劉德龍，李 夏2，李 騰3，馮賓春，王明軍

(1.中國水利水電科學研究院，北京，100038；2.水利部信息中心，北京，100044；3.四川省水利科學研究院，成都，610072)

1 研究背景

水利部貫徹落實“十九大”和習總書記重要講話精神，確定“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的新時代水利改革發(fā)展總基調(diào)，對水利信息化提出了明確的“補短板”要求。水利信息化水平的提檔升級離不開水利管理對象及水利管理活動的數(shù)字化，也就是說需要全面掌握和反映水利管理對象及水利管理活動的基本信息和動態(tài)信息，這是基礎也是前提，但是目前距離解決水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災害四大水問題實現(xiàn)透徹感知的要求相差甚遠[1]。

另一方面，視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測、導航定位、輿情監(jiān)控、智能解譯與識別等新技術和機器人、無人機、無人船、衛(wèi)星等新型自動觀測設備已廣泛應用到各行各業(yè)，在擴大監(jiān)測范圍、及時掌握第一手資料方面取得了突出成效。水利行業(yè)雖然也進行了初步嘗試和應用，但在應用的廣度和深度方面仍明顯不足，對強監(jiān)管的支撐力度遠遠不夠。由于水利管理對象點多面廣且高度分散，具有自身特點，在新技術和新設備推廣應用的過程中也存在一些新的問題和難點亟待解決。

2 研究目的

針對智慧水利全面感知關鍵技術環(huán)節(jié)開展深入專題研究，在已有水文監(jiān)測站網(wǎng)、水利工程工情監(jiān)測站網(wǎng)、水土保持監(jiān)測站網(wǎng)等傳統(tǒng)監(jiān)測站網(wǎng)的基礎上，梳理江河湖泊、水利工程、水利管理活動三大類水利感知對象實現(xiàn)全面透徹感知面臨的難點問題和薄弱環(huán)節(jié)，解決傳統(tǒng)采集設備“測不到、測不準、測得慢、成本高”的難題。

3 研究內(nèi)容

3.1 小型水庫綜合感知技術

3.1.1 天氣雷達雨量估測技術

多普勒天氣雷達是以多普勒效應為工作原理的一種新型相干雷達，其主要工作原理為：當降水粒子相對于雷達發(fā)射波束進行相對運動時，可以測定接收信號與發(fā)射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。也就是說，天氣雷達間歇性地向空中發(fā)射電磁波(稱為脈沖式電磁波)，該種電磁波以近于直線的路徑和接近光波的速度在大氣中傳播，在傳播的路徑上，若遇到氣象目標物發(fā)生散射，散射返回雷達的電磁波(稱為回波信號，也稱為后向散射)，在熒光屏上顯示出氣象目標的空間位置等特征。運用這種原理，可以測定出散射體相對于雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度分布以及端流情況等。

多普勒天氣雷達能夠探測到垂直于地面上空8km～12km中的對流層正在發(fā)生的變化，測定云的移動速度，對于降水形成研究、中小尺度天氣系統(tǒng)分析以及強對流天氣警戒等都具有十分重要的作用。目前，多普勒天氣雷達主要應用于對災害性天氣，尤其是與雹災和風災伴隨發(fā)生的災害性天氣的監(jiān)測與預警。同時，它還可以進行較大區(qū)域范圍的定量降水估算，獲取降水云體風場結構。

雷達設備工作時，通過發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一定功率的脈沖能量，經(jīng)過饋線部分到達天線，向空間定向輻射；天線定向輻射的電磁波能量遇到降水等目標時，便會產(chǎn)生散射，其中后向散射的一部分形成回波信號被天線接收；天線接收到降水等目標回波信號，經(jīng)過饋線部分傳輸?shù)浇邮障到y(tǒng)；接收系統(tǒng)將回波信號進行放大、混頻、轉換等處理后送往信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)對回波信號作數(shù)字中頻信號處理后形成正交信號，并對其作平均處理、地物對消濾波處理，得到反射率的估測值即強度，通過脈沖對處理或快速傅里葉變換處理，從而得到散射粒子群的平均徑向速度和速度的平均起伏即速度譜寬，通過處理雙極化數(shù)據(jù)得到差分反射率、差傳播相移、零滯后相關系數(shù)等雷達原始監(jiān)測信息。雨量雷達通過計算雷達回波信號強度來推算氣象目標的實際物理狀況，通過雷達氣象方程，建立雷達平均接收功率與雷達反射因子的關系，而與觀測區(qū)域內(nèi)的降水強度存在一定的關系，因此，可通過雨量雷達測量的回波信號強度推算出實際的降水強度。

