廖敏涵 ，劉九夫 ，廖愛民 ，黃一昕，蔡 釗 ，閔 星 ，李薛剛

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學研究院 滁州綜合水文實驗基地，安徽 滁州 239080；3.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

降水是一種最基本的水文現(xiàn)象，降水量是水資源量中最重要的組成部分，因此，精確觀測降水量在水資源估算和水文水利計算中有著重要的地位[1-2]。據(jù)文獻記載，降水量的觀測距今已有2 000 多年的歷史[3]。人類早期的降水測量是將自然降水通過漏斗引入校準容器中進行降水量的測量[4]，隨后各種種類和用途的雨量器、雨量計應(yīng)運而生。翻斗式雨量計是一種現(xiàn)代化的測量儀器，具有自動化程度高、獲取降水量及時性強、降水量資料易于保存和傳輸?shù)奶攸c，現(xiàn)已被國內(nèi)外水文、氣象和科研部門廣泛應(yīng)用于降雨觀測和科學研究中[5-8]。然而，由于翻斗式雨量計儀器本身不夠精密以及人為操作不當?shù)脑?，不可避免地會產(chǎn)生儀器誤差和測量誤差。為盡可能減小這種誤差，許多科研機構(gòu)做了大量研究工作，例如世界氣象組織（WMO），不僅對翻斗式雨量計進行了實驗室比對試驗，還進行了場地比測試驗[9-13]。這是WMO 首次在實驗室條件下組織的雨量計比對試驗，主要用于測試不同類型雨量計的工作性能。研究結(jié)果表明未經(jīng)校正的雨量計測量誤差較大，而采用正確的校正軟件校正過的雨量計則可以準確地測量降水量[6,9]。因此，降水量觀測前，需先對雨量計進行率定。

目前，翻斗式雨量計的率定仍是國內(nèi)外雨量計研究中的熱點問題[10-15]，從最初的靜態(tài)率定，到動態(tài)率定，再到現(xiàn)在的智能化率定，逐步趨于成熟和完善。由于翻斗式雨量計翻斗的旋轉(zhuǎn)速度較快，人眼難以捕捉這一過程，常規(guī)的測量手段難以達到時間精度要求，所以翻斗的旋轉(zhuǎn)時間測量一直以來都是一個難點且研究嚴重不足。翻斗旋轉(zhuǎn)時間的研究，有助于進一步了解翻斗在旋轉(zhuǎn)過程中的“水量損失”，以彌補該項研究的不足。Duchon 等[16]曾利用高速攝像裝置（幀率為500 fps）對翻斗旋轉(zhuǎn)時間進行試驗研究，測得翻斗旋轉(zhuǎn)時間約為0.52 s，但試驗的次數(shù)較少（僅8 翻斗），且選取的翻斗式雨量計單一（Met One 雨量計），試驗結(jié)果代表性不足；此外，試驗中采用的高速攝像機設(shè)備過于昂貴，普通科研工作者難以利用。

因此，本文擬采用數(shù)字圖像技術(shù)（包括視頻錄制設(shè)備和圖像處理中的幀間差分法）對國內(nèi)常見的幾種翻斗式雨量計的翻斗旋轉(zhuǎn)時間特性進行系統(tǒng)研究，為設(shè)計和生產(chǎn)高精度測量的翻斗式雨量計提供建議與技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗設(shè)備

本文選擇國內(nèi)最常見的4 種單層翻斗式雨量計進行試驗研究，分別是JDZ02，JDZ05，CQS·JD02 和CQS·JD05（見圖1），基本參數(shù)見表1。4 種雨量計在不同雨強條件下的翻斗旋轉(zhuǎn)時間特性研究內(nèi)容包括：（1）研究翻斗啟動到水平位置的時間（T1）；（2）研究翻斗從啟動到另一側(cè)的時間T2（不考慮翻斗的反彈過程）；（3）研究不同雨強下，上述兩個時間的變化規(guī)律。

