陳 夢，陳 華，黃貴平，王衡生，王曉昇，高亞芬，項伍林，劉炳義，，王 俊

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072； 2.福建省水文水資源中心七里街水文站，福建 建甌 353100； 3.福建省水文水資源中心，福建 福州 350024； 4.武漢大水云科技有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

流量資料廣泛應(yīng)用于水文學(xué)的測驗、預(yù)報、計算與水工程實踐中，在社會生活的各方各面充當(dāng)著不可替代的基石功能。長期以來，流量測驗發(fā)展出了多種方法如流速儀法、浮標(biāo)法和走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profil‐ers，ADCP）法等，這類傳統(tǒng)入水接觸式測流方法受到諸多限制，一方面耗費人力物力、效率不高、精度有限，同時儀器購買和維護(hù)成本高昂；另一方面易受極端天氣影響，難以采集大流量數(shù)據(jù)，而近年來受全球氣候變化的影響，極端洪水頻頻發(fā)生，對傳統(tǒng)測流方法提出了挑戰(zhàn)。在新時期的智慧水利背景下傳統(tǒng)測流方法已難以滿足需要，近年來隨著計算機和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新型的基于河流表面圖像識別的視頻測流方法將成為解決問題的最佳途徑之一，在2019年水利部《關(guān)于印發(fā)水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求的通知》以及全國水文工作會議中，已經(jīng)明確提出圖像識別技術(shù)將是今后流量測量研究和發(fā)展的一個重要方向和內(nèi)容［1］。時空影像法是圖像識別方法的典型代表，與傳統(tǒng)測流方法相比，基于時空影像法的視頻測流方法具有測量快速、安全高效、全量程監(jiān)測、受極端情況影響小、成本低等顯著優(yōu)勢，可以認(rèn)為是河流流量測驗領(lǐng)域的一次革命，具有廣闊的發(fā)展前景和獨特的應(yīng)用潛力。

時空影像法是通過拍攝水流運動情況，使用水流表面流動特征（漣漪、波紋等）代替實際粒子示蹤，并形成以供分析的時空圖像，以計算河流表面一維流速的方法。2008年Fujita等［2］首次提出該方法并命名，同時使用梯度張量法來識別時空圖像紋理角，之后數(shù)年該研究團(tuán)隊針對STIV做了大量研究［3-5］，拓寬了方法的時間限制和河寬上限，設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)濾波器并提出二維自相關(guān)函數(shù)法（QESTA）檢測紋理角大小。現(xiàn)階段STIV方法的研究仍以國外學(xué)者尤其日本為中心，近幾年國內(nèi)開始開展相關(guān)討論，王慧斌、張振等人提出基于時空圖像頻譜的紋理角識別方法（FFT）［6，7］，趙浩源等在崇陽站開展了STIV法與轉(zhuǎn)子流速儀的比測試驗［8］，為更好地去除圖像的噪聲，提出了基于頻域的濾波技術(shù)來提高計算精度［9］。

總結(jié)目前的研究成果，發(fā)現(xiàn)STIV作為一維測速方法空間分辨率高、計算效率高、同時不會影響河道的水力特性，在流量測驗方面展現(xiàn)出優(yōu)秀的性能和突出的應(yīng)用潛力，但目前國內(nèi)相關(guān)試驗做得較少，深入研究基于STIV法的視頻測流方法及在國內(nèi)河流的測量表現(xiàn)很有必要。為此，本文將以視頻非接觸式流量測驗方法為研究對象，研究建立基于視頻的河道流速流量計算方法，選取建甌市七里街水文站為示范應(yīng)用站進(jìn)行流量比測試驗，并對結(jié)果進(jìn)行精度評估及誤差分析，以驗證方法的可行性，并探討提升方向。

1 基于視頻的河道流速流量計算方法

1.1 時空影像測速方法

時空影像法是新型高效的非接觸式測速方法，通過拍攝視頻來代替人工的觀察和下水測驗。河流表面生成的漣漪和波紋等流動特征隨水面一起運動，帶動河面亮度或顏色變化，變化速度可以近似代表水流表面流速。該天然示蹤物的運動軌跡可用三維時空域(x-y-t)進(jìn)行描述（x-y表示示蹤物所在的河面二維水平坐標(biāo)系，t表示運動時間），如圖1（a）所示，在一維空間坐標(biāo)（x或y）和一維時間坐標(biāo)t組成的二維平面（x-t或y-t）上展開，運動軌跡在圖像上呈現(xiàn)為均勻的帶狀紋理，如圖1（b）所示，反映出水流在這一方向上的運動速度，從而將運動速度的估計轉(zhuǎn)化為了計算時空影像中紋理的朝向。此即時空圖像獲取河流表面一維流速的基本原理。