3.1.2 基于區(qū)域的小型水庫群感知技術

對于市縣級水行政主管部門所轄小型水庫，可以基于一定區(qū)域的小型水庫群，統(tǒng)籌組織、實施、管理本行政轄區(qū)內(nèi)小型水庫安全監(jiān)測和運行監(jiān)測設施建設、安全監(jiān)測設施運行管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析整編等工作。以行政區(qū)域內(nèi)小型水庫群整體為監(jiān)管對象，優(yōu)先采用適合區(qū)域整體監(jiān)管的監(jiān)測技術，在降水量監(jiān)測方面采用基于雷達-雨量計聯(lián)合實時校準測量技術、壩體變形監(jiān)測采用GNSS+InSAR技術[2]，其他監(jiān)測要素采用與一般小型水庫監(jiān)測方案相同的策略在庫區(qū)和流域現(xiàn)場布置。鑒于我國氣象部門已建有較為完善、覆蓋我國大部分區(qū)域的天氣雷達網(wǎng)，且天氣雷達組網(wǎng)運行在消除地形阻擋誤差等誤差方面具有明顯優(yōu)勢，轄區(qū)內(nèi)降水量數(shù)據(jù)采用從氣象部門共享方式獲取，不再新設置降水量監(jiān)測設施。另外GNSS壩體變形監(jiān)測需要設置監(jiān)測基準站，可根據(jù)轄區(qū)水庫分布情況下，全區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃監(jiān)測基準站，各水庫現(xiàn)場GNSS監(jiān)測站可以共享鄰近區(qū)域內(nèi)的GNSS基準站。

基于區(qū)域的小型水庫感知技術在應用場景分類和感知要素方面與一般小型水庫監(jiān)測方案相同，其中壩體變形監(jiān)測采用GNSS+InSAR技術、降水量監(jiān)測采用天氣雷達+雨量計聯(lián)合實時校準技術，因此在組網(wǎng)方面，除降水量(通過與氣象部門共享數(shù)據(jù))和InSAR監(jiān)測的壩體變形量直接傳送到云平臺外，其他監(jiān)測數(shù)據(jù)及其聯(lián)網(wǎng)與傳輸方式與一般小型水庫監(jiān)測方案相同。降水量監(jiān)測統(tǒng)一由氣象部門天氣雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取，水庫集水流域內(nèi)現(xiàn)場監(jiān)測僅需布置雷達水位計即可。庫區(qū)內(nèi)監(jiān)測基于同樣的考慮，現(xiàn)場不需布置降水量監(jiān)測設備，同時通過InSAR監(jiān)測可以全面掌握壩體變形分布，因此，GNSS變形監(jiān)測點可適當減少。

3.2 旱情立體感知技術

綜合旱情要素一體化感知技術即在墑情實時感知的同時，能夠同時監(jiān)測雨量、風速、大氣溫度、空氣濕度、多層土壤濕度、地表溫度、冠層溫度等要素，且具有大范圍視頻攝像功能，并實現(xiàn)該儀器設備固定站無人值守情況下的土壤墑情數(shù)據(jù)的自動采集和無線傳輸、移動站數(shù)據(jù)自動采集和無線傳輸，支持數(shù)據(jù)人工錄入及網(wǎng)絡傳輸，以便為其他應用系統(tǒng)的決策分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該一體化感知儀器要具有穩(wěn)定性、低耗性、較強的環(huán)境適應性，能夠連續(xù)工作并保證數(shù)據(jù)采集精度，可實現(xiàn)自動化、無人化、多要素綜合感知。

圖1 墑情感知結構示意

天-空-地多源旱情感知信息融合技術的內(nèi)容是遙感數(shù)據(jù)、無人機航拍數(shù)據(jù)、低空視頻圖像數(shù)據(jù)和地面站點監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合和綜合應用。利用遙感數(shù)據(jù)與實時航拍數(shù)據(jù)的快速解譯、融合和應用技術，增強其時效性與數(shù)據(jù)準確性；通過低空區(qū)域視頻圖像和站點監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合利用，解決其代表性問題；通過天-空-地多源信息的融合，綜合解決感知信息的精度和時效性問題，實現(xiàn)立體化旱情信息綜合感知[3]。

3.3 灌區(qū)全面監(jiān)控技術

3.3.1 精準量測水技術

灌區(qū)量測水是一項基礎的、關鍵性的技術，是灌區(qū)管理部門進行正確引水、輸水和水量調(diào)配的主要手段，為實現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置和現(xiàn)代化提供基礎資料。精準的量測水可為灌區(qū)管理中的計劃、引水、調(diào)度、評價和驗證提供可靠數(shù)據(jù)支持。

