。

隧道存在多种致灾因素，水灾是隧道灾害中最常见且危害较大的灾害之一，容易引起多种灾害耦合发生。目前，对于隧道内水灾监测多集中在渗、漏水监测，或水尺水位读取等方面，对于突发水灾的情况无法及时、精准获得水位信息，进而对隧道的结构和隧道内设备及人员造成一定损失。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统和方法，其采用全天候非接触式红外图像监测技术，效率高，准确性高，适合用于长期隧道水位监测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统，其特征在于，包括水位采集装置、A/D转换器、嵌入式红外图像处理器、信号传输器和显示器，其中，

所述水位采集装置包括水位信息条装置和红外热像仪，所述水位信息条装置包括固定套环装置和防锈板，所述固定套环装置包括支撑杆和辅助支撑环，所述支撑杆的一端固定在隧道壁上而另一端固定连接所述辅助支撑环，所述防锈板的下端固定在隧道地面上而上端穿过所述辅助支撑环，并且该防锈板的其中一个侧面作为红外成像采集面；所述红外热像仪设置在隧道内，以获得该防锈板的红外成像采集面的红外图像；

所述红外热像仪通过所述A/D转换器与所述嵌入式红外图像处理器连接，以用于将红外热像仪检测到的模拟信号转变为数字信号传送给所述嵌入式红外图像处理器，从而让所述嵌入式红外图像处理器获得隧道内的水位情况；

所述嵌入式红外图像处理器通过所述信号传输器与所述显示器连接。

优选地，所述防锈板的红外成像采集面涂有辐射率大于0.9的涂料。

优选地，所述水位采集装置的数量为多个并且它们在隧道内间隔布置。

优选地，所述信号传输器为无线信号传输器。

优选地，还包括与所述嵌入式红外图像处理器连接的报警器，以在嵌入式红外图像处理器判断水位超限时进行报警。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的全天候隧道内水位监测系统进行水位监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)红外热像仪采集防锈板的红外成像采集面的红外图像；

2)步骤1)采集的红外图像通过A/D转换器传送给嵌入式红外图像处理器；

3)嵌入式红外图像处理器对红外图像进行预处理：采用图像增强方法去除噪声；

4)针对预处理后的红外图像，利用直方图法及基于边缘特征进行阈值分析、图像分割和图像匹配识别处理；

5)针对匹配识别后的红外图像，利用相关匹配跟踪算法进行目标跟踪，以获得防锈板的图像，从而获得防锈板的红外成像采集面的浸水面积，进而获得包括水位高度在内的水位信息；

6)嵌入式红外图像处理器将水位信息通过信号传输器传送给显示器予以显示。

优选地，步骤3)中的图像增强方法为滤波、灰度校正和图像锐化处理中一种或多种。

优选地，红外热像仪连续采集红外图像后，嵌入式红外图像处理器根据防锈板的红外成像采集面在不同时间的浸水面积的变化速率，可获得水位变化速度的水位信息。

优选地，嵌入式红外图像处理器判别水位高度是否超出设定水位限制，若超出则将信号发至报警器进行报警。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统可实现对隧道内水位监测的全覆盖和易致灾位置的重点监测，非接触式红外图像探测和嵌入式红外图像处理可实现对隧道内复杂背景下水位信息的精准提取，减少人员和设备的损失。

2)嵌入式红外热图像处理模块对红外图像进行一次或多次预处理，然后对图像进行背景分割、匹配识别和跟踪，可有效抑制图像噪声，并精准提取目标图像位置和速度信息，即水位高度和水位变化速度。

3)本发明采用全天候非接触式红外图像监测技术，效率高，准确性高，适合用于长期隧道水位监测。

附图说明

图1是本发明中水位信息条装置示意图；

图2是本发明中监测系统结构示意图；

图3是本发明中监测系统流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图3所示，一种基于红外图像探测的全天候隧道内水位监测系统，包括水位采集装置、A/D转换器3、嵌入式红外图像处理器4、信号传输器5和显示器6，其中：

