尚 揚，崔 偉

（1.江蘇南水科技有限公司，江蘇南京 210012；2.松遼水利委員會水文局嫩江水文水資源中心，吉林長春 130021）

0 引言

水位資料是水文水資源的主要控制參數(shù)，是水利規(guī)劃、實施與監(jiān)督管理的基礎(chǔ)。水位測量的可實現(xiàn)度和觀測準(zhǔn)確性將直接關(guān)系到水資源優(yōu)化利用計劃的實施，是人類生產(chǎn)生活的重要部分，所以，重要斷面水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確度尤為重要。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式已無法滿足當(dāng)前水利信息化、智能化發(fā)展的需要，而雷達(dá)水位計、氣泡水位計等監(jiān)測設(shè)備對人員的專業(yè)性要求及后期維護成本較高，在特定場合下無法實際應(yīng)用[1]。

視頻識別技術(shù)在水位信號辨識檢測領(lǐng)域方面得到了很大的進(jìn)展[1]，該技術(shù)采用人工智能視頻圖像信息技術(shù)，利用攝像機頭得到水尺液位圖像后，進(jìn)行后臺智慧運算，提取水位信號資料數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)水位信號資料數(shù)據(jù)的鑒別與提取，極易受攝影視角、水尺視角、光照度、鏡頭圖像、天氣條件等多種因素的直接影響，無法正確、全面確定圖像中的水平信號。傳統(tǒng)識別技術(shù)和視頻識別技術(shù)對比分析如下：傳統(tǒng)的人工識別技術(shù)無法實時無間斷監(jiān)控，而視頻識別水位技術(shù)實現(xiàn)了全天候自動監(jiān)測預(yù)警，節(jié)約了人工監(jiān)測成本，滿足水文現(xiàn)代化發(fā)展要求；以往人工監(jiān)控主要依靠水文工作者的經(jīng)驗辨識，面臨大洪水和應(yīng)急監(jiān)測時難度較大，視頻識別水位系統(tǒng)通過對獲取圖像的處理方法和深度糾錯模式，借助大量高精度的水文歷史數(shù)據(jù)資料，解決了以往人工監(jiān)測準(zhǔn)確度不夠的問題，實現(xiàn)智能辨識和分類、自動診斷和智能報警；視頻水位識別技術(shù)克服了傳統(tǒng)圖像信息效率低下的困難，通過人工智能技術(shù)生成信息豐富的圖片、影像資料，并通過對圖片和視頻信息的處理，使監(jiān)測結(jié)果以多種形式表達(dá)，為流域水利發(fā)展帶來了大數(shù)據(jù)級的科技現(xiàn)代化支持。

下文從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)監(jiān)測管、實踐案例分析等方面對視頻識別水位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行介紹，可為該系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣提供參考依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)

視頻識別水位監(jiān)控系統(tǒng)受自然環(huán)境影響較少，可以實現(xiàn)多環(huán)境水位監(jiān)測與分析，主要應(yīng)用于河流、水庫、灌區(qū)等區(qū)域。視頻識別水位監(jiān)測系統(tǒng)集成水位識別算法，結(jié)合了專用視頻識別水尺，能夠進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的自動讀取與現(xiàn)場畫面保存，使設(shè)備更能應(yīng)對大風(fēng)大浪、大雨、夜晚等各類復(fù)雜環(huán)境，測量精度滿足水文觀測要求。水位識別算法主要基于視頻監(jiān)控圖像的語義分割，核心是通過虛擬水尺的繪制，加上虛擬水尺上任意三點的實際高度建立圖像坐標(biāo)與實際物理高度的對應(yīng)關(guān)系，從而換算得到水域與虛擬水尺交叉點對應(yīng)的水位高度，該算法可實現(xiàn)對河道、湖庫等場所視頻畫面中的水位高度進(jìn)行自動識別和換算。

視頻識別水位監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：符合SL 651-2014《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》標(biāo)準(zhǔn)；一機多用，實現(xiàn)視頻圖像和水位監(jiān)測；算法內(nèi)置于攝像機，算法和硬件結(jié)合適應(yīng)野外環(huán)境；可外接翻斗式雨量計，實現(xiàn)水位和雨量監(jiān)測；配置4G 模塊及休眠功能，滿足野外監(jiān)測需求。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 視頻水尺識別