(1)計劃：測算年月日不同時段渠道水位流量變化過程，為編制渠系用水計劃提供依據(jù)；

(2)引水：根據(jù)用水計劃和水量調(diào)配方案，及時準確地從水源引水，并配水到各用水單元；

(3)調(diào)度：為灌區(qū)實施用水“總量控制”、“定額管理”、“按方計費”等提供依據(jù)；

(4)評價：分析評價灌水質(zhì)量和灌溉效率，修正供配水方案，指導和改進用水管理工作；

(5)驗證：驗證和核定渠系建筑物輸水能力和輸水損失，為灌區(qū)改建擴建等提供規(guī)劃設計等基本資料。

灌區(qū)量測水的感知終端包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和后備電源，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集、處理、存儲及保護。數(shù)據(jù)采集由模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊組成，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集。數(shù)據(jù)處理是包含數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)存儲保護、數(shù)據(jù)通訊控制等模塊的單片機應用系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集終端允許的條件下，對采集到的數(shù)據(jù)做適當?shù)倪\算處理，并對其進行可靠保護，為數(shù)據(jù)通訊做好準備。

灌區(qū)量測水感知終端中可提取的主要感知要素包括流量、總水量、水位、水質(zhì)、降水量等信息。不同應用場合的流量監(jiān)測方法不同。明渠中的流量監(jiān)測是間接測量，不能直接測得流量，而是要測量水位、水深、斷面起點距、流速等多個要素，然后用數(shù)學模型計算得到流量。因而流速、水位、水深、起點距成為直接的監(jiān)測要素。用于滿管管道流量測量的管道流量計，直接測得流量數(shù)據(jù)。用于非滿管管道流量測量的管道流量測量設施，也屬于間接測量，需要測量水位、流速，然后用數(shù)學模型計算得到流量。灌區(qū)取用水監(jiān)測得到的是在某一時段內(nèi)，流過明渠或管道測流斷面的水量，即以水的體積計量的總水量(累積水量)，需測量流量隨時間的變化過程，從而得到總水量。

3.3.2 機電設備的遠程一體化自動控制技術

智慧化管理的灌區(qū)，在實現(xiàn)精準量測水的前提下，可實行科學按需供水。水量分配的過程可通過對灌區(qū)內(nèi)閘閥泵的遠程自動化控制實現(xiàn)。根據(jù)調(diào)度管理中心的水量分配指令，通過遠程控制水源處的取水口閘門啟閉和閘門開度或泵站流量調(diào)節(jié)等，以及各級渠系管道閘閥泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)科學精準的水量控制。灌區(qū)感知體系通過獲取閘閥泵的工情信息，通過灌區(qū)控制網(wǎng)下發(fā)控制指令，實現(xiàn)對灌域內(nèi)設備的遠程自動化控制。

對于干渠及其它重要的大型閘門、泵站等設施，通過以太網(wǎng)環(huán)境下的計算機監(jiān)控實現(xiàn)各閘門、泵站電機與輔助設備的現(xiàn)地和遠程操作，運行參數(shù)的實時監(jiān)測、現(xiàn)場運行過程的動態(tài)模擬，實現(xiàn)各閘泵的遙測遙控及輸配水自動化?？蓪ζ溥M行實時控制，完成對設備參數(shù)和運行工況的實時監(jiān)測，有效地提高設備的可靠性和自動化水平與管理，改善管理人員的工作條件。遠程集控分中控室的站控級監(jiān)控和現(xiàn)地控制單元LCU。站控級SCADA系統(tǒng)采集現(xiàn)地控制單元LCU的信息，并發(fā)送指令給現(xiàn)地控制單元LCU，實現(xiàn)集中自動控制?？刂颇Ｊ街饕ㄟh程調(diào)度、現(xiàn)地自動控制及現(xiàn)地手動控制。控制權分現(xiàn)場監(jiān)控室、現(xiàn)地控制兩級，主、備工作站計算機系統(tǒng)可以進行無擾動切換。控制權優(yōu)先順序為“現(xiàn)地控制、現(xiàn)場監(jiān)控室”?，F(xiàn)地設備均配備手動/自動切換的操作按鈕，當上位機和LCU出現(xiàn)異常(如：通訊中斷等)或在檢修試驗時，實現(xiàn)現(xiàn)地開停機操作。

基于灌區(qū)組網(wǎng)技術，選用動力可靠、室外環(huán)境可用、精度高的一體化測控設備。支渠及以下渠道閘群自動控制和過閘流量在線監(jiān)測，可通過全部安裝測控一體化閘門的方式，實現(xiàn)對已安裝相關設施的渠道進行全渠自動控制。測控一體化閘門是依據(jù)水力學原理設計，集測、控于一體的新型閘門，它具有流量計量精度高、良好的水位控制特性，在基于開放式的標準IT技術和SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)平臺基礎上，將傳統(tǒng)人工操作、輸水損失較大的明渠灌溉系統(tǒng)轉換成反應迅速、高效靈活的全渠道自動一體化遙測和遙控系統(tǒng)。

