本发明公开一种海岸带岸基数字影像监测系统，用于实现长期实时观测海岸地区的地形、海岸线和波浪参数，所述系统包括数字影像采集系统、数据存储系统、数据传输系统和监控系统，所述数字影像采集系统、数据存储系统和监控系统通过数据传输系统可实现相互通讯。本发明还公开一种海岸带岸基数字影像监测方法。本发明可根据实际应用需求按照预设方案进行监测，也可通过远程控制手段即时改变监测方案，实现对海岸地区的地形、海岸线和波浪参数长期实时观测。
1.一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述监测系统包括：数字影像采集系统、数据存储系统、数据传输系统及监控系统，所述数字影像采集系统、数据存储系统和监控系统通过数据传输系统可实现相互通讯；
所述监测方法，包括：数字摄像机预处理过程、系统安装过程、数字摄像机外标定过程、海岸监测过程和数据分析过程；
所述数据分析过程具体步骤包括：分析对象主要包括瞬时图像、时均图像、方差图像及时间堆栈图像，时均图像、方差图像及时间堆栈图像均由瞬时图像生成；基于数字摄像机预处理过程和外标定过程所建立的二维到三维空间的映射，将数字影像中的每一个像素点以俯视图重投影至指定高程的水平面上；通过对时均图像和方差图像进行分析获取地形与海岸线参数，将时均图像投影至相同时段的潮位高程上，再通过图像边缘检测即可提取准确的该时段海岸线坐标，对方差图像进行同样的操作则可获得碎浪带及水下沙坝位置，随着潮位在最高潮位与最低潮位之间变动，即可获得一系列相应的海岸线坐标，由此可以建立潮间带的三维高程模型以掌握海岸带的地形演变；通过对瞬时图像和时间堆栈图像进行分析获取波浪参数，通过观察瞬时图像重投影后的俯视图直观地了解波浪方向及其变化特征，记录水面上像素点的灰度变化周期可以得到相应的波浪周期，像素点灰度的时间序列与该点波面的时间序列相位同步、数值成正比，通过比例系数计算该点位置的波高；通过分析垂直于岸线的截面处的时间堆栈图像可以获取波浪爬高的数据。
2.根据权利要求1所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述数字影像采集系统包括数字摄像机，所述数字摄像机与数据传输系统连接并由其供电。
3.根据权利要求2所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述数字影像采集系统还包括固定装置和保护装置，所述固定装置在监测期间固定和保持数字摄像机的位置和姿态，所述保护装置包括防雷模块。
4.根据权利要求1所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述数据存储系统包括保护箱、过电保护装置、网络附属存储，所述网络附属存储与数据传输系统连接，实时接收并储存监测影像。
5.根据权利要求1所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述数据传输系统包括POE交换机和互联网接入设备，所述POE交换机用于组建局域网，所述互联网接入设备用于将系统接入互联网。
6.根据权利要求1所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述监控系统包括现场监控终端、远程监控终端。
7.根据权利要求1所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述数字摄像机预处理过程具体步骤包括：数字摄像机、POE交换机、网络附属存储处于工作状态，通过计算机设定数字摄像机的每日工作时段、采样频率、采样分辨率、存储方案并进行设备时间同步；对数字摄像机进行内参数标定，确定其有效焦距、图像歪斜度、像中心坐标以及畸变系数；
所述系统安装过程具体步骤包括：踏勘拟监测海岸区域，选择安装点，准备安装材料并配备专用电源，连接的各部分，数字摄像机、POE交换机、现场监控终端处于工作状态，网络附属存储不工作，调整数字摄像机到合适的位置和姿态后固定，确保保护装置处于工作状态；
所述数字摄像机外标定过程具体步骤包括：数字摄像机、POE交换机及现场监控终端处于工作状态，以明显标志物在拟监测海岸区域布设地面控制点，地面控制点布设过程在现场监控终端的协调下进行，每台数字摄像机视野范围内至少布设六个地面控制点，并在相邻两数字摄像机视野重叠范围内布设若干地面控制点，在监测系统中抓取地面控制点的数字影像并确定其像素坐标，测取地面控制点的世界坐标系坐标，结合前述数字摄像机预处理过程得到的内参数，建立的像素坐标到世界坐标系的映射关系；