圖1 4 種型號的翻斗式雨量計Fig.1 Photos of four types of tipping bucket rain gauges

1.2 試驗方法

實驗室目前具備一種智能化的翻斗式雨量計率定系統(tǒng)（圖2，具備供水、自動計數(shù)、防風等功能），可模擬不同雨強對翻斗式雨量計進行試驗研究。按GB/T 21978.2—2014 《降水量觀測儀器第二部分：翻斗式雨量傳感器》規(guī)定，在0～4 mm/min 雨強范圍內(nèi)，采用5 種雨強（0.4，1.0，2.0，3.0，4.0 mm/min）進行對比試驗。在模擬降雨的同時，攝像錄制設(shè)備（幀率為100 fps）記錄單個翻斗式雨量計翻斗啟動→翻斗達到水平位置→旋轉(zhuǎn)停止的過程。記錄完成后，可用軟件進行逐幀讀取圖像畫面，可獲得翻斗從啟動到翻斗水平的時間和翻斗從啟動到停止的時間。每種雨強下分別進行20 翻斗試驗。

表1 4 種翻斗式雨量計的基本參數(shù)Tab.1 Basic characteristics of four types of tipping bucket rain gauges

圖2 智能化的翻斗式雨量計率定系統(tǒng)Fig.2 Intelligent tipping bucket rain gauge calibration system

翻斗旋轉(zhuǎn)是一個變加速的過程，啟動時非常緩慢，然后慢慢加速到水平位置，最后再極快地旋轉(zhuǎn)到另外一側(cè)，完成1 次翻斗過程。為了解決這一問題，本文擬采用圖像處理中的幀間差分法來判斷物體是否運動。幀間差分法常用在交通領(lǐng)域中，判斷車輛是否移動，或用在智能監(jiān)控領(lǐng)域中[17-19]。該方法在本文不做重復(fù)敘述，圖3 為該方法的結(jié)果。通過連續(xù)增大的SUM 值來判斷圖像中存在運動，即翻斗旋轉(zhuǎn)；無連續(xù)增大的區(qū)域，說明圖像是靜止的，翻斗也未旋轉(zhuǎn)?；趲g差分法，并使用Matlab 軟件編程來進行圖像的逐幀處理，自動保留視頻序列中運動的部分，靜止的部分則剔除。保留下的運動部分則用來分析翻斗旋轉(zhuǎn)的時間特性。圖4 為CQS·JD05 在4 mm/min 雨強下一次翻斗旋轉(zhuǎn)的過程，選取了8 個畫面進行展示。圖4（a）為算法識別的起始狀態(tài)，記為T=0 s；圖4（b）至圖4（e）都是翻斗從啟動到翻斗到達水平位置的狀態(tài)；圖4（f）為翻斗到達水平位置的時刻；圖4（g）為翻斗從水平位置開始向右側(cè)旋轉(zhuǎn)；圖4（h）為翻斗旋轉(zhuǎn)到達右側(cè)并觸底，完成1 次旋轉(zhuǎn)過程。