圖1 時空影像法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of STIV

求解水流運動的一維流速的步驟是，在合適的河段安裝設(shè)備拍攝河流運動視頻，并提前標(biāo)定圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，之后在視頻中的河面區(qū)域沿水流方向繪制一系列平行等長的測速線，并從視頻中逐幀提取每條測速線的灰度信息，沿y方向按照時間順序自上而下堆疊排列合成時空圖像。圖像里測速線上的亮度變化呈現(xiàn)為近似平行的帶狀紋理，其朝向分布即與豎直線所夾角度（紋理角）即反映了河流表面的流速大小，可用梯度張量法等方法識別帶狀紋理角度并計算表面流速。

1.2 流量計算方法

由表面流速推算斷面流量的方法以是否預(yù)處理表面流速分為兩種，一種是將表面流速轉(zhuǎn)化為常規(guī)使用的垂線平均流速，之后使用流速面積法計算流量，對應(yīng)表面流速系數(shù)法；另一種是通過表面流速直接計算虛流量，根據(jù)虛流量與實測流量的相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化得到實際流量，對應(yīng)流量關(guān)系率定法。

1.2.1 表面流速系數(shù)法

表面流速系數(shù)法通過引入流速轉(zhuǎn)換系數(shù)α，使橫向河面流速v乘以該系數(shù)后近似等于水深平均流速v'，從而估算實際平均流速。該方法的關(guān)鍵在于表面流速系數(shù)的選取，根據(jù)河流不同的垂線流速分布情況選取合適的轉(zhuǎn)換系數(shù)才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。常用對數(shù)分布和指數(shù)分布描述均勻流的垂直流速分布，對應(yīng)的表面流速系數(shù)α計算公式：

式中：h/z0和m是與河道粗糙度有關(guān)的參數(shù)。通常α的計算結(jié)果在0.80～0.88之間［10］。

1.2.2 流量關(guān)系率定法

流量關(guān)系率定法通過時空影像法獲得的一系列表面流速按照流速面積法計算得到的斷面虛流量Qs及同時段下通過流速儀或ADCP得到的實測流量Qc，率定得到相關(guān)函數(shù)關(guān)系Qc=f(Qs)，之后對于新獲得的表面流速數(shù)據(jù)只需計算虛流量Qs，并按照率定好的相關(guān)關(guān)系f(x)轉(zhuǎn)換即可獲得實際流量Q。

由于實測時段與視頻拍攝時段有時由于各種因素?zé)o法重合，此種情形下可以考慮使用實測水位及流量資料繪制包括視頻測流時段水位的水位-流量關(guān)系曲線，以查線得到的流量作為實測流量Qc。同時率定得到的曲線在投入使用前，還需要完成誤差檢驗以保證精度。

2 河道視頻流量計算比測試驗

本研究選取建甌市七里街水文站作為試驗場地，搭建視頻測流平臺，開展視頻測流方法和轉(zhuǎn)子式流速儀的流量比測試驗，逐步實現(xiàn)對流量的實時在線監(jiān)測。

2.1 試驗概況及目的

研究測站七里街水文站是閩江建溪流域的控制站，屬于一類精度站，測驗河段順直，水流平順暢通，測驗斷面相對穩(wěn)定，歷年的水位流量關(guān)系都呈單一曲線，是現(xiàn)階段水文測站的典型代表。其測驗河段寬廣，測驗工作重要繁瑣，使用的傳統(tǒng)流速儀測流方法逐漸不能滿足新時期智慧水利的要求，為進(jìn)一步改進(jìn)流量測驗和資料整編工作，在七里街水文站搭建視頻測流平臺，開展視頻測流方法和轉(zhuǎn)子式流速儀的流量計算比測試驗，具體目的如下：

（1）建立新型流量推算方案，探索視頻測流方法在河段不同水力條件和水流特性下的適用條件和適用范圍，為其他站點開展方法變革提供參考；

（2）檢驗視頻測流方法的先進(jìn)性和精度水平，同時分析提出改進(jìn)思路，為將來使用視頻方法的水文測量提供一定指導(dǎo)意見。

2.2 試驗方法及內(nèi)容

研究于2021年5-12月進(jìn)行設(shè)備安裝并采集時空影像法測流圖像，試驗選取75條視頻，含所有中高水條件下的和部分質(zhì)量較好的低水位視頻。將其按時空影像法和表面流速系數(shù)法（α取0.85）測流得到的平均流速作為樣本數(shù)據(jù)（斷面面積相同時可用流速代替流量進(jìn)行率定），大部分作為率定樣本，考慮到避免出現(xiàn)過擬合，各水位下預(yù)留一定量的檢驗樣本。

