本论文是在中-俄(NSFC-RFBR)国际(地区)合作与交流项目：“基于空气、冰与水的物理特性测量冰厚度与力学强度的理论与试验研究(课题编号：60811120556)”、高等学校博士学科点博导类专项科研基金项目：“基于空气、冰与水的物理特性差异检测方法在冰水情信息全天候自动监测领域的应用机理研究(课题编号：20091402110004)”、中国水电工程顾问集团公司中南勘测设计研究院水情水调工程公司技术开发项目“R-T冰水情自动检测传感器”以及黄河水利委员会黄河水利科学研究院技术开发项目“黄河冰情自动监测系统研发与现场试验”资助下进行的一项冰水情冰凌图像监测技术应用研究。作为中华民族的母亲河,黄河孕育了五千年的华夏文明。从古至今,“伏汛好抢,凌汛难防”就是黄河治理的真实写照。近年来,黄河沿岸地区人民的生命和财产安全都因黄河凌汛灾害而饱受巨大损害和严重威胁,防凌工程迫在眉睫。虽然冰凌是在春季河道解冻开河时表现的一种自然现象,但它的形成与多种自然条件有关,特别是河道封冻期间的冰层厚度,水位,流速等。因此,能够实现对黄河河道封冻与融化期间的河道冰水情信息以及开河时冰凌图像的连续自动监测,从而为防凌工程提供连续、完整的冰水情及冰凌图像信息,对黄河冰凌灾害预报系统的建设有着极其重大的意义。论文作者通过查阅大量文献资料并多次到黄河河道现场进行考察调研,采取将冰水情测报与冰凌图像监测系统组合集成,融合了冰情现场数据采集、3G移动通信、云台远程控制以及冰凌图像数据处理等技术,设计研制出一套具有对黄河冬季河道冰水情与冰凌图像信息自动获取功能的远程监测系统,实现了对黄河河道断面的“深度”和“广度”全面监测。本论文的研究内容主要包括以下几个方面：1.通过大量文献的查阅,研究总结国内外冰水情及冰凌图像监测发展的现状,针对黄河内蒙蒲滩拐河道的现场实际情况,选用R-T(电阻-温度梯度)冰层厚度传感器完成了对黄河河道断面冰层内部物理状态的实时测量,实现了黄河河道冰水情的“深度”检测；同时,通过对现有移动通信方式的分析研究,结合蒲滩拐实际情况,设计选用了基于3GCDMA20001x-EvDO的冰凌图像监测系统,实现了对黄河河道冰凌图像的实时监测,即实现了黄河河道冰凌图像的“广度”监测。2.对原有基于GPRS的冰凌图像测报系统在工程应用中暴露出的问题进行分析和研究,将通信网络由GPRS升级为3G,改进了冰凌图像的传输速率以及图像清晰度；设计添加了云台远程控制冰凌图像采集系统,实现了对现场冰凌图像监测范围的远程自动切换与控制。3.针对黄河现场情况,通过分析计算,设计了相应的太阳能供电系统,改进了冰厚传感器原有安装方法,实现了黄河从冰冻封河到融化开河期间对冰水情与冰凌图像数据的完整监测。4.为了满足对黄河冰凌图像数据处理的需求,在分析了现有图像分割算法的基础上,提出并编写了“基于亮度均衡的图像闽值分割算法”,该算法可将系统获得的冰凌图像数据中冰凌和河水部分进行分割,进而可以计算出被监测河道对应的冰凌分布密集度。2010年11月到2011年3月,本论文研究设计的“黄河河道冰水情及冰凌图像监测系统”成功应用于黄河蒲滩拐河道。5个多月的试验运行表明：系统运行状态良好,完成了对黄河河道冰水情(冰下水位、冰面高度、冰层厚度)的“深度”检测以及通过云台控制完成对黄河河道冰凌图像的按需“广度”监测。首次实现了对黄河河道时间上(由冰冻封河到融化开河期间)和空间上(“深度”和“广度”)的完整全面监测。此外,通过对试验现场设备运行状态和后期数据处理结果的分析,暴露出系统设计中还存在着一些不足和有待解决的技术问题,需要在今后的研究中进一步加以改进、完善与提高。