所述海岸监测过程具体步骤包括：数字影像采集系统、数据传输系统、数据存储系统、远程监控终端处于工作状态，数字摄像机实时采集海岸地区数字影像，数据存储系统实时存储，数据传输系统向远程监控终端汇报系统工作状态；
所述数据分析过程具体步骤包括：分析对象主要包括瞬时图像、时均图像、方差图像及时间堆栈图像，时均图像、方差图像及时间堆栈图像均由瞬时图像生成；通过对时均图像和方差图像进行分析获取地形与海岸线参数，通过对瞬时图像和时间堆栈图像进行分析获取波浪参数。
8.根据权利要求1所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法还包括：系统维护过程和系统回收过程。
9.根据权利要求8所述的海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，其特征在于，所述系统维护过程具体步骤包括：据实际设备状况对系统进行定期维护，维护期间，数据存储系统、现场监控终端处于工作状态，现场监控终端将网络附属存储中的数字影像数据导出，根据数字摄像机状态对系统进行外标定更新，弥补长期监测中数字摄像机姿态的改变；
所述系统回收过程具体步骤包括：数字摄像机、网络附属存储、现场监控终端、数据传输系统依次脱离工作状态，数字摄像机从固定装置上拆离，拆卸防雷模块和过电保护装置。
一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及海岸带监测技术领域，具体为一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法。
背景技术
[0002] 海岸处于海洋和陆地的交互作用地带，受到海平面变化、气候变化、波浪与潮汐作用等自然因素和围填海、港口码头建设、人工养滩等多种人为因素的作用而处在复杂和长期的变化中，对海岸地区进行精准、全方面的监测具有重要的工程意义和研究价值。
[0003] 传统的海岸带观测方法一般是将各种仪器设备在特定的时间放置于特定的地点，在较短的时期内对海岸区域中有限的空间点进行观测，很难做到长时期大范围实时的监测。这些在较短时期内获得的有限的代表点的数据在时间和空间尺度上都十分有限，无法准确描述所关注海岸区域多种物理参数的时空分布特征。传统的海岸带观测手段需花费较多的人力、物力和财力，较为低效。在海岸地区常发生剧烈变化的台风、风暴潮等极端天气下，传统观测手段又受限于天气状况而精度较低甚至无法实施。在多种约束下，传统的海岸带观测方法往往难以满足工程和研究需要。
[0004] 随着遥感技术和高分辨率摄像设备的发展，实现对海岸地区更精细化的观测成为可能。因此，有必要针对传统海岸带观测手段的缺陷，研制一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，能够实现海岸地区长期实时的地形、海岸线和波浪参数监测。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，解决传统的海岸带观测手段效率低、受限于极端天气、无法实时监测、获取数据的时间跨度和空间尺度不足的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，所述监测系统包括：数字影像采集系统、数据存储系统、数据传输系统及监控系统，所述数字影像采集系统、数据存储系统和监控系统通过数据传输系统可实现相互通讯；
[0008] 所述监测方法，包括：数字摄像机预处理过程、系统安装过程、数字摄像机外标定过程、海岸监测过程和数据分析过程。
[0009] 优选地，所述数字影像采集系统包括数字摄像机，所述数字摄像机与数据传输系统连接并由其供电。所述数字摄像机支持POE供电，所述数字摄像机与数据传输系统连接并由其供电，所述数字摄像机通过嵌入式实时操作系统控制，按设定的每日工作时段和采样频率采集海岸地区数字影像，通过POE交换机传入数据存储系统和监控系统。
[0010] 优选地，所述数字影像采集系统还包括固定装置和保护装置，所述固定装置在监测期间固定和保持数字摄像机的位置和姿态，所述保护装置包括防雷模块。所述保护装置用于确保位于高处的数字摄像机安全工作。