研究采用轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行斷面實測流量的測量工作，取每段視頻開始之后的五分鐘為比測時段，將視頻開始時間與結(jié)束時間所對應(yīng)的水位進(jìn)行平均得到本次比測相應(yīng)水位。考慮到試驗視頻采集時段長、跨度大，期間攝像機設(shè)置為較短間隔自動拍攝，從而視頻數(shù)據(jù)量較多且時間分布廣，流速儀同步測流實施困難、各方面成本較高，因此于2021年1-12月單獨現(xiàn)場測量得到全年內(nèi)共68條比測流量數(shù)據(jù)，包括斷面流量、斷面面積和實時水位。

比測數(shù)據(jù)的時間范圍和水位范圍較廣，基本包含測站可能的水位變幅，觀察到水位-斷面面積數(shù)據(jù)分布存在一定的趨勢變化，結(jié)合測站斷面情況采用水位分段方式擬合比測曲線，水位分界點選取為90.4、96.6 m。通過查線可查找視頻拍攝時間對應(yīng)的實測流量和斷面面積，計算得到比測線上平均流速。研究75次樣本資料，比測期間水位變幅為89.41～100.43 m，視頻測流流量變幅為36.86～9 664.37 m3/s，對應(yīng)最小平均流速0.14 m/s，最大平均流速2.95 m/s。測量結(jié)果能代表七里街水文站的水位、流速和流量的變化情況，流量測驗結(jié)果具有一定的代表性。

2.3 試驗結(jié)果

率定樣本由17次低水位數(shù)據(jù)、30次中水位數(shù)據(jù)和21次高水位數(shù)據(jù)組成。在3種水位條件下，分別將視頻測流平均流速Vs和比測線上流速Vc進(jìn)行回歸分析（采用最小二乘法），最終均選擇采用帶截距的一元線性關(guān)系進(jìn)行率定，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 流速關(guān)系率定結(jié)果圖Fig.2 Flow velocity relation calibration result diagram

由圖2可知曲線率定的決定系數(shù)都較高，流速范圍與水位呈正相關(guān)，且不同水位下斜率變化明顯，水位越高斜率越大。圖2（a）和圖2（b）相關(guān)性較好，原因分別是考慮到低水期容易出現(xiàn)流速小結(jié)果不準(zhǔn)的情況，低水視頻篩選時更為嚴(yán)格，從大量的低水視頻中篩選留下的樣本視頻質(zhì)量較高；中水樣本量較多且部分?jǐn)?shù)據(jù)分布集中，有利于較好地擬合。由于收集到的高水?dāng)?shù)據(jù)較少，存在可能的抽樣誤差，同時篩選時對視頻質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)更低，從而圖2（c）的率定結(jié)果相對較差，但也能反映較明顯的線性趨勢。

3 試驗誤差分析

3.1 曲線誤差計算

對于視頻測流結(jié)果與實測結(jié)果率定得到的關(guān)系曲線，需要進(jìn)行定線誤差分析和檢驗誤差分析兩項工作。定線誤差分析需要計算系統(tǒng)誤差、隨機不確定度兩項精度指標(biāo)，并參考穩(wěn)定單一的水位流量關(guān)系曲線的定線精度要求進(jìn)行合格與否的判斷；通過后對關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗誤差分析，按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）1100/2［11］的要求，需要進(jìn)行三項檢驗：符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗，以確保定線結(jié)果的可靠和準(zhǔn)確?！端臏y驗整編規(guī)范》（SL247-2012）［12］對一類精度水文站的定線精度要求系統(tǒng)誤差在±1%之內(nèi)，隨機不確定度不大于8%，對檢驗誤差要求三項檢驗的計算值應(yīng)均小于臨界值。

檢驗均通過后，最后需要計算檢驗樣本的關(guān)系線上流量與實測值的相對誤差大小，判斷是否在合理范圍內(nèi)。通過所有誤差計算后認(rèn)為該條曲線可信，可用于水文測驗當(dāng)中。

計算并整理3種水位條件下的誤差計算結(jié)果于表1，與規(guī)范要求相比較可以發(fā)現(xiàn)各水位下結(jié)果均滿足五項檢查項的檢驗要求，可以得到關(guān)系率定結(jié)果較為合理的結(jié)論。

