一种地下水中污染物的监测方法及系统

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种地下水中污染物的监测方法及系统。

背景技术

水是人类和所有生命体都离不开的一种生存环境要素，地下水是水资源中不可缺少的重要组成部分。近几十年来，多种形式的人类活动使各种污染物增加和扩散，铺设不渗水或半渗水的路面又使自然地下水的补给速度降低，从而导致地下水中污染物的集中。地下水污染物形态结构及运移规律的研究对水资源的保护利用与地质灾害的预警防护具有重要的意义。由于地下水的环境复杂和难以实施，目前无法对地下水环境中水-土-岩交界区存在的污染物形态及其寄生环境进行实时监测分析。

发明内容

本发明通过提供一种地下水中污染物的监测方法及系统，解决了现有技术中无法对地下水环境中水-土-岩交界区存在的污染物形态及其寄生环境进行实时监测分析的技术问题，实现了能够对地下水环境中水-土-岩交界区存在的污染物形态及其寄生环境进行实时监测分析的技术效果。

本发明提供了一种地下水中污染物的监测方法，包括：

获取B超成像图像；

根据所述B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分所述B超成像图像中的水、土、岩；

通过实时监测所述B超成像图像中的水、土、岩的变化情况来监测床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况；

根据所述床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况确定地下水中污染物的所在范围和大小以及所述地下水中污染物的运移路径方向。

进一步地，所述获取B超成像图像，包括：

将B超探测设备的探头设置在现场水表面下进行观测，获得所述B超成像图像。

进一步地，所述根据所述B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分所述B超成像图像中的水、土、岩，包括：

根据所述B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算出每个局部区域像素值的高斯加权平均值；

将计算出的每个局部区域像素值的高斯加权平均值与预设的高斯加权平均值数据库中的阈值进行比较，划分出所述B超成像图像中的水、土、岩。

进一步地，在所述获取B超成像图像之后，还包括：

将相邻两帧的B超成像图像进行差运算，得到每两帧图像之间的差图像；

下一帧图像依次减去两帧图像之间的差图像，得到目标图像。

进一步地，在所述得到目标图像之后，还包括：

对所述目标图像采用自适应阈值分割和形态学滤波处理，得到增强后的水中污染物B超成像图像。

本发明还提供了一种地下水中污染物的监测系统，包括：

图像获取模块，用于获取B超成像图像；

运算模块，用于根据所述B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分所述B超成像图像中的水、土、岩；

记录模块，用于通过实时监测所述B超成像图像中的水、土、岩的变化情况来监测床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况；

分析模块，用于根据所述床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况确定地下水中污染物的所在范围和大小以及所述地下水中污染物的运移路径方向。

进一步地，所述图像获取模块，具体用于通过B超探测设备获取B超成像图像。

进一步地，所述运算模块，包括：

计算单元，用于根据所述B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算出每个局部区域像素值的高斯加权平均值；

比较单元，用于将计算出的每个局部区域像素值的高斯加权平均值与预设的高斯加权平均值数据库中的阈值进行比较，划分出所述B超成像图像中的水、土、岩。

进一步地，还包括：图像处理模块，用于将相邻两帧的B超成像图像进行差运算，得到每两帧图像之间的差图像；下一帧图像依次减去两帧图像之间的差图像，得到目标图像。

进一步地，还包括：图像增强模块，用于对所述目标图像采用自适应阈值分割和形态学滤波处理，得到增强后的水中污染物B超成像图像。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

获取B超成像图像；根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分B超成像图像中的水、土、岩；通过实时监测B超成像图像中的水、土、岩的变化情况来监测床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况；根据床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况确定地下水中污染物的所在范围和大小以及所述地下水中污染物的运移路径方向，从而实现了对地下水环境中水-土-岩交界区存在的污染物形态及其寄生环境的实时监测分析。

附图说明

图1为本发明实施例提供的地下水中污染物的监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的地下水中污染物的监测方法中获取B超成像图像的示意图；

图3为本发明实施例提供的地下水中污染物的监测系统的模块图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种地下水中污染物的监测方法及系统，解决了现有技术中无法对地下水环境中水-土-岩交界区存在的污染物形态及其寄生环境进行实时监测分析的技术问题，实现了能够对地下水环境中水-土-岩交界区存在的污染物形态及其寄生环境进行实时监测分析的技术效果。

