孟 健，木正鵬，李留東，汪 康，蘭天麒

（1.杭州市水文水資源監(jiān)測中心，浙江 杭州 310016；2.河海大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100；3.杭州市臨安區(qū)水文站，浙江 杭州 311300）

0 引 言

河流流量是指單位時間內(nèi)通過河流斷面的水體體積，是河流最重要的水文要素之一。流量測驗是日常水文監(jiān)測的一項重要基礎(chǔ)性工作，監(jiān)測成果在公共水安全保障、生態(tài)環(huán)境治理中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，天然河流水文情勢復(fù)雜，水環(huán)境情況多樣，且高洪期間含沙量高、漂浮物多、水體紊動強(qiáng)烈，給目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀等經(jīng)典的接觸式測流儀器[1]測驗帶來巨大困難。因此，開展新一代河流流量監(jiān)測方法的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和河流相關(guān)學(xué)科的迫切需求[2]。

近年來，基于圖像智能識別的河流流量監(jiān)測方法（以下稱“圖像法測流”）因其非接觸、低成本、效率高等特點，在水文領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[3]。其中：大尺度粒子圖像測速法（LSPIV）可獲得全局流速場，但分辨率不高，且計算量較大[4]；大尺度粒子跟蹤測速法（LSPTV）可得到河流表面流速估計，但要求河流表面存在可見性較好的示蹤粒子[5]；時空圖像測速法（STIV）對外部噪聲較為敏感，且相比二維的LSPIV 和LSPTV，STIV 無法獲得流場細(xì)節(jié)，不適合往復(fù)流及渦流測量，但具有空間分辨率高、運算速度快等優(yōu)點[6]，適用于單向流河流水面流速實時監(jiān)測。

此次研究選取在杭州市中小河流代表水文站—— 臨安橋東村站開展。通過在該站點安裝新一代?？怠昂诠狻本W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和相關(guān)軟硬件，應(yīng)用基于快速傅里葉變換的時空圖像測速法（FFTSTIV）獲取研究河段的表面流場，系統(tǒng)分析實測流場的可靠性、合理性，耦合水文水力學(xué)流量計算模型，構(gòu)建智能化流量監(jiān)測系統(tǒng)，并綜合評價成果精度和系統(tǒng)運行情況，為該系統(tǒng)實際生產(chǎn)應(yīng)用提供實踐參考。

1 基于圖像智能識別的流量監(jiān)測系統(tǒng)概況

1.1 系統(tǒng)總體框架

本次投入實驗研究的圖像法測流系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、現(xiàn)場工控機(jī)、4G 全網(wǎng)通VPN 路由器、客戶端服務(wù)器與流量查算軟件等，總體設(shè)計方案見圖1。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)按需定時連續(xù)拍攝多幀水流畫面，由工控機(jī)上安裝的專門解析軟件提取，實現(xiàn)河流斷面指定起點距垂線表面流速、信噪比等關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲本地，客戶端服務(wù)器可網(wǎng)絡(luò)訪問工控機(jī)獲取測流數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾分析、合成計算后輸出流量監(jiān)測成果。

1.2 改進(jìn)的圖像法測流基本原理

采用快速傅里葉變換的時空圖像測速法（FFT-STIV），以天然漂浮物目標(biāo)和泡漩、泡沫等天然水面模式作為表征河流表面水體運動的示蹤對象進(jìn)行表面流速測流，其基本原理是：滿足質(zhì)量守恒定律的目標(biāo)短時內(nèi)的運動在時空圖像中表現(xiàn)出顯著方向性紋理特征，這可以反映目標(biāo)在指定空間方向上時均運動矢量的大小[7]。由傅里葉變換的自配準(zhǔn)性質(zhì)，紋理圖像的頻譜能量分布于經(jīng)過頻譜中心且與紋理方向正交的直線上，即空域中的紋理信息決定了頻域中譜線的方向、長度及強(qiáng)度[8]。將紋理主方向檢測問題轉(zhuǎn)換到頻域來解決，通過在時空圖像的幅度譜中檢測主方向，從而得到與之正交的紋理主方向，并換算為測速線上一維時均流速。經(jīng)錯誤矢量識別修正與水面流場定標(biāo)后得到世界坐標(biāo)系下的時均表面流速[9]，進(jìn)而推算斷面流量。