表1 率定誤差結(jié)果匯總表Tab.1 Summary of calibration error results

利用預(yù)留的檢驗樣本對率定關(guān)系進(jìn)行檢驗，分別為2個低水樣本，3個中水樣本和2個高水樣本，計算結(jié)果見表2，檢驗誤差最大為5.54%。結(jié)果表明，率定擬合的關(guān)系線精度效果較好，能夠滿足水文測驗要求。

表2 檢驗誤差計算結(jié)果表Tab.2 Calculation results of inspection error

整理擬合關(guān)系式結(jié)果于表3。

表3 流量關(guān)系率定轉(zhuǎn)換式Tab.3 Discharge relation calibration conversion formula

由率定關(guān)系式修正視頻測流流量，點繪新的水位～流量關(guān)系曲線如圖3（a）所示，由圖可得視頻測流擬合的水位～流量關(guān)系曲線效果較好，基本與原曲線重疊，可認(rèn)為視頻測流方法精度較高。交換橫縱坐標(biāo)系，得到通常水文站查線圖如圖3（b）所示。

圖3 H～Q關(guān)系曲線圖Fig.3 H～Q relation curve

3.2 誤差來源分析

3.2.1 誤差可能來源

誤差與多種因素有關(guān)，測驗方法的選擇和測量條件（測量對象、儀器、自然環(huán)境、人）的影響都會導(dǎo)致結(jié)果與真值之間不可避免地存在差異［13］，總結(jié)誤差并提出改進(jìn)方法對于提升測驗精度具備重要意義。由于非接觸式測流方法屬于自動化測驗，受到人為因素影響較小，且在視頻篩選階段可以去掉很大一部分受影響的視頻，因此分析誤差主要來自：①光線和風(fēng)力對視頻的影響；②時空影像法算法上不完善的部分；③數(shù)據(jù)的抽樣誤差；④測量誤差等。

3.2.2 誤差控制方法

誤差有些是難以避免的、不可控的，另外一些是可以通過有效措施來控制和減小的。在之后的實際工作中可以考慮采取以下手段來控制誤差：①保持測驗環(huán)境陽光充足、無風(fēng)雨無干擾；②改進(jìn)時空影像法算法；③減小視頻拍攝間隔，增加視頻拍攝次數(shù)；④建立主要儀器、測具及相關(guān)測驗設(shè)備裝置的定期檢查登記制度、及時更新斷面實測數(shù)據(jù)，規(guī)范操作程序等。

4 結(jié) 論

隨著水文科學(xué)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，新時期的水文信息采集和流量測驗工作需要更加現(xiàn)代化、智能化的方法，基于視頻的河道流量測驗方法已經(jīng)成為測流技術(shù)發(fā)展中的一個重要方向和內(nèi)容。本研究以基于視頻的河道流量測驗為研究對象，討論了時空影像測速方法及兩種斷面流量計算方法，開展七里街水文站流量比測試驗并對結(jié)果進(jìn)行精度評估及誤差分析。本研究主要的研究結(jié)論如下：

（1）視頻測流方法作為非接觸式的新儀器方法，具備測量快速、安全高效、全量程監(jiān)測、受極端情況影響小、成本低等優(yōu)勢，適合新時期的水文測驗工作，其測速原理為時空影像法，得到的表面流速可通過表面流速系數(shù)法及流量關(guān)系率定法推算斷面流量；

（2）采用以水位分段的一元線性定線方式建立七里街水文站的流速流量轉(zhuǎn)換關(guān)系，實際有效比測水位范圍為89.41～100.43 m，流量范圍為69.31～9 122.57 m3/s；關(guān)系線系統(tǒng)誤差最大為0.11%，隨機不確定度最大為7.80%，相對誤差均在±8%以內(nèi)，與比測結(jié)果對照良好，各項指標(biāo)精度符合規(guī)范要求；據(jù)此得到的水位～流量關(guān)系曲線可作為七里街水文站的推流方案；

（3）試驗結(jié)果表明視頻測流方法的測流結(jié)果精度較高，安全性好，測流范圍廣，具備應(yīng)用于實際測驗工作的可行性和強大潛力，可以有效提高流量測驗效率、減輕外業(yè)勞動強度、節(jié)省人力物力，對其深入研究和發(fā)展應(yīng)用可以進(jìn)一步推動我國水文測驗現(xiàn)代化和智慧化建設(shè)。