黃 煒，王 麗，王聰聰

（江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210013）

1 概述

河流水體的流速和流量是水文測驗的重要項目，如何快速、準確地開展河流水體流量監(jiān)測是現(xiàn)代水文監(jiān)測工作的主要任務［1］。按傳感器與待測水流的相對位置關(guān)系，流量測驗可以分為接觸式和非接觸式兩類［2］。接觸式流量測驗技術(shù)是通過監(jiān)測水體內(nèi)水流或物質(zhì)運動速度來推求斷面流量，其中纜道流速儀測流方法由于測量精度較高，被認為是水文行業(yè)流量測驗最可靠的方式之一，但其在建站成本、測驗時效性以及涉水測驗安全性等方面存在不足［3］。近年來成功興起的基于聲學多普勒原理的固定式ADCP測流系統(tǒng)，解決了測驗時效性問題［4］，但也存在安裝維護成本高，適用條件苛刻，無法實現(xiàn)全量程測驗等局限性［5-6］。非接觸式流量測驗是利用聲、光、電及圖像處理等技術(shù)測定水面上某點或某個區(qū)域的速度來推求斷面流量，由于不需要接觸水體，提高了測驗的安全性，因此在水文測驗中具有天然優(yōu)勢。本文將重點梳理視頻圖像測流、電磁波測流以及衛(wèi)星測流等目前應用和研究較多的幾種非接觸式河流流量測驗技術(shù)研究進展，總結(jié)分析各種測驗技術(shù)的優(yōu)劣勢和適用條件，分析非接觸式測流技術(shù)在當前水文測驗中的應用潛力，為該技術(shù)的進一步推廣應用提供借鑒。

2 視頻圖像測流

視頻測流是假設河流表面特征與河流水體遵循相同的運動模式，通過獲取河流表面圖像并基于圖像處理技術(shù)進行流量測驗的一種非接觸式測流方法，其在快速獲取瞬時斷面速度分布、流場信息、流動模式等方面具有明顯優(yōu)勢，并能實現(xiàn)全量程測驗。按圖像處理方式的不同可分為大尺度粒子圖像法、時空分辨率法［7］、坐標圖像處理法等［8］。

2.1 大尺度粒子圖像法

大尺度粒子圖像法是從粒子圖像測速發(fā)展而來，主要以水面漂浮物為示蹤物，通過對獲取的2幀待測水面的圖像序列進行互相關(guān)運算［9-10］，引入圖像校正、畸變消除和流場定標等技術(shù)處理方法［11-14］，得到流場粒子運動的位移，然后根據(jù)位移和連續(xù)2幀之間的時間間隔獲得二維流場的表面流速分布，再將表面流速通過流速系數(shù)轉(zhuǎn)化為斷面平均流速，根據(jù)流速—面積法求得斷面流量。圖1顯示了基于互相關(guān)分析的估計流速矢量的過程。

圖1 基于互相關(guān)分析的流速矢量估計

大尺度粒子圖像法在應用過程中其測量可靠性完全依賴于水流示蹤物的存在性。水面示蹤物包括天然和人工2種模式。天然模式是以樹葉、塑料或其他水面漂浮物為示蹤物，或者以波紋、泡沫、尾跡等水面運動為示蹤物，容易獲取，但隨機性強，示蹤性能相對較差［15］。人工拋灑示蹤物是對天然示蹤物的有益補充，但在選擇時要考慮其形狀、密度特性、環(huán)保性以及性價比［16］。目前在野外測驗環(huán)境下的視頻圖像測流中示蹤方式仍應以天然模式為主，但也造成測量精度受大氣散射、水面反射及水下散射等環(huán)境因素影響較大。

目前，大尺度粒子圖像法在山區(qū)河道或大流速河道斷面流量測驗中應用較多，其測量時效性強、測量范圍廣、成本低廉、機動性高等特點，決定了大尺度粒子圖像法在河道流量測驗，特別是高洪應急監(jiān)測的應用潛力巨大。

2.2 時空分辨率法

時空分辨率法是利用水面示蹤物在水面形成的具有方向性紋理特征，通過建立測速線流速與紋理方向間的函數(shù)關(guān)系得到具有高空間分辨率的一維時均流速矢量場，在河流測速中，對一段時間t內(nèi)獲取的沿河順流方向的圖像像素值通過時空圖像合成為二維時空圖像。順流方向像素值q與二維時空圖像表現(xiàn)的紋理特征關(guān)系式為