視頻攝像頭內(nèi)部水平尺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能計算，自動讀出國家標(biāo)準(zhǔn)水平尺，獲得的信息可外接雨量計。采用一路脈沖型雨量計連接，組成水雨情遠(yuǎn)程遙測站的雨量信息可實時覆蓋到監(jiān)視器上，采用球形攝像頭實現(xiàn)智能觀測功能，支持矮樁型水平標(biāo)尺進(jìn)行識別，支持在最多20個地點進(jìn)行水平數(shù)據(jù)信息上報，滿足SL 651-2014 規(guī)定的水平尺檢測范圍，辨識范圍為1.00 cm，測量準(zhǔn)確度為±2 .00 cm，支持全網(wǎng)通4G 傳輸。

2.1.1 智能追蹤水尺識別

在一些水位變幅較大的重要水文斷面進(jìn)行水位數(shù)據(jù)日常監(jiān)測時，測站通常都會結(jié)合歷年高低水位設(shè)置多根水尺用于測量水位。確保系統(tǒng)攝像頭在對所有監(jiān)測水尺進(jìn)行全覆蓋的前提下，系統(tǒng)通過判斷水面與水尺的關(guān)系自動選擇滿足當(dāng)前監(jiān)測要求的水尺進(jìn)行追蹤監(jiān)測。

2.1.2 不同場景水尺識別

1）利用球形攝像頭實現(xiàn)AI 應(yīng)用，全面提高視頻資源的智能化分析能力，實現(xiàn)對船舶管理、水面漂浮物、水位監(jiān)測等全天候智能化檢測，真正做到無人值守、少人值班、智能告警，實現(xiàn)對江河湖泊、水資源、水利工程等的智能化監(jiān)管。

2）在夜間或無光源照明的惡劣環(huán)境下，通過攝像頭的紅外攝像及微光夜視功能實現(xiàn)暗環(huán)境監(jiān)測，通過拍攝的灰度影像對比系統(tǒng)預(yù)制的虛擬水尺實現(xiàn)水尺監(jiān)測要求。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控管理

1）實時監(jiān)視。通過系統(tǒng)視頻監(jiān)視器聯(lián)動水位監(jiān)控攝像頭實時顯示系統(tǒng)整體運行狀況和運行工況、通信情況及所有測站的實時圖像識別結(jié)果。在測站列表中，通過顯示不同顏色表示當(dāng)前測站系統(tǒng)運行狀態(tài)：綠色代表系統(tǒng)運行正常；紅色代表測站運行異常，需要進(jìn)一步判斷測站實際情況。在測站綜合列表界面，可以展示全部測站當(dāng)前水位數(shù)據(jù)實際情況，并對超警水位站進(jìn)行重點標(biāo)注。

2）數(shù)據(jù)對比。在測站實測列表中，可以查詢同一測站不同時間段的水位變化過程線。同時，可以選擇將視頻識別的水位數(shù)據(jù)與雷達(dá)水位計等測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，比對誤差超出設(shè)定范圍進(jìn)行信息提示，可以要求系統(tǒng)復(fù)測。

3）實時錄像回放。平臺提供實時錄像回放，能夠即時查詢當(dāng)前測站的狀態(tài)。

4）移動端展示?？砂惭b手機APP 移動端，實時查詢測站水位數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行情況。

3 案例分析

3.1 概況

白沙灘水位站始建于1959年7月，為省界水資源監(jiān)測水文站，是嫩江流入吉林省后的第一個控制站，測驗項目有水位、流量、降水、蒸發(fā)、泥沙、風(fēng)速、風(fēng)向等，均采用自動監(jiān)測。測驗河段河道比降小，在1/15 000～1/25 000 之間，水流平緩，河床穩(wěn)定，河道曲折，溝汊眾多，成網(wǎng)狀；測驗河段順直，長約1 000.00 m。主槽位于河道右側(cè)，特大洪水時江面寬達(dá)10 km，水深10.00～15.00 m，流速2.5～3.0 m/s；平枯水水面寬200.00～500.00 m，水深4.00～9.00 m，流速0.4～1.3 m/s。斷面下游1 000.00 m 處有白沙灘電灌站，白沙灘下游117 km 處旁側(cè)有月亮泡水庫，洮兒河經(jīng)此匯入。

3.2 比測方法和結(jié)果分析

按照GB/T 50138-2010《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，新安裝自計水位計或改變儀器類型時應(yīng)進(jìn)行比測，比測合格后方可正式使用。結(jié)合白沙灘水文站實際情況，視頻識別水位監(jiān)測系統(tǒng)分別與人工觀測數(shù)據(jù)、原有的雷達(dá)水位計進(jìn)行比測。