[0011] 优选地，所述数据存储系统包括保护箱、过电保护装置、网络附属存储，所述网络附属存储与数据传输系统连接，实时接收并储存监测影像。
[0012] 进一步地，所述网络附属存储设置在保护箱内。所述保护箱包括保护箱本体及设置在保护箱本体上的箱门、防晒板、通风孔、散热扇。所述保护箱本体上还设有开口，用于引出网络附属存储的网线和电源线。所述过电保护装置设置在电源线上。所述保护箱在野外环境下为网络附属存储提供防晒、防水、防尘及散热条件。
[0013] 优选地，所述数据传输系统包括POE交换机和互联网接入设备，所述POE交换机用于组建局域网，所述互联网接入设备用于将系统接入互联网。
[0014] 具体地，所述POE交换机将数字摄像机、网络附属存储和现场监控终端组成局域网，所述互联网接入设备包括4G路由器，可在野外环境下将系统接入互联网。
[0015] 优选地，所述监控系统包括现场监控终端、远程监控终端。所述现场监控终端与POE交换机连接，所述远程监控终端通过互联网检查数字摄像机和网络附属存储工作状态、更改监测方案以及获取现场监测数据。
[0016] 进一步地，所述数据存储系统、数据传输系统和现场监控终端通过不间断电源供电，并配备过电保护装置。所述数字摄像机由POE交换机供电。
[0017] 优选地，所述数字摄像机预处理过程具体步骤包括：数字摄像机、POE交换机、网络附属存储处于工作状态，通过计算机设定数字摄像机的每日工作时段、采样频率、采样分辨率、存储方案并进行设备时间同步；对数字摄像机进行内参数标定，确定其有效焦距、图像歪斜度、像中心坐标以及畸变系数；
[0018] 所述系统安装过程具体步骤包括：踏勘拟监测海岸区域，选择安装点，准备安装材料并配备专用电源，连接的各部分，数字摄像机、POE交换机、现场监控终端处于工作状态，网络附属存储不工作，调整数字摄像机到合适的位置和姿态后固定，确保保护装置处于工作状态；
[0019] 所述数字摄像机外标定过程具体步骤包括：数字摄像机、POE交换机及现场监控终端处于工作状态，以明显标志物在拟监测海岸区域布设地面控制点，地面控制点布设过程在现场监控终端的协调下进行，每台数字摄像机视野范围内至少布设六个地面控制点，并在相邻两数字摄像机视野重叠范围内布设若干地面控制点，在监测系统中抓取地面控制点的数字影像并确定其像素坐标，测取地面控制点的世界坐标系坐标，结合前述数字摄像机预处理过程得到的内参数，建立的像素坐标到世界坐标系的映射关系；
[0020] 所述海岸监测过程具体步骤包括：数字影像采集系统、数据传输系统、数据存储系统、远程监控终端处于工作状态，数字摄像机实时采集海岸地区数字影像，数据存储系统实时存储，数据传输系统向远程监控终端汇报系统工作状态；
[0021] 所述数据分析过程具体步骤包括：分析对象主要包括瞬时图像、时均图像、方差图像及时间堆栈图像，时均图像、方差图像及时间堆栈图像均由瞬时图像生成；通过对时均图像和方差图像进行分析获取地形与海岸线参数，通过对瞬时图像和时间堆栈图像进行分析获取波浪参数。
[0022] 具体地，所述数据分析过程具体步骤进一步包括：基于数字摄像机预处理过程和外标定过程所建立的二维到三维空间的映射，将上述图像中的每一个像素点以俯视图重投影至指定高程的水平面上，地形与海岸线参数的获取主要针对时均图像和方差图像进行，将时均图像投影至相同时段的潮位高程上，再通过图像边缘检测即可提取准确的该时段海岸线坐标，对方差图像进行同样的操作则可获得碎浪带及水下沙坝位置，随着潮位在最高潮位与最低潮位之间变动，即可获得一系列相应的海岸线坐标，由此可以建立潮间带的三维高程模型以掌握海岸带的地形演变；波浪参数主要通过分析瞬时图像和时间堆栈图像获取，通过观察瞬时图像重投影后的俯视图可以直观地了解波浪方向及其变化特征，记录水面上像素点的灰度变化周期可以得到相应的波浪周期，像素点灰度的时间序列与该点波面的时间序列相位同步、数值成正比，可通过比例系数计算该位置的波高。通过分析垂直于岸线的截面处的时间堆栈图像可以获取波浪爬高的数据。
[0023] 优选地，所述方法还包括：系统维护过程和系统回收过程。
[0024] 优选地，所述系统维护过程具体步骤包括：据实际设备状况对系统进行定期维护，维护期间，数据存储系统、现场监控终端处于工作状态，现场监控终端将网络附属存储中的数字影像数据导出，根据数字摄像机状态对系统进行外标定更新，弥补长期监测中数字摄像机姿态的改变；
