阅读说明：本技术 基于图像分析测量液位的静力水准仪及测量方法 (Static level gauge for measuring liquid level based on image analysis and measuring method ) 是由 丁勇 林峰 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于图像分析测量液位的静力水准仪及测量方法,包括暗箱、水泵机箱、水箱、连通管和托架,所述暗箱有两个以上,暗箱里设有量筒、漫射光屏和摄像机,暗箱为透气不透光的箱体,所述量筒在靠近暗箱的一侧内壁放置,所述量筒和其邻近的内壁之间竖直放置漫射光屏,所述摄像机安装在漫射光屏对面的内壁,所述托架托起连通管,所述连通管串联水泵机箱与暗箱里量筒的液体,所述水泵机箱通过管道与水箱连接；基于图像分析测量液位的静力水准仪的测量方法,包括以下步骤：步骤1：安放设备,步骤2：采集图像；步骤3：图像预处理；步骤4：计算图像相关信息。本发明采用图像分析技术测量液位,直观地测得水面面积之比的变化,避免人工读取数据和计算带来的误差,得到更加准确的沉降数据。(The invention relates to a static level gauge for measuring liquid level based on image analysis and a measuring method, the static level gauge comprises more than two dark boxes, a water pump case, a water tank, a communicating pipe and a bracket, wherein a measuring cylinder, a diffusing light screen and a camera are arranged in the dark boxes, the dark boxes are air-permeable and light-tight boxes, the measuring cylinder is arranged on the inner wall close to one side of the dark boxes, the diffusing light screen is vertically arranged between the measuring cylinder and the adjacent inner wall, the camera is arranged on the inner wall opposite to the diffusing light screen, the bracket supports the communicating pipe, the communicating pipe is connected with the water pump case in series and the liquid of the measuring cylinder in the dark boxes, and the water pump case is connected with the water tank through a pipeline; the measuring method of the hydrostatic level gauge for measuring the liquid level based on image analysis comprises the following steps: step 1: placing equipment, step 2: collecting an image; and step 3: preprocessing an image; and 4, step 4: image-related information is calculated. The invention adopts the image analysis technology to measure the liquid level, intuitively measures the change of the ratio of the water surface area, avoids the errors caused by manually reading data and calculating, and obtains more accurate settlement data.)

基于图像分析测量液位的静力水准仪及测量方法

技术领域

本发明提供基于图像分析测量液位的静力水准仪,属于土木工程的构筑物沉降测量技术领域。

背景技术

静力水准系统是测量两点或者多点之间的相对沉降的精密仪器，主要用于大型储罐、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁等垂直位移和倾斜的监测。传统的静力水准仪在使用中，多个静力水准仪的容器用通液管连接，每一容器的液位由磁制伸缩式传感器测出，传感器的浮子位置随液位的变化而同步变化，由此可测出各测点的液位变化量。

静力水准仪有多种类型，包括：振弦式，电感式，液位式等等。然而，在测量沉降的过程中，静力水准系统会因为不同位置的温度不同而导致测量精度受影响，需要添加温度补偿等复杂的工序。根据流体力学原理，液体流动距离越远，水头会越小，产生的较大的流动粘滞性会导致液面不等高，使最后测得的结果误差较大。最明显的是，传统的静力水准仪通过人工读数的方式读取测量数据，将液面的位移数据转换为其它物理量来进行计算分析。其中，数据的读取和换算的过程也导致测量结果的精度不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供基于图像分析测量液位的静力水准仪，其具体步骤如下：

基于图像分析测量液位的静力水准仪，包括暗箱、水泵机箱、水箱、连通管和托架，所述暗箱有两个以上,暗箱里设有量筒、漫射光屏和摄像机，暗箱为透气不透光的箱体，所述量筒在靠近暗箱的一侧内壁放置，所述量筒和其邻近的内壁之间竖直放置漫射光屏，所述摄像机安装在漫射光屏对面的内壁，所述托架托起连通管，所述连通管串联水泵机箱与暗箱里量筒的液体，所述水泵机箱通过管道与水箱连接，摄像机采集的图像上传计算机处理，提取灰度值，确定量筒内的水上面积和水下面积的比值，获取液体的变化信息，测得量筒内两点或多点间的相对沉降数据。