3.3.3 精確灌溉感知關鍵技術

基于智能化高效節(jié)水灌溉工程項目區(qū)的氣象、墑情及農(nóng)作物需水情況，通過灌溉決策系統(tǒng)模型，產(chǎn)生最優(yōu)灌溉方案，自動控制農(nóng)田的灌溉和排水，保證農(nóng)作物的正常生長，實現(xiàn)精確灌溉，基本消除在灌溉過程中人為因素對作物造成的不利影響，提高操作的準確性和高效性，以達到科學管理的目的。以大田果樹園區(qū)小管出流灌溉方式為典型設計，智能化高效節(jié)水灌溉工程總體布局如圖2所示。

圖2 田間智能化高效節(jié)水灌溉布局示意

3.4 視頻智能監(jiān)控技術

3.4.1 計算機視覺技術

計算機視覺(Computer Vision)是研究如何使機器“看”的科學，形象地說，就是給計算機安裝上眼睛(攝像機)和大腦(算法)，讓計算機像人一樣去看、去感知環(huán)境。計算機視覺技術作為人工智能的重要核心技術之一，已廣泛應用于水利、安防、金融、硬件、營銷、駕駛、醫(yī)療等領域。計算機視覺領域的八大任務主要包含：圖像分類、目標檢測、圖像語義分割、場景文字識別、圖像生成、人體關鍵點檢測、視頻分類、度量學習等，幫助計算機從單個或者一系列的圖片中提取分析和理解的關鍵信息。

3.4.2 視頻識別技術

視頻識別作為圖像識別技術的一個分支，又稱為實時識別或即時識別，主要是基于人工智能和模式識別原理的算法，對動態(tài)的視頻畫面進行識別、檢測、分析，濾除干擾，對視頻畫面中的異常情況做目標和軌跡標記。其中核心的技術包括：車輛識別、人體識別、行人再識別技術(ReID)和異常檢測。

3.4.3 視頻結構化技術

視頻結構化技術是一種將視頻內(nèi)容(人、車、物、活動目標)特征屬性進行自動提取的技術，對視頻內(nèi)容按照語義關系，采用目標分割、時序分析、對象識別、深度學習等處理手段，分析和識別目標信息，組織成可供計算機和人理解的文本信息，并進一步轉化為各業(yè)務管理相關的實用信息。視頻結構化技術是融合了機器視覺、圖像處理、模式識別、深度學習等最前沿的人工智能技術，是視頻內(nèi)容理解的基石，其應用主要體現(xiàn)在對車輛特征、人像特征、行為事件等辨識方面。

視頻結構化在技術領域可以劃分為三個步驟：目標檢測、目標跟蹤和目標屬性提取。目標檢測過程是從視頻中提取出前景目標，然后識別出前景目標是有效目標(如：人員、車輛、人臉等)還是無效目標(如：樹葉、陰影、光線等)。在目標檢測過程中主要應用到運動目標檢測、人臉檢測和車輛檢測等技術。目標跟蹤過程是實現(xiàn)特定目標在場景中的持續(xù)跟蹤，并從整個跟蹤過程中獲取一張高質(zhì)量圖片作為該目標的抓拍圖片。在目標跟蹤過程中主要應用到多目標跟蹤、目標融合以及目標評分技術。目標屬性提取過程是對已經(jīng)檢測到的目標圖片中目標屬性的識別，判斷該目標具有哪些可視化的特征屬性，例如人員目標的性別、年齡、著裝，車輛目標的車型、顏色等屬性。目標屬性提取過程主要基于深度學習網(wǎng)絡結構的特征提取和分類技術。

4 結語

本文從小型水庫、旱情監(jiān)測、灌區(qū)監(jiān)控、視頻技術等幾方面著手，分析了當前智慧水利感知的部分關鍵技術，形成了一定的技術基礎。下一步，將根據(jù)現(xiàn)有成果，下沉到每一項具體項目的感知技術的探索。積極探索視頻、遙感、定位等新技術在水利重點業(yè)務領域和關鍵要素監(jiān)測中的應用；特別是在快速高效低成本實現(xiàn)大量中小水庫、堤防、水閘的安全監(jiān)測和旱情、灌區(qū)的綜合監(jiān)測方面取得較大進展，加快提升水利“自動化、智能化、立體化”的監(jiān)測水平和感知能力；提出可落地、可推廣的技術應用手段和解決方案，為智慧水利建設項目實施提供有力的技術支撐。