式中：Δp為n幀內(nèi)該空間方向上的像素位移；Δt為每一幀的時間間隔；θ為時空圖像中的紋理特征對應的紋理角。

通過式（1）可以將斷面速度矢量監(jiān)測轉(zhuǎn)化為圖像中的紋理特征主方向的監(jiān)測，從而實現(xiàn)流速測量。

時空分辨率法已成功應用于國外多條河流的實際測流方案中。在國內(nèi)也已開展部分應用研究，其中王慧斌等［7］提出基于了時空圖像頻譜的時均流場重建方法；張振等［17］開展了時空分辨率法測驗精度敏感性研究，并通過參數(shù)設置實現(xiàn)將測驗不確定度控制在1%以內(nèi)。

時空分辨率法相對于大尺度粒子圖像法，其算法效率更快，空間分辨率更高。但由于在紋理方向檢測上算法過于復雜，并且對示蹤物的可見性和穩(wěn)定性要求較高、對視場中倒影和局部噪聲較為敏感等因素，使得該方法野外測驗環(huán)境中的應用程度不高。

2.3 坐標圖像處理法

坐標圖像處理法可以看作是對傳統(tǒng)浮標法的一種改進。通過在測驗河段內(nèi)布設浮標，一定時間內(nèi)對浮標攝像2次，并記錄攝像時間間隔ΔT，從2張照片中求出示蹤劑移動的距離L，得到水面流速vs計算式為

坐標攝像法應用可以分為地面布設與航空布設2種。地面布設在河流一岸布設相機采集設備，以傾斜視角拍攝水面，安裝較為方便，但存在遠場分辨率不足的問題。航空布設是通過航天飛機、熱氣球等對測驗河段進行攝像以獲取近似垂直的視角拍攝水面［18-19］，視場角度更好，但穩(wěn)定性不足。

坐標圖像處理若采用地面布設，測驗方式較為簡單，測驗成本也相對較低。但由于需要在上下游斷面布置2套攝影設備，當測驗間距過大時，上下游斷面相機和計時器的同步控制誤差會影響測驗精度。若采用航空布設，由于需要搭載其他高空設備，測驗成本相對較高，只適用于應急監(jiān)測或極端情況下臨時使用，不能作為一種常規(guī)監(jiān)測手段。

3 電磁波測流

電磁波測流是一種遠程遙感技術(shù)，在河流流速測量中已有較廣泛的應用，主要適用于極端天氣、復雜測驗環(huán)境以及應急監(jiān)測等特殊情況下的流量測驗。電磁波測流大體可以分為2種方式，以獲取點流速為主的電波流速儀測流，以獲取流速場為主的側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)。

3.1 電波流速儀法

電波流速儀法測流原理基于微波多普勒效應，利用儀器測量水體表面流速，通過水面流速系數(shù)的換算達到測量河流流量的目的［7］。當電磁波照射水面時，部分能量被表面波或漂浮物散射形成回波，回波產(chǎn)生的多普勒頻移fD和水面流速vs之間滿足如下關(guān)系式：

式中：θ為發(fā)射波和水流方向的夾角；C為電磁波在空氣中的傳播速度。

點流量電波流速儀由于原理上是利用表面波及漂浮物的回波信息，因此對于平滑水面或紊流劇烈水面均難以得到穩(wěn)定的測量值，其測量精度也受波束角、方位角及俯仰角等因素的影響。此外，該方法需要借用或?qū)崪y斷面面積后才能計算流量，限制了其應用范圍。由于只能獲取單點流速數(shù)據(jù)，若河面較寬則需要多個儀器同時工作。

點流量電波流速儀在測流過程中操作安全，測量速度快且不受水質(zhì)和漂浮物的影響，特別適用于監(jiān)測漂浮物較多的湍急河段和搶測洪峰流量。

3.2 側(cè)掃雷達測流

側(cè)掃雷達測流是一種近年從測量海面涌流分布發(fā)展來用于河流表面流場測量的方法。在測定海水水面時，由于布拉格散射原理，在雷達的回波多普勒譜上會產(chǎn)生與雷達頻率相關(guān)的布拉格頻率。若水面發(fā)生流動，根據(jù)多普勒效應，對應的多普勒頻率會相對布拉格頻率發(fā)生偏移，其偏移的大小就表征為水流流速的大小，因此可以通過多普勒頻率與速度的關(guān)系式計算得到徑向水面流速。由于內(nèi)河河道水面波浪波長較小，無法與雷達電磁波形成布拉格散射，20世紀初，350 MHz的超高頻雷達被用于淡水表面流速測量，并經(jīng)過一系列試驗驗證了超高頻雷達測速在內(nèi)河中應用的可行性。