在对本发明实施例进行说明之前，先对本发明实施例中的地下水中污染物进行具体说明：

在地下河或洞穴内的暗河中，从表面上看十分平静，但内部和河底水流湍急，并可能会存在一些洞穴生物或浮游生物以及污染物和次污染物等团状或絮状有形污染物。这些除了正常的水和岩土之外有形状的实物，包括可能存在的生命体，这里统称为污染物。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

把便携式B超仪的凸阵探头直接放置在现场水表面下侧进行观测分析，获得现场地下河或洞穴内水体和水中污染物以及水下岩土体浅表层的B超视频图像。分析识别视频图像中水中污染物的形态特征和底部岩土体的成像亮带，比如异常斑点或条纹的形状和移动变化规律。通过分析监测这些斑点或亮带特征的变化情况，从而实现地下水水体污染物的可视化分析与运移变化情况的检测跟踪，以及水下岩土体地下地貌及其变化情况的实时监测。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供的地下水中污染物的监测方法，包括：

步骤S110：获取B超成像图像；

对本步骤进行具体说明，获取B超成像图像，包括：

将B超探测设备的探头设置在现场水表面下进行观测，获得B超成像图像，如图2所示。

在本实施例中，B超探测设备为B型超声凸阵实时显像仪(TY-6858-I)或Apogee1100全数字彩色多普勒超声诊断系统。

步骤S120：根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分B超成像图像中的水、土、岩；

对本步骤进行具体说明，根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分B超成像图像中的水、土、岩，包括：

根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算出每个局部区域像素值的高斯加权平均值；

将计算出的每个局部区域像素值的高斯加权平均值与预设的高斯加权平均值数据库中的阈值进行比较，划分出B超成像图像中的水、土、岩。

具体地，预设的高斯加权平均值数据库中存储水、土、岩各自对应的高斯加权平均值阈值，将计算出的每个局部区域像素值的高斯加权平均值与数据库中存储的高斯加权平均值阈值进行比对，通过比对结果划分出B超成像图像中的水、土、岩。

为了提高地下水中污染物的监测精度，在获取B超成像图像之后，还包括：

将相邻两帧的B超成像图像进行差运算，得到每两帧图像之间的差图像；

下一帧图像依次减去两帧图像之间的差图像，得到目标图像。

在这种情况下，根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值，包括：

根据目标图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值。

为了能够进一步提高地下水中污染物的监测精度，在得到目标图像之后，还包括：

对目标图像采用自适应阈值分割和形态学滤波处理，得到增强后的水中污染物B超成像图像。

在本实施例中，自适应阈值分割方法采用了opencv库中的adaptiveThreshold函数。形态学滤波方法采用膨胀运算和腐蚀运算之差的方式，以突显出团状污染物的边缘形态，随后采用漫水填充的方法来连接图像中的污染物区域。最后在此基础上，对团状污染物的区域面积和形态特征进行统计分析。

在这种情况下，根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值，包括：

根据增强后的水中污染物B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值。

步骤S130：通过实时监测B超成像图像中的水、土、岩的变化情况来监测床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况；

步骤S140：根据床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况确定地下水中污染物的所在范围和大小以及地下水中污染物的运移路径方向。

根据地下水中污染物的所在范围和大小以及地下水中污染物的运移路径方向，研究水作用下水-土-岩之间的互相作用机理和转化趋势，以防止人类活动对地下水及岩土结构的进一步破坏和影响。

参见图3，本发明实施例提供的地下水中污染物的监测系统，包括：

图像获取模块100，用于获取B超成像图像；

具体地，图像获取模块100，具体用于通过B超探测设备获取B超成像图像。

在本实施例中，B超探测设备为B型超声凸阵实时显像仪(TY-6858-I)或Apogee1100全数字彩色多普勒超声诊断系统。

运算模块200，用于根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算每个局部区域像素值的高斯加权平均值来划分B超成像图像中的水、土、岩；

具体地，运算模块200，包括：

计算单元，用于根据B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算出每个局部区域像素值的高斯加权平均值；

