傅 靜，宰維東，劉樹森

（德州市水文中心,山東 德州 253016）

1 影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)基本原理及適用范圍

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)又稱AI視頻測(cè)流,其流速監(jiān)測(cè)原理是通過對(duì)水面圖像進(jìn)行處理,提取畫面中的漂浮物或波紋、氣泡等水面紋理特征并進(jìn)行跟蹤匹配,采用基于SIFT特征的角點(diǎn)檢測(cè)的方法,對(duì)相鄰兩幀水面圖像上漂浮物、氣泡或者明顯波紋形成的角點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),然后對(duì)檢測(cè)到的特征點(diǎn)進(jìn)行SIFT特征提取,計(jì)算出特征點(diǎn)矢量運(yùn)動(dòng)的大小以及幀間時(shí)間,從而計(jì)算得到該點(diǎn)的實(shí)時(shí)流速值,原理類似傳統(tǒng)浮標(biāo)法。對(duì)河流表面流速和水位實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量,根據(jù)水位面積法實(shí)時(shí)計(jì)算出過水?dāng)嗝婷娣e,然后將斷面平均流速乘以過水?dāng)嗝婷娣e,即可實(shí)時(shí)計(jì)算出流量。

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)采用非接觸方式測(cè)驗(yàn)水道斷面上若干條垂線的水面流速,其流量計(jì)算方法與轉(zhuǎn)子流速儀一樣,部分流速乘以部分面積得部分流量,n個(gè)部分流量之和即為斷面虛流量,再乘以水面系數(shù),得到河流的實(shí)測(cè)流量。

式中：Qf為斷面虛流量,m3/s；Vi為水面流速（部分虛流速）,m/s；Ai為部分面積,m2；qi為斷面部分虛流量,m3/s。

式中：Kf為水面系數(shù)；V為水面平均流速；A為測(cè)流時(shí)的過水?dāng)嗝婷娣e；Q為斷面實(shí)測(cè)流量,m3/s。

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)適用于能夠根據(jù)河流斷面及水流特性建立流量計(jì)算模型的測(cè)站,尤其適合于高洪流量測(cè)驗(yàn)、淺灘過水流量測(cè)驗(yàn)、界河流量測(cè)驗(yàn)與應(yīng)急監(jiān)測(cè)等,對(duì)于含沙量大、表面漂浮物多的河道具備良好的適應(yīng)性。

2 四女寺閘水文站影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)基本參數(shù)

四女寺閘水文站采用的影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)包括前端監(jiān)測(cè)設(shè)備和應(yīng)用平臺(tái)兩個(gè)部分,其中前端監(jiān)測(cè)設(shè)備包括1臺(tái)水位監(jiān)測(cè)球機(jī)和1臺(tái)流速監(jiān)測(cè)球機(jī),對(duì)水文站全斷面進(jìn)行非接觸可視化測(cè)量,基于影像智能分析技術(shù)獲取水位和全斷面流速數(shù)據(jù),斷面跨度96 m,可覆蓋高、中、低水情況下的水面寬度。

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)性能：①流速數(shù)據(jù)采集：表面流速監(jiān)測(cè)范圍±0.2 m/s～15 m/s,測(cè)量偏差≤±8%；②最大斷面寬度100 m,可通過增加流速監(jiān)測(cè)球機(jī)來擴(kuò)展；③水位數(shù)據(jù)采集：識(shí)別精度≤±2 cm,支持階梯水尺自動(dòng)識(shí)讀；④記錄周期：自定義設(shè)置,最短可設(shè)置為1分鐘,當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)間隔設(shè)置為1小時(shí)；⑤支持輸入斷面數(shù)據(jù),可自動(dòng)計(jì)算河道實(shí)時(shí)流量和累計(jì)流量；⑥支持提供垂線流速、平均流速、流量、分?jǐn)嗝媪髁俊?shí)時(shí)水位、過水面積、水面寬度、最大水深等多種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；⑦支持應(yīng)急瀏覽功能,可手動(dòng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),查看周圍實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面；⑧設(shè)備自帶數(shù)據(jù)傳輸功能,支持按《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL 651-2014）和《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》（SZY 206-2016）向平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)。

