基于二进制编码水尺和数字图像的水位远程监控系统设计

摘要

水位信息是水库管理过程中最重要的水文数据之一，随着科技与经济的发展，水资源安全利用和优化管理越来越受到社会的关注。目前，传统的水位检测有：(1)人工目测水尺读数。这种方法主观性很强，并且耗费精力，如果遇到极端天气，观测者的人身安全得不到保证。(2)利用水位计采集水位信息。由于水位计在获取水位的过程中，需要专门配置水位信息获取设备，投资大且维护困难。利用数字图像处理技术进行水位识别已经成为研究热点，这种非接触式水位检测系统具有稳定、可靠和实时性强等优点。因此，基于水库监控摄像头的非接触式水位监控系统是一个很有研究价值的课题，这对水库的自动化管理，具有十分重要的意义。
　　本文主要研究内容为：
　　首先，设计了基于二进制编码水尺和数字图像的水位远程监控系统的结构。系统由两个子系统构成，分别是水库水位监测子系统和水库闸门控制子系统，并详细介绍了子系统的组成成分。针对水库水位监测子系统，本文设计了一种二进制编码水尺，并建立了二进制编码水尺的水位识别算法，识别算法采用模块化的思想，主要包含水尺刻度线提取模块、水尺量程信息获取模块、水位值实时解算模块。
　　其次，设计了二进制编码水尺的刻度线提取与字符分割的方案。首先通过视频监控摄像头拍摄含水位信息的二进制编码水尺影像数据，并将影像数据传输给 PC机，然后在 PC机利用数字图像处理技术进行水尺图像关键像素截取、Radon变换算法的水尺倾斜校正、水尺左右和上下边缘确定等步骤实现水尺刻度线的提取，最后根据坐标的对应关系，实现表征水尺量程的第一个二进制编码字符定位与分割。
　　然后，建立了基于Hopfield神经网络的二进制编码水尺水位识别方法。首先利用离散型Hopfield神经网络的联想记忆能力，对残缺、变形和含噪的二进制编码字符进行修正。然后对修正后的二进制编码字符，利用模板匹配算法实现字符识别，根据二进制编码字符与十进制数字的对应关系，得到水尺的量程信息。最后根据水尺刻度线与水尺量程之间的数学关系，实现水位值的实时解算。
　　最后，分析了水库闸门控制子系统的结构，设计了水位远程监控系统的人机交互界面。针对水库闸门控制子系统，本文利用PLC-变频器技术进行水库闸门的升降控制。本文利用 LabVIEW编程平台实现了水位远程监控系统人机交互界面的设计，通过视频监控摄像头采集实时的水尺图像，并提取水尺图像感兴趣区域，结合本文的水位识别思想，实现水位值的实时解算。通过相应的仿真实验，证明了本文的研究思路是可取的。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 基于数字图像的水位远程监控系统总体设计

2.1水位远程监控系统总体结构

2.2 二进制编码水尺的设计

2.3 基于数字图像的水位识别算法流程

2.4 本章小结

第三章 二进制编码水尺水位识别的图像处理技术

3.1水尺图像裁剪

3.2水尺图像预处理

3.3 水尺图像增强

3.4 水尺图像滤波

3.5 常用的边缘检测算子

3.6 本章小结

第四章 二进制编码水尺的刻度线提取与字符分割

4.1 水尺图像倾斜校正

4.2 二进制编码水尺定位

4.3 水尺图像二值化处理

4.4 数学形态学处理

4.5 水尺刻度线提取

4.6 基于连通域提取的二进制编码字符分割

4.7 本章小结

第五章 二进制编码水尺的水位识别算法研究

5.1离散型Hopfield神经网络

5.2 离散型Hopfield神经网络的回忆学习功能

5.3 模板匹配法

5.4 水尺二进制编码字符的识别算法

5.5 水尺二进制编码字符识别仿真结果

5.6 水位值数学计算模型的构建

5.7本章小结

第六章 水库闸门控制及远程监控系统的界面设计

6.1 水库闸门控制子系统

6.2 系统人机交互界面设计分析

6.3 水位远程监控系统界面的设计

6.4 水位数据管理

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果