2 現(xiàn)場實驗

2.1 站點情況

此次實驗所在的橋東村水文站位于杭州市臨安區(qū)錦城街道青柯村，屬太湖水系東苕溪流域，集水面積233 km2，為國家基本水文站，現(xiàn)有降水、蒸發(fā)、水位、流量、泥沙等監(jiān)測項目。

該站測驗河段順直，長度約300 m，河寬約80 m，深槽偏左岸，砂卵石河床基本穩(wěn)定，兩岸建有防洪堤，歷史最高水位5.14 m，最大流量1 430 m3/s。該站實際生產(chǎn)使用懸索纜道結(jié)合轉(zhuǎn)子式流速儀法測流，洪水期漂浮物較多，嚴(yán)重影響流量測驗，研究應(yīng)用非接觸式測流技術(shù)十分必要。橋東村水文站水位級劃分見表1。

表1 橋東村水文站水位級劃分表 單位：m

2.2 比測方案

2.2.1 設(shè)備布設(shè)安裝

系統(tǒng)安裝調(diào)試工作于2022 年4 月8 日完成，測流系統(tǒng)安裝前經(jīng)實驗室充分標(biāo)定比對，攝像機(jī)安裝在斷面右岸水文纜道房頂，光軸平行于斷面方向，工控機(jī)、4G 全網(wǎng)通VPN 路由器等設(shè)備放置于纜道房內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)繼電器綁定于室外攝像機(jī)安裝支架。為加強(qiáng)夜間補(bǔ)光照明，在左岸纜道支柱上安裝白光LED 式水面補(bǔ)光燈。河道斷面與主要實驗設(shè)備位置關(guān)系見圖2。

圖2 測流斷面布置圖

2.2.2 數(shù)據(jù)收集選用

本次實驗比測工作結(jié)合站點日常生產(chǎn)開展，采用常規(guī)測流（或推流）方法與圖像法測流同步進(jìn)行流速、流量比測，以常規(guī)測流成果為“真值”，對圖像法測流成果進(jìn)行誤差等相關(guān)指標(biāo)的數(shù)理統(tǒng)計分析。為充分獲取實驗數(shù)據(jù)，圖像法測流頻次為每5 min 或10 min 測流1 次，于2022 年4 月8 日18:00—4 月27 日10:20 每10 min 測流1 次、4 月27 日10:30—6 月30 日23:55 每5 min 測流1 次，共計應(yīng)有測次19 333 次，實測測次18 887 次。纜道流速儀、ADCP 實測資料時間為2022 年1—6 月，水位流量關(guān)系采用2021 年最新整編成果數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 推流準(zhǔn)備

目前，針對非接觸法測流應(yīng)用較多的推流方法包括流速面積法、類浮標(biāo)法、指標(biāo)流速法及水動力學(xué)模型法等[10]。流速面積法、類浮標(biāo)法要求全斷面流速測量穩(wěn)定可靠，目前圖像法測流尚未達(dá)到；水動力學(xué)模型法較為復(fù)雜，實用性不強(qiáng)。本文重點對指標(biāo)流速法進(jìn)行分析。

3.1.1 流速橫向分布

天然河道斷面上的流速沿河寬的分布情態(tài)與水道斷面形狀有關(guān)，流速分布曲線的形狀與斷面形狀相似[11]。本次現(xiàn)場實驗中，測站2 次明顯漲落水過程出現(xiàn)在4 月13 日 0:00—15 日 23:50、6 月4 日00:00—6日 06:30期間，相應(yīng)水位變幅為1.81～2.88 m。鑒于已有研究揭示圖像法測流野外應(yīng)用在中高水期較適宜[12]，特在兼顧各水位級均勻分布的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選取中高水期若干測次數(shù)據(jù)繪制圖像法測點流速沿河寬分布圖（見圖3）。