圖3 幀間差分法的結(jié)果Fig.3 The result of the inter-frame difference algorithm

圖4 翻斗旋轉(zhuǎn)過程的一個例子Fig.4 An example of the bucket rotation

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 視頻幀數(shù)對試驗結(jié)果的影響

在試驗條件相同的情況下，以JDZ05 翻斗式雨量計為例，模擬雨強使翻斗進行20 次旋轉(zhuǎn)，用50 fps與100 fps 的試驗結(jié)果進行對比。表2 為50 fps 視頻試驗結(jié)果與100 fps 結(jié)果的對比?？梢姡?0 fps 的最小值都偏大，但最大值、極差、標準差和平均值都偏大，說明50 fps 的視頻測量精度不夠，100 fps 的視頻測量精度要更高；另一方面，由于翻斗旋轉(zhuǎn)的速度較快，50 fps 視頻有的時候不能獲取到翻斗到達水平位置的圖像，而100 fps 的視頻基本不會出現(xiàn)這種情況。然而，需要用更高幀率的視頻進行拍攝嗎？如達到國外學者使用500 fps 的高速攝像裝置進行視頻拍攝[16]。筆者認為答案是否定的，不一定要使用更高的幀率進行拍攝，原因如下：(1)在進行50 fps 與100 fps 視頻對比分析時發(fā)現(xiàn)，100 fps 的數(shù)據(jù)文件要比50 fps 的大1 倍，即處理時間上要多出1 倍的時間；(2)在閱讀國外學者使用500 fps 高速攝像裝置所做研究后，發(fā)現(xiàn)該學者只分析了8 次翻斗旋轉(zhuǎn)的時間。Duchon 使用的方法非常新穎，但是工作量卻非常少，原因可能在于數(shù)據(jù)量太大，難以做更多的斗數(shù)來分析。綜上所述，幀率越高，效率可能并不會提高，只要精度滿足了要求即可。故本試驗采用100 fps 的視頻進行拍攝，獲取試驗數(shù)據(jù)進行分析。其中，由于該項分析僅對幀率進行對比，且0.4 mm/min 雨強進行試驗較為耗時，故未設(shè)置該雨強進行試驗。

表2 視頻幀數(shù)對比試驗結(jié)果Tab.2 Comparison of video frame rates

2.2 不同類型翻斗式雨量計翻斗旋轉(zhuǎn)時間特性分析

圖5 為4 種類型的翻斗式雨量計旋轉(zhuǎn)時間平均值（T1與T2）與雨強之間的關(guān)系。JDZ02 和CQS·JD02的平均值隨雨強的增大而減小，R2分別為0.99 和0.86，有較好的線性關(guān)系；JDZ05 和CQS·JD05 線性關(guān)系不明顯，R2均小于0.6，相關(guān)性較差。Duchon 使用Met One 翻斗式雨量計進行試驗研究，認為翻斗旋轉(zhuǎn)的時間與雨強無關(guān)[16]。WMO 曾在2006 年發(fā)表的《WMO laboratory intercomparison of rainfall intensity gauges》報告中指出：“翻斗旋轉(zhuǎn)時間ΔT 是雨強的函數(shù)”，即雨強與ΔT 存在關(guān)系，但ΔT 很難測量[9]。Marsalek 認為翻斗式雨量計的旋轉(zhuǎn)時間在0.3～0.6 s[11]，這與本次試驗結(jié)果接近。

圖5 翻斗旋轉(zhuǎn)時間與雨強的關(guān)系Fig.5 Relationship of rotation time of tipping bucket with rainfall intensity

表3 是4 種類型的翻斗式雨量計在不同雨強下的試驗結(jié)果，試驗斗數(shù)均為20 斗。由試驗數(shù)據(jù)可得：

（1）從極差上看，JDZ02 和JDZ05 在4.0 mm/min 雨強下極差最小，在0.4 mm/min 雨強下極差最大，極差隨雨強的減小而增大。CQS·JD02 和CQS·JD05 的極差與雨強變化無直接關(guān)系，極差隨雨強變化不大。

表3 4 種類型的翻斗式雨量計在不同雨強下的試驗結(jié)果Tab.3 Test results of four types of tipping bucket rain gauges under different rainfall intensities

（2）從平均值上看，JDZ02 和CQS·JD02 的平均值在4.0 mm/min 雨強下最小，翻斗旋轉(zhuǎn)最快，在0.4 mm/min雨強下最大，旋轉(zhuǎn)最慢，平均值隨雨強的增大而減小。但是對于JDZ05 和CQS·JD05 兩款分辨率為0.5 mm的雨量計來說線性關(guān)系不明顯，這兩款雨量計翻斗旋轉(zhuǎn)時間的平均值在4.0 mm/min 雨強下最小，但在0.4 mm/min 雨強下并不是最大。

（3）從標準差上看，4 款雨量計在4.0 mm/min 雨強下標準差最小，在0.4 和1.0 mm/min 雨強下標準差最大。方差的意義是說明翻斗旋轉(zhuǎn)時間的波動情況，結(jié)果表明在4.0 mm/min 雨強下，翻斗旋轉(zhuǎn)時間波動最小，在0.4 和1.0 mm/min 雨強下波動最大。