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)其他技術(shù)指標(biāo)：①400萬像素高清視頻圖像,44 倍光學(xué)變焦；②支持水平360°旋轉(zhuǎn)；③支持內(nèi)置TF卡,單臺(tái)設(shè)備最大支持512 G,可自定義水情數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大小,存儲(chǔ)時(shí)長超五年；④支持H.265、H.264、M-JPEG編碼；⑤具有1個(gè)10 M/100 M自適應(yīng)網(wǎng)口,同時(shí)內(nèi)置4G模塊,全網(wǎng)通；⑥支持外接雨量筒,組成水雨情一體站；⑦閾值設(shè)置,實(shí)現(xiàn)水位/流速閾值告警；⑧自帶雨刷；⑨單臺(tái)設(shè)備尺寸：222（L）×222（W）×372（H）mm；⑩供電：支持POE、DC12V供電,太陽能板、市電均可供電,最大功率32.65 W,最小運(yùn)行功率0.3W；?接口:報(bào)警8入2出,音頻1入1出,內(nèi)置揚(yáng)聲器,支持1路RS485,1路CVBS；?防護(hù)等級(jí)：IP66；?工作溫度：-30℃～+70℃；?工作濕度：0～95%（無凝結(jié)）。

3 影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用方法

3.1 測(cè)流斷面的布設(shè)

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)流斷面布設(shè)于常規(guī)流速儀測(cè)流斷面的上游,與基本水尺斷面、常規(guī)流速儀測(cè)流斷面、走航式ADCP測(cè)流斷面接近,測(cè)流斷面垂直于流速較大的中、高水位水流方向。

3.2 測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比測(cè)

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)率定分析目的是將影像法設(shè)備所測(cè)得虛流量與傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行相關(guān)性分析,建立虛實(shí)流量相關(guān)關(guān)系方程,從而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化,達(dá)到生產(chǎn)應(yīng)用目的。率定方法主要包括以下幾種：①水位監(jiān)測(cè)。影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)使用視頻水位技術(shù),通過AI影像分析視頻畫面中的水尺讀數(shù)獲取水位數(shù)據(jù),支持接力水尺、階梯水尺連續(xù)讀數(shù),并可對(duì)水尺圖片進(jìn)行抓拍,實(shí)現(xiàn)人工水位二次校核；②影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)虛流量的測(cè)定。根據(jù)歷年水位變幅布設(shè)測(cè)次,測(cè)速垂線的布設(shè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷面寬度可設(shè)置,測(cè)速歷時(shí)為每條垂線30 s。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行,按照固定間隔采集數(shù)據(jù),自動(dòng)通過流速面積法計(jì)算出虛流量Q虛；③傳統(tǒng)方法實(shí)測(cè)流量的確定。采用走航式ADCP測(cè)定,測(cè)量時(shí)間必須與影像法虛流量的時(shí)間一致,水位偏差不大于2 cm。通過上述方法,不斷收集不同水位的虛、實(shí)流量關(guān)系點(diǎn)據(jù),當(dāng)收集到足夠數(shù)量點(diǎn)據(jù)即可開展相關(guān)關(guān)系分析工作。

3.3 率定資料收集

在2021年9月1日開始,影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)在四女寺南運(yùn)河、減河和漳衛(wèi)新河三個(gè)閘下斷面均實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)化測(cè)流,共測(cè)得超15萬組有效數(shù)據(jù)。

影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)率定分析是將所測(cè)得虛流量與傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行相關(guān)性分析,建立虛實(shí)流量相關(guān)關(guān)系方程,從而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化,達(dá)到生產(chǎn)應(yīng)用目的。影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)流斷面布設(shè)于常規(guī)流速儀測(cè)流斷面的上游,與基本水尺斷面、常規(guī)方法測(cè)流斷面接近。其測(cè)流斷面垂直于流速較大的中、高水位水流方向。

采用ADCP測(cè)定流量時(shí),測(cè)量時(shí)間、相應(yīng)水位必須與影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)虛流量的時(shí)間、水位一致。由于兩者測(cè)驗(yàn)總歷時(shí)的差異,在洪水期水位變化較快時(shí),比測(cè)有可能會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)水位不一致的情況。一般當(dāng)兩者相應(yīng)水位相差不超過±0.02 m時(shí),可不予糾正；大于0.02 m時(shí),采用水位流量關(guān)系線查讀影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)段的同步相應(yīng)水位所對(duì)應(yīng)的流量參與分析。通過上述方法,收集不同水位級(jí)的虛、實(shí)流量關(guān)系點(diǎn)據(jù),開展相關(guān)關(guān)系分析工作。