比较单元，用于将计算出的每个局部区域像素值的高斯加权平均值与预设的高斯加权平均值数据库中的阈值进行比较，划分出B超成像图像中的水、土、岩。

具体地，预设的高斯加权平均值数据库中存储水、土、岩各自对应的高斯加权平均值阈值，将计算出的每个局部区域像素值的高斯加权平均值与数据库中存储的高斯加权平均值阈值进行比对，通过比对结果划分出B超成像图像中的水、土、岩。

为了提高地下水中污染物的监测精度，还包括：

图像处理模块，用于将相邻两帧的B超成像图像进行差运算，得到每两帧图像之间的差图像；下一帧图像依次减去两帧图像之间的差图像，得到目标图像。

在这种情况下，计算单元，具体用于根据目标图像中不同区域的亮度分布情况，计算出每个局部区域像素值的高斯加权平均值。

为了能够进一步提高地下水中污染物的监测精度，还包括：

图像增强模块，用于对目标图像采用自适应阈值分割和形态学滤波处理，得到增强后的水中污染物B超成像图像。

在本实施例中，自适应阈值分割方法采用了opencv库中的adaptiveThreshold函数。形态学滤波方法采用膨胀运算和腐蚀运算之差的方式，以突显出团状污染物的边缘形态，随后采用漫水填充的方法来连接图像中的污染物区域。最后在此基础上，对团状污染物的区域面积和形态特征进行统计分析。

在这种情况下，计算单元，具体用于根据增强后的水中污染物B超成像图像中不同区域的亮度分布情况，计算出每个局部区域像素值的高斯加权平均值。

记录模块300，用于通过实时监测B超成像图像中的水、土、岩的变化情况来监测床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况；

分析模块400，用于根据床面地形和岩土体内部水土岩交界面的变化情况确定地下水中污染物的所在范围和大小以及地下水中污染物的运移路径方向。

1、将相邻两帧的B超成像图像进行差运算，得到每两帧图像之间的差图像；下一帧图像依次减去两帧图像之间的差图像，得到目标图像，提高了地下水中污染物的监测精度。

2、对目标图像采用自适应阈值分割和形态学滤波处理，得到增强后的水中污染物B超成像图像，进一步提高了地下水中污染物的监测精度。

3、现代B超仪广泛采用了数字声束合成技术，显著改善了声束聚焦特性，提高了图像的分辨率。而且，B超可以清晰地获得水中直径小至0.05mm沙粒的光斑图像，并实现水中沙粒光斑浓度的分析和水底床面地形的测量，因此，本发明实施例可以采用全数字型B超仪并适当提高超声波的频率，这显著提高了水下污染物及底部岩土体的B超成像质量和成像精度，从而实现了水中污染物的精确监测。

本发明实施例在扩展应用医用B超成像技术的基础上，着重研究地下水环境及水下岩土体的B超成像特征以及它们之间的内在关系和应用价值，并从B超成像特征、特征分析提取和内在关系三个方面依次展开研究。首先，利用B超仪对地下水体和水下岩土体进行B超成像，获取大量的水体及水下岩土体剖面的B超视频图像；其次，针对B超视频图像中的特征和结构，分析水体及水中污染物和水下岩土体浅表层的B超成像特征，并识别提取这些图像特征，包括水中污染物的形态特征、运移特征和水下岩土体浅表层的结构特征及其变化趋势特征；最后，充分利用现场环境数据和相关地质资料，对比分析B超图像特征与水体、水中污染物和水下岩土体之间的对应关系，从而研究地下水及污染物的实时监测方法、研究岩土体的宏细观结构特征，继而研究水作用下水-土-岩之间的互相作用机理和转化趋势，以防止人类活动对地下水及岩土结构的进一步破坏和影响，这对岩土、地质、环境保护以及减灾防灾等工程都具有重要的研究意义和应用价值。本发明实施例对水下污染物及污染物的探测精度为1毫米，能够实时监测地下水中有形污染物及其运移情况，检测跟踪精度可达1mm/s。本发明实施例为地下水污染与地质灾害的前期预防提供了一种新的技术手段。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。