[0025] 所述系统回收过程具体步骤包括：数字摄像机、网络附属存储、现场监控终端、数据传输系统依次脱离工作状态，数字摄像机从固定装置上拆离，拆卸防雷模块和过电保护装置。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对海岸带观测的实际工程和科研需求，设计了一种岸基数字影像监控系统的监测方法，数字影像采集系统实时采集海岸地区数字影像，数据存储系统实时存储影像，数据传输系统将数据和系统状态通过局域网和互联网传输至现场监控终端和远程监控终端，可实现对拟监测海岸区域的长时期大范围实时监测，同时可实现远程通讯。
附图说明
[0027] 图1为根据实施例的本发明的的组成示意图。
[0028] 图2为根据实施例的本发明的海岸带岸基数字影像监测方法的流程示意图。
[0029] 图3为根据实施例的数字摄像机的安装示意图。
[0030] 图4为根据实施例的数字摄像机水平视野分布图。
[0031] 图5为根据实施例的数据存储系统的安装示意图。
[0032] 图6(a)至(b)为根据实施例的两种可行的地面标志物的示意图。
[0033] 图7为根据实施例的本发明数据分析过程的流程图。
具体实施方式
[0034] 下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 本发明提供一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，适用于多种海岸类型的长期实时监测，结合拟监测海岸类型和实地条件，可有不同的实地构建方法，以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行进一步描述。
[0036] 本发明针对海岸地区工程及科研的长期实时地形、海岸线和波浪参数观测需求，提供了一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法。
[0037] 作为一种实施方式，参考图1所示，一种海岸带岸基数字影像监测系统的监测方法，所述监测系统包括数字影像采集系统、数据传输系统、数据存储系统和监控系统；所述监测方法，包括：数字摄像机预处理过程、系统安装过程、数字摄像机外标定过程、海岸监测过程和数据分析过程。所述数字影像采集系统包括数字摄像机、固定装置和保护装置，所述数据传输系统包括POE交换机和互联网接入设备，所述数据存储系统包括保护箱、过电保护装置和网络附属存储，所述监控系统包括现场监控终端和远程监控终端。数字摄像机、POE交换机、网络附属存储、现场监控终端组成局域网，设备间可实现相互通讯，并由4G路由器通过互联网与远程监控终端通讯。所述数据存储系统、数据传输系统和现场监控终端通过不间断电源供电，并配备过电保护装置。
[0038] 具体地，所述数字摄像机支持POE供电，所述数字摄像机与POE交换机连接并由其供电，所述数字摄像机通过嵌入式实时操作系统控制，按设定的每日工作时段和采样频率采集海岸地区数字影像，通过POE交换机传入数据存储系统和监控系统。所述固定装置在监测期间固定和保持数字摄像机的位置和姿态，所述保护装置包括防雷模块。所述保护装置用于确保位于高处的数字摄像机安全工作。
[0039] 具体地，所述网络附属存储与POE交换机连接，实时接收并储存监测影像。如图5所示，所述网络附属存储设置在保护箱内。所述保护箱包括保护箱本体及设置在保护箱本体上的箱门、防晒板、通风孔、散热扇。所述保护箱本体上还设有开口，用于引出网络附属存储的网线和电源线。所述过电保护装置设置在电源线上。所述保护箱在野外环境下为网络附属存储提供防晒、防水、防尘及散热条件。
[0040] 具体地，所述POE交换机将数字摄像机、网络附属存储和现场监控终端组成局域网，所述互联网接入设备包括4G路由器，可在野外环境下将系统接入互联网。
[0041] 具体地，所述现场监控终端与POE交换机连接，所述远程监控终端通过互联网检查数字摄像机和网络附属存储工作状态、更改监测方案以及获取现场监测数据。
[0042] 作为一种实施方式，参考图2所示，一种海岸带岸基数字影像监测方法，采用所述的岸基数字影像检测系统实现，包括数字摄像机预处理过程，系统安装过程，数字摄像机外标定过程，海岸监测过程，系统维护过程，数据分析过程及系统回收过程。