3.4 率定成果及誤差分析

結(jié)合ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),取2022年5月～7月的25組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與同一時(shí)間影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)獲得的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)分析,比測(cè)率定水位范圍19.09 m～20.79 m,水位變幅為1.7 m,流量范圍16.6 m3/s～52.8 m3/s,流量變幅為36.8 m3/s,樣本容量25,符號(hào)檢驗(yàn)1.6,允許1.64（顯著性水平a=1.10）；適線檢驗(yàn)1.94,允許2.04（顯著性水平a=0.05）；偏離數(shù)值檢驗(yàn)1.20,允許1.72（顯著性水平a=0.10）；標(biāo)準(zhǔn)差5.4；系統(tǒng)誤差1.51%,隨機(jī)不確定度12.8%。利用影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)虛、實(shí)流量比測(cè)率定成果,點(diǎn)繪Q虛～Q實(shí)相關(guān)關(guān)系圖,見圖1。從圖中可見關(guān)系點(diǎn)據(jù)呈明顯帶狀分布,規(guī)律性好,無異常突出點(diǎn),相關(guān)系數(shù)高于0.997,表明兩者之間相關(guān)性好。率定成果方程式如下：

圖1 四女寺閘水文站影像法和ADCP法流量系數(shù)曲線圖

式中：Q實(shí)為傳統(tǒng)方法實(shí)測(cè)流量；Q虛為影像法虛流量。

四女寺閘水文站水位流量關(guān)系曲線比測(cè)分析采用ADCP實(shí)測(cè)流量,與影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)所測(cè)的全部虛流量建立相關(guān)關(guān)系,分析出系數(shù)或數(shù)學(xué)模型后,將其系數(shù)或數(shù)模代入視頻影像的虛流量計(jì)算出斷面流量。選取25個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)行誤差分析后,通過三種定線檢驗(yàn),計(jì)算得相關(guān)系數(shù)R2=0.9974,系統(tǒng)誤差為1.51%,隨機(jī)不確定度12.8%,達(dá)到《水文資料整編規(guī)范》中水文站水位流量關(guān)系定線精度的要求,成果合格。

4 結(jié)語

四女寺閘水文站采用智能視頻影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè),在相應(yīng)水位、流速、流量適用范圍內(nèi)應(yīng)用是可行的。與傳統(tǒng)纜道流速儀、走航式ADCP測(cè)流相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)：①智能化、自動(dòng)化,省時(shí)省力,操作簡(jiǎn)單,易于管理和優(yōu)化升級(jí),解放勞動(dòng)力；②實(shí)時(shí)性,可根據(jù)需要加密監(jiān)測(cè)河流斷面實(shí)時(shí)的流速、流量變化過程,保證水文資料的完整性；③安全性,智能視頻影像自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)速時(shí)設(shè)備不受污水腐蝕,不受泥沙影響,土建簡(jiǎn)單,不受水毀影響,便于維護(hù),保障人員和儀器的安全。

四女寺閘水文站影像法流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)比測(cè)分析采用ADCP實(shí)測(cè)流量與該系統(tǒng)所測(cè)的全部虛流量建立相關(guān)關(guān)系,分析出系數(shù)或數(shù)學(xué)模型后,將其系數(shù)或數(shù)模代入視頻影像的虛流量計(jì)算出斷面流量,并與ADCP水位流量關(guān)系曲線上的流量進(jìn)行誤差分析,通過三種定線檢驗(yàn),計(jì)算得相關(guān)系數(shù)R2=0.9974,系統(tǒng)誤差為1.51%,隨機(jī)不確定度12.8%,達(dá)到《水文資料整編規(guī)范》中水文站水位流量關(guān)系定線精度的要求,成果合格,所得的水面系數(shù)或數(shù)學(xué)模型即為所求,可用于今后一段時(shí)期的生產(chǎn)應(yīng)用中。