进一步的,所述水泵机箱的最低液位点低于量筒内的最低液位点，水泵机箱定期从水箱中更换纯净液体，保持液体的流动性，保持暗箱内量筒中液体的温度不变。

进一步的,所述量筒为带有刻度的透明圆柱筒，量筒内盛有液体，每个暗箱内的量筒，通过连通管在暗箱底部相互串联。

进一步的,所述液体为石蕊试剂。

进一步的,所述摄像机镜头的中心轴线略低于量筒内液面，保证液面升降距离在摄像机的拍摄范围内。

进一步的,所述暗箱外壁设有大量程滑片，所述大量程滑片（4）采用螺栓固定在暗箱外壁, 大量程滑片设有刻度尺,通过调节大量程滑片调整刻度尺的伸缩,测量距离。

基于图像分析测量液位的静力水准仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：安放设备：将安装好的静力水准仪装置，放置在检测点上；

步骤2：采集图像：开启摄像机，拍摄记录量筒内液位的变化，待液面稳定将图像传送至计算机；

步骤3：图像预处理：对图像提取灰度值；

步骤4：计算图像相关信息：通过MATLAB的最小二乘法拟合筛选获取目标图像中的深色液体的面积大小，以及液面上方空白量筒面积大小，通过像素点将深色液体的面积，以及液面上方空白量筒面积在图像中所占的面积大小进行量化，根据深色液体的面积，以及液面上方空白量筒面积在图像中所占的像素点数量得到图像中深色液体的面积数值，以及液面上方空白量筒面积数值，通过两者的比值，以此获得静力水准仪中液面所在的刻度值。

有益效果：

（1）液体体积可以自由膨胀，测量结果不受温度变化的影响；

（2）量筒内的液体定期更换，定期自动清理测量液体的杂质，并且保持液体的流动性，提高了测量结果的精度；

（3）采用图像分析技术测量液位，直观地测得水面面积之比的变化，避免人工读取数据和计算带来的误差，从而得到更加准确的沉降数据。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，

图2为本发明的暗箱内部示意图，

其中，1-暗箱，2-量筒，3-漫射光屏，4-大量程滑片，5-摄像机，6-连通管，7-水泵机箱，8-液体，9-水箱。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图2所示，基于图像分析测量液位的静力水准仪，包括暗箱1、水泵机箱7、水箱9、连通管6和托架，所述暗箱1里设有量筒2、漫射光屏3和摄像机5。暗箱1为透气不透光的箱体，为测量系统提供防尘、无光线的环境。量筒2靠近暗箱1的一侧内壁放置，量筒2内装有附着性差、密度小和吸光能力强的液体8，例如在水溶液中加入氢氧化钠和石蕊试液，量筒2和邻近的内壁之间竖直放置漫射光屏3，所述摄像机5安装在漫射光屏3对面的暗箱1内壁上，摄像机5和量筒2保持一定的距离，保证摄像机5拍摄的图像能够准确的记录液位变化，漫射光屏3为摄像机5提供拍摄时所需的漫射逆光；所述大量程滑片4采用螺栓固定在暗箱1外壁，通过调节大量程滑片上的刻度尺，测量暗箱与水平连通管的距离,设置一个大量程滑片4上的刻度作为基准高度，其余大量程滑片4统一达到基准高度，从而保证各个暗箱放置在统一高度。

如图1所示，暗箱1底部略高于水泵机箱7，托架安装在每两个暗箱1的中间的位置，将连通管6在中间位置托起，连通管6从底部将两个暗箱1内量筒2与水泵机箱7连通，保持液体8在整个结构中流动畅通，水泵机箱7和水箱9连通，水泵机箱7定期从水箱9中更换纯净的液体8，控制液体8的主水位，保证测量过程中不受液体8因素的影响。

基于图像分析测量液位的静力水准仪的测量方法，首先，安放设备：将安装好的静力水准仪装置，放置在检测点上；其次，采集图像：开启摄像机5，拍摄记录量筒2内液位的变化，待液面稳定将图像传送至计算机；然后，图像预处理：对图像提取灰度值；最后，计算图像相关信息：通过MATLAB的最小二乘法拟合筛选获取目标图像中的深色液体8的面积大小，以及液面上方空白量筒2面积大小，通过像素点将深色液体8的面积，以及液面上方空白量筒2面积在图像中所占的面积大小进行量化，根据深色液体8的面积，以及液面上方空白量筒2面积在图像中所占的像素点数量得到图像中深色液体的面积数值，以及液面上方空白量筒2面积数值，通过两者的比值，以此获得静力水准仪中液面所在的刻度值，并通过叠加运算可得到多点的沉降数据。

本发明采用的暗箱防尘、透气，保证测量时暗箱内部不受外界环境因素干扰；量筒内的液体定期更换，保证液体的纯净，且液体附着性差、密度小，流动性高，保证测量结果不受温度和杂志的影响；采用图像分析技术测量液位，直观的测量量筒内水面面积之比的变化，避免人工读取数据带来的读书误差，计算得到更加准确的沉降数据。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。