[0043] 所示数字摄像机预处理过程通过计算机设定数字摄像机的每日工作时段、采样频率、采样分辨率、存储方案并进行设备时间同步；数字摄像机的内参数标定使用张正友标定法，确定其有效焦距、图像歪斜度、像中心坐标以及畸变系数，这些相机参数在整个监测期间不发生变化。
[0044] 所示系统安装过程以如下方式实施：勘察现场条件，选取合适的数字摄像机固定点，固定点应具有适当的高度使数字摄像机在监测海岸地区时有一定的俯视视角，图3展示了一种将数字摄像机固定于海岸灯塔的方式。其中，灯塔平台上设有固定支座，多个数字摄像机通过铆钉或其他固定工具固定安装在固定支座上，数字摄像机的网线从灯塔平台的下方引出，用于连接POE交换机。数字摄像机固定后，连接数字摄像机、POE交换机、现场监控终端，调节数字摄像机的姿态，参考图4所示，数字摄像机的视野在水平向上呈扇形分布，视野覆盖角度超过180度，相邻两相机有一定的视野重叠，在垂向上保持天际线在视野范围内，拟监测区域落在视野中心。布置避雷设施。参考图5，数据存储系统置于灯塔底座，在野外环境下数据存储系统应配备保护箱及过电保护装置，网络附属存储与POE交换机连接。4G路由器与POE交换机连接，实现与远程监控终端通讯。
[0045] 所述数字摄像机外标定过程以如下方式实施：以现场监控终端访问数字摄像机实时监测画面，协调地面控制点的布放，地面控制点在拟监测海岸区域以区别于背景的明显标志物标示，图6(a)至(b)展示了两种地面标志物，分别以旗杆底部和黑白框中心交点标示地面控制点。抓取含有所有标志物的数字影像，确定其像素坐标，同时测取其世界坐标。每台摄像机视野中地面控制点不少于六个，尽可能散布于视野中。结合前述数字摄像机预处理过程所得内参数，求解相机成像模型的共线方程，建立像素坐标与世界坐标的映射关系。
[0046] 所述海岸监测过程以如下方式实施：数字摄像机、数据传输系统、数据存储系统、远程监控终端开启，系统处于稳定工作状态，数字摄像机实时采集海岸地区数字影像，传入网络附属存储，用户通过远程监控终端检查系统工作状态并根据实际需要调整影像采集方案。
[0047] 受海岸地区复杂的自然和人为因素影响，数字摄像机的位置和姿态在监测期间可能发生变动，且网络附属存储空间是有限的，对系统维护过程的实施涉及对数字摄像机外标定和存储数据的转移等。存储数据转移以月为周期，现场监控终端与POE交换机连接，访问网络附属存储，导出其中数字影像资料。外标定以年为周期，实施步骤同前所述。
[0048] 参考图7所示，数据分析过程对获得的数字影像资料进行图像分析，主要涉及对瞬时图像、时均图像、方差图像及时间堆栈图像的分析。时均、方差及时间堆栈图像均由瞬时图像生成，时均图像可以过滤一些噪声的影响而突出一段时间内不变的物体，方差图像则突出变化较大的物体，时间堆栈图像可看出一些参数随时间的变化情况。基于数字摄像机预处理过程和外标定过程所建立的二维到三维空间的映射，可以将数字影像中的每一个像素点以俯视图重投影至指定高程的水平面上。地形与海岸线参数的获取主要针对时均图像和方差图像进行，将时均图像投影至相同时段的潮位高程上，再通过图像边缘检测即可提取准确的该时段海岸线坐标，对方差图像进行同样的操作则可获得碎浪带及水下沙坝位置。随着潮位在最高潮位与最低潮位之间变动，获得一系列相应的海岸线坐标，由此可以建立潮间带的三维高程模型以掌握海岸带的地形演变。波浪参数主要通过分析瞬时图像和时间堆栈图像获取，通过观察重投影后的俯视图可以直观地了解波浪方向及其变化特征，记录水面上像素点的灰度变化周期可以得到相应的波浪周期。像素点灰度的时间序列与该点波面的时间序列相位同步、数值成正比，可由比例系数计算该位置的波高。通过分析垂直于岸线的截面处的时间堆栈图像可以获取波浪爬高的数据。
[0049] 监测期结束后，实施系统回收过程，数字摄像机、网络附属存储、现场监控终端、数据传输系统依次脱离工作状态，数字摄像机从固定装置上拆离，拆卸前述防雷设施与网络附属存储保护设施。
[0050] 本发明所述一种及方法与传统海岸带观测手段相比有较为明显的优势，可实现对海岸地区地形、海岸线和波浪参数的长期实时观测，目前在实际退港还海工程和科研项目中已有良好运用。
[0051] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