側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)安裝和使用條件方便，既可以安裝在河岸，也可以安裝在車輛上實現(xiàn)應急移動監(jiān)測，測量時不受含沙量和水面漂浮物的影響，適用于高洪或攜帶大量漂浮物時的大流量測驗任務。側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)在國內(nèi)已有成果應用案例，但大部分測驗存在比測時間短、測次較少、比測結(jié)果不具有代表性等問題，而且在對小流速和通航河道上的測驗適用性還需進一步研究。

4 衛(wèi)星測流

衛(wèi)星測流是一種新興的遙感探測手段，通過遙感圖像分析技術(shù)或遙感信號反演技術(shù)來實現(xiàn)地面河流表面流速信息的獲取，并可結(jié)合地面測量值和水文模型估計河流流量。

4.1 衛(wèi)星遙感測流

衛(wèi)星遙感測流是伴隨高分辨率成像以及合成孔徑雷達（SAR）技術(shù)發(fā)展而來的。對于具有穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系的河段，可以通過衛(wèi)星監(jiān)測河段水位，根據(jù)水位數(shù)據(jù)計算斷面流量。但水位監(jiān)測的誤差在10 cm以上，精度無法滿足實際測驗要求。Preuss［20］曾利用河寬與流量之間的關(guān)系來推求斷面流量，通過對SAR圖像進行標準化處理，然后將遙感圖像內(nèi)的像素點數(shù)除以河段長度得到有效河寬，并利用河寬與流量近似關(guān)系求出河段流量，試驗證明方法可行，但相對誤差近200%。針對這種以水位或河寬單一信息估算流量存在誤差大的問題，有研究者提出了多變量估算方法［21］，即通過遙感手段獲取水面寬度、高程及流速等數(shù)據(jù)，并進行多元線性回歸分析，建立了多變量河流流量估計方程，實驗表明流量估計的不確定度小于20%。

衛(wèi)星遙感測流不受泥沙含量、漂浮物限制，可實現(xiàn)全天候、全天時自動化采集數(shù)據(jù)。但是目前基于衛(wèi)星遙感測流的研究結(jié)果表明，該方法測驗精度無法滿足常規(guī)水文測驗規(guī)范要求，而且測驗過程中對地面信息和歷史數(shù)據(jù)過度依賴，使之暫時不能滿足實際測流需求。

4.2 衛(wèi)星反演測流

全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS）不僅可用于導航定位，其反射信號也可以用來接收和利用，并因此衍生出GNSS反演測量（GNSS-R）手段。近年來的一些研究表面GNSS-R技術(shù)可以用于水文物理特征的探測。白偉華等［22］研究實現(xiàn)了將河流流速的信息從GNSS反射信號的殘差相位譜中分離出來，證明了GNSS-R流速測量的可行性和有效性。

衛(wèi)星反演測流采取的是區(qū)域測量，相對于單點測量，其測得的是區(qū)域平均流速，更能反映真實情況，特別適用于大范圍流速、流量估計，在應對高洪、大流速以及泥石流等極端環(huán)境下的應急監(jiān)測方面也具有重要意義。衛(wèi)星反演測流還處于初步研究階段，還需要更多的深入研究和實踐證明其測驗精度能夠滿足要求。

5 結(jié)論

隨著水文現(xiàn)代化進程推進以及防汛測報精準預報要求的提出，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子流速儀、走航式ADCP等接觸式流量測驗技術(shù)已逐漸不能適應。相對于接觸式測流技術(shù)，非接觸測驗方法在測驗效性、測驗便利性、復雜環(huán)境適應性以及測驗安全性等方面優(yōu)勢明顯。視頻測流技術(shù)更突破了單點測速技術(shù)的局限性，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點上的速度分布信息，提供豐富流場信息，并能實現(xiàn)全量程測驗。因此，有理由相信非接觸式測流技術(shù)將在水文測驗領(lǐng)域發(fā)揮越來越多的作用。

當然，非接觸式測流技術(shù)也存在不足，如測驗受外界環(huán)境影響較大，非接觸式測流技術(shù)理論上可實現(xiàn)全量程測驗，但其在流速較小時的測驗精度問題也使其應用受限，表面流速換算誤差等問題也會影響測驗精度，這些問題都需要在實際應用中進行逐步優(yōu)化來加以解決。