依據(jù)水文比測相關(guān)要求，分平水期、洪水期按水位變化幅度分測段進(jìn)行，各測段的人工觀測次數(shù)不小于30 次。人工觀測數(shù)據(jù)比測時段選在2021年5月至7月，共收集水位監(jiān)測數(shù)據(jù)81組，其中5 月至6 月為平水期數(shù)據(jù)，7 月20 日至30 日為洪水期數(shù)據(jù)。監(jiān)測水位范圍為65.24～69.80 m，涵蓋全年水位變化過程，資料選取具備代表性，且符合嚴(yán)格的比測條件。另外，對2021 年7 月至8 月的284組雷達(dá)水位儀監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比測，比測過程中不考慮水位波動、水尺臟污及漂浮物遮擋等因素[2]。

1）平水期比測過程

2021 年5 月1 日至6 月30 日，收集白沙灘水文站每日8 時的人工觀測和視頻識別水位數(shù)據(jù)共61組；收集每日8時、20時雷達(dá)水位計和視頻識別水位數(shù)據(jù)共122組，水位數(shù)據(jù)范圍為65.10～67.20 m。每組比測數(shù)據(jù)均包括監(jiān)測時間、校測水位值、自計水位值、是否重新設(shè)置水位初始值等信息，最終形成統(tǒng)計表和水位過程線圖。

2）洪水期比測過程

2021 年7 月15 日至8 月15 日，收集白沙灘水文站每日8 時、20 時的人工觀測和視頻識別水位數(shù)據(jù)共84 組；收集每日8 時、20 時雷達(dá)水位計和視頻識別水位數(shù)據(jù)共162 組，水位數(shù)據(jù)范圍為68.70～69.60 m?？紤]洪水期水位變幅較大，將此次比測序列水位變幅上下超過0.20 m 的數(shù)據(jù)也納入比測范圍內(nèi)。

3）分析對比

白沙灘水文站屬于河道水文站，不可避免受波浪、大霧及水質(zhì)的影響，采用多次求平均值法對比視頻識別水位監(jiān)測系統(tǒng)與人工觀測、雷達(dá)水位計在平水、洪水期間的水位數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，3 種監(jiān)測方法均存在水位誤差，但精度滿足水文規(guī)約要求，如表1、圖1-3 所示。

表1 比測結(jié)果數(shù)據(jù)

圖1 平水期間水位比對關(guān)系線

圖2 洪水期間水位比對關(guān)系線

圖3 視頻識別系統(tǒng)與雷達(dá)水位計比對關(guān)系線

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

智能圖像識別技術(shù)在水位測驗中的深度應(yīng)用，可以替代和填補人工觀測自計水位計在測驗中的不足，其主要特征如下。

1）系統(tǒng)除了能識別監(jiān)控水位，還具備實時監(jiān)控測驗斷面的功能。

2）系統(tǒng)通過智能濾波處理系統(tǒng)和計算機學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠解決實測環(huán)境中光線明暗、漂浮物、波浪及臟銹等對水尺的影響，確保水尺識別水平穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

3）系統(tǒng)可以和雷達(dá)水位計、浮子水位計等集成到統(tǒng)一水情監(jiān)測平臺下，實時對同一站點同一時段的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并實現(xiàn)視頻識別水位和其他水位數(shù)據(jù)的校驗展示，通過設(shè)定閾值條件，實現(xiàn)了差異預(yù)警、自動加測等功能。

4）可連接已建視頻設(shè)備，有效接入?yún)^(qū)域的視頻流數(shù)據(jù)，提取攝像機端的視頻信息，進(jìn)行視頻回放。

5 結(jié)語

通過視頻識別水位監(jiān)測系統(tǒng)在白沙灘水文站水位監(jiān)測中的應(yīng)用，測得監(jiān)測數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，實現(xiàn)了水利智能化、信息化監(jiān)測管理。從水位監(jiān)測數(shù)據(jù)比測分析結(jié)果可以看出，視頻識別數(shù)據(jù)完整性、準(zhǔn)確性較好。從系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下運行情況來看，工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠，突破了傳統(tǒng)水位測量方式的瓶頸，增加了不同監(jiān)測環(huán)境下水位監(jiān)測方式的選擇性。視頻識別水位監(jiān)測系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控，可為保障河道、水庫安全度汛提供準(zhǔn)確及時的水文信息，實現(xiàn)信息技術(shù)為水利建設(shè)和管理服務(wù)。