綜上所述，雨量計的翻斗在4.0 mm/min 雨強下的旋轉(zhuǎn)時間較為穩(wěn)定，波動很小，但在0.4 mm/min 雨強下的旋轉(zhuǎn)時間卻不穩(wěn)定，波動較大。翻斗式雨量計由于其自身結(jié)構(gòu)的特點，在大雨強時會造成翻斗旋轉(zhuǎn)過程中的“水量損失”，使得記錄的水量偏小，造成測量誤差。研究翻斗旋轉(zhuǎn)時間特征可為進一步認識翻斗式雨量計的計量誤差特性提供理論依據(jù)。水量損失的計算見式（1），誤差見式（2）。

式中：Δm 為翻斗旋轉(zhuǎn)過程中的水量損失；T1為翻斗從啟動到水平位置時間；I 為雨強；ρ 為去離子水的密度（1 g/cm3），本試驗采用去離子水，減少密度對試驗結(jié)果的影響。

式中：Er為翻斗式雨量計的計量誤差；m1為理論上1 翻斗的質(zhì)量。

針對翻斗式雨量計翻斗旋轉(zhuǎn)時間在小雨強下不穩(wěn)定，波動較大的問題，建議使用虹吸部件。虹吸部件安裝在承雨器與翻斗漏斗之間，起調(diào)節(jié)雨強作用，使得不均勻的降雨能夠以相對均勻的方式流入到翻斗中（經(jīng)過虹吸部件調(diào)節(jié)后，流入翻斗的雨強會變大），此時調(diào)整翻斗對應(yīng)時刻流入雨強的計量誤差使之趨近于0，以減少雨強對翻斗計量的誤差[14,20]。

2.3 翻斗旋轉(zhuǎn)角度對旋轉(zhuǎn)時間影響分析

翻斗式雨量計翻斗的旋轉(zhuǎn)受諸多因素影響，如雨強、翻斗質(zhì)量、翻斗翻轉(zhuǎn)角度等。本研究主要分析翻斗旋轉(zhuǎn)角度對旋轉(zhuǎn)時間的影響。4 種翻斗式雨量計的翻斗旋轉(zhuǎn)角度已在表1 中給出，由圖5 可知，JDZ02和JDZ05 兩種相同廠家生產(chǎn)的雨量計，翻斗旋轉(zhuǎn)角度越大，T1與T2也越大；對于CQS·JD02 和CQS·JD05兩種相同廠家生產(chǎn)的雨量計情況也如此。但對于4 種翻斗式雨量計來說，并不是翻斗旋轉(zhuǎn)角度越大，旋轉(zhuǎn)時間也就越長，主要的區(qū)別在于翻斗的質(zhì)量不同。

3 結(jié) 語

本文利用圖像處理中的幀間差分法，結(jié)合Matlab 軟件編程，提出了一種新的翻斗旋轉(zhuǎn)時間測量方法。為研究翻斗旋轉(zhuǎn)的時間特性，將該方法應(yīng)用于4 種常用的翻斗式雨量計，在不同的雨強尺度下分別進行試驗研究：

（1）精確地測量了翻斗式雨量計翻斗的旋轉(zhuǎn)時間，并詳細分析了4 種翻斗式雨量計在不同雨強下翻斗旋轉(zhuǎn)時間的特性。研究發(fā)現(xiàn)，在相同試驗條件下，CQS·JD05 翻斗旋轉(zhuǎn)時間最長，JDZ05 次之，JDZ02 再次之，CQS·JD02 翻斗旋轉(zhuǎn)時間最短。

（2）對比50 fps 與100 fps 視頻的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100 fps 視頻試驗的效果更好。此外，還與500 fps 的試驗結(jié)果進行對比，認為幀率越高，效率可能并不會提高，只要滿足了測量精度要求即可。

（3）引入數(shù)字圖像處理中的幀間差分法用于翻斗式雨量計的研究，可以獲取翻斗旋轉(zhuǎn)的時間特性。同時，可以通過翻斗旋轉(zhuǎn)時間來解釋傳統(tǒng)率定過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，如水量損失、漏計誤差等。