所述水位采集装置包括水位信息条装置1和红外热像仪2，所述水位信息条装置1包括固定套环装置11和防锈板12，所述固定套环装置11包括支撑杆111和辅助支撑环112，所述支撑杆111的一端固定在隧道壁上而另一端固定连接所述辅助支撑环112，所述防锈板12的下端固定在隧道地面上而上端穿过所述辅助支撑环112，以保证测量时始终以地面为水位基准线，并且该防锈板的其中一个侧面作为红外成像采集面，该红外成像采集面的朝向要便于红外热像仪2进行拍摄和采集；同时保证防锈板12不会掉落；防锈板12本身的材料可以是譬如不锈钢等，或者防锈板12的整个外表面可以涂一层防锈材料来防锈，以适应隧道内环境阴暗潮湿的环境；所述红外热像仪2设置在隧道内，并且摄像头正对着防锈板12的红外成像采集面，以获得该防锈板12的红外成像采集面的红外图像，尤其需要获得红外成像采集面的清晰图像；

所述防锈板的红外成像采集面还涂有辐射率大于0.9的涂料，由于物体的辐射能量W与其辐射率ε和温度T有关(W＝ε×δ×T⁴，其中δ为普朗克常量，ε为辐射率，T为绝对温度)，防锈板12的红外成像采集面的高辐射率的涂层可以适应隧道内光线不佳、环境阴暗潮湿的特点，使得防锈板12可以被红外热像仪2清晰识别，作为被测目标，当隧道内产生积水8时，由于防锈板12下部的浸水区121与上部的干燥区122的温度不同，经红外热像仪2红外成像后，便可识别出防锈板12下部的浸水区121和上部的干燥区122；

所述红外热像仪2通过所述A/D转换器3与所述嵌入式红外图像处理器4连接，以用于将红外热像仪2检测到的模拟信号转变为数字信号传送给所述嵌入式红外图像处理器4进行图像处理；

所述嵌入式红外图像处理器4通过所述信号传输器5与所述显示器6连接，优选地，所述信号传输器5为无线信号传输器。此外，所述嵌入式红外图像处理器4还连接报警器7，嵌入式红外图像处理器4判断水位超限时，报警器7进行报警。本发明根据不同被监测地点的特征设置不同超限报警水位。

本发明可24小时不间断监测水位信息条装置1，可以实现对隧道内的全天候监测，获得积水8的水位；本发明采用非接触式红外热图像探测技术，并利用嵌入式红外图像处理系统，对探测目标图像进行预处理、匹配识别、目标跟踪等手段，可清晰、准确识别隧道内水位、计算水位变化速率，并对超限水位进行报警；利用此系统可预防隧道水灾事件发生，实现全天候精准水位监测。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的全天候隧道内水位监测系统进行水位监测的方法，包括以下步骤：

1)红外热像仪2采集防锈板12的红外成像采集面的红外图像；

2)步骤1)采集的红外图像通过A/D转换器3传送给嵌入式红外图像处理器4；

3)嵌入式红外图像处理器4对红外图像进行预处理：采用图像增强方法去除噪声，改善红外图像的数据，根据场景和图像特征达到最佳效果；该图像增强方法为滤波、灰度校正和图像锐化处理中一种或多种；

4)针对预处理后的红外图像，利用直方图法及基于边缘特征进行阈值分析、图像分割和图像匹配识别处理；

5)针对匹配识别后的红外图像，利用相关匹配跟踪算法进行目标跟踪，完成复杂背景下的目标图像(防锈板12的图像)自动定位，以获得防锈板12的红外图像，尤其是其浸水区121的红外图像，从而获得防锈板12的红外成像采集面的浸水面积，进而获得包括水位高度在内的水位信息；

6)嵌入式红外图像处理器4对水位信息进行分析，并将水位信息通过信号传输器5传送给显示器6予以显示。红外热像仪2连续采集红外图像后，嵌入式红外图像处理器4可根据防锈板12的红外成像采集面在不同时间的浸水面积的变化速率，可获得水位变化速度的水位信息。嵌入式红外图像处理器4可判别水位高度是否超出设定水位限制，若超出则同时将信号发至报警器7进行报警。

本发明的水位采集装置的数量为多个，根据隧道实际结构和功能，在隧道内部每隔一定距离间隔设置，可设置在关键设备和土建结构薄弱处，实现突发水灾情况下全隧道水位监测和报警。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。