圖3 測點流速沿河寬分布圖

由圖3 可知：①所選取的7 個隨機(jī)測次中，高水期的測次測點流速大小與斷面高程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而且不穩(wěn)定波動較低水時要平緩。分析主要原因與圖像法測流機(jī)理有較大關(guān)系，低水期水面受外界風(fēng)場等環(huán)境因素影響較大，表面流速測量隨機(jī)誤差很大；②7 個隨機(jī)測次測點流速均值分布曲線形狀和斷面形狀相似性較好，就中高水時段而言，圖像法測流能較為可靠地反映天然河道流速流量的變化；③起點距39 m、57 m 附近為測點流速波動相對低值區(qū)，這為代表性測點流速的選取提供了初步參考。需要說明的是，基于一致性考慮，7 個隨機(jī)測次選取均處于白天時段，對夜晚時段數(shù)據(jù)的分析亦有相似結(jié)果。

3.1.2 穩(wěn)定性分析

數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性是應(yīng)用指標(biāo)流速法推流時選取代表性測點（或垂線）流速所重點考慮的方面。測點（或垂線）流速的穩(wěn)定性可以用相同水情狀況下同一測點不同測次結(jié)果的離散程度進(jìn)行評估?？紤]到變差系數(shù)CV值可描述各種水文氣象變量的離散程度[13]，可通過計算不同測點數(shù)據(jù)樣本的CV值進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

值得注意的是，天然河道水情變化快，因此需對同一測點不同測次的流速序列進(jìn)行一致性變換。本次采用的具體方法是：①計算所有選用測次的平均水位，利用測站已知的水位流量關(guān)系曲線推算平均水位對應(yīng)的斷面平均流速V平均；②計算第i測次相應(yīng)水位下的斷面平均流速Vi；③令ai=V平均/Vi為第i測次各測點流速一致性變換改正數(shù)，則有：

式（1）中：Vij為第i測次第j測點流速，m/s；Vij變?yōu)榻?jīng)一致性變換后的相應(yīng)測點流速，m/s。

由流速橫向分布分析可知，圖像法測流系統(tǒng)高水時段測流適用性相對較好。為此，分白天與夜晚2 種情況，選取實驗階段水位較高且相對平穩(wěn)的6 月5 日15:00—17:50、19:00—20:40 進(jìn)行測點流速CV計算，時段對應(yīng)的水位變化范圍為2.79～2.88 m、2.60～2.71m，計算結(jié)果見圖4。

圖4 測點流速序列CV 值沿河寬分布圖

分析計算結(jié)果可知：①白天時段中，CV值呈中泓小，中泓向岸邊遞增的趨勢。起點距35～44 m 是CV的連續(xù)低值區(qū)，起點距57.5 m 處測點CV值最小，反映對應(yīng)起點距的測速成果穩(wěn)定性較好。②夜晚時段各測點CV值相較白天時段偏大，起點距22～28 m 是CV相對低值區(qū)，且遠(yuǎn)離系統(tǒng)安裝一側(cè)的測點CV值普遍比靠近一側(cè)的偏大，一定程度反映了夜間測流斷面光照分布仍是圖像法測流的重要影響要素之一。

3.1.3 指標(biāo)流速合成

經(jīng)前述分析可知，用于合成指標(biāo)流速的代表性測點流速可在CV低值區(qū)選取。重點分析白天時段，起點距35～44 m、57～58 m 是CV的低值區(qū)，考慮到最大程度消除測點流速測量的隨機(jī)誤差，在指標(biāo)流速合成中全部引用起點距35～44 m、57～58 m 對應(yīng)的測點流速，其計算公式為：

式（2）中：V指標(biāo)i為第i測次的合成指標(biāo)流速，m/s；β(35～44m)為起點距35～44 m 測點平均流速占指標(biāo)流速的權(quán)重系數(shù)；V(35～44m)i為第i測次起點距35～44 m 內(nèi)各測點的流速均值，m/s；β(57～58m)、V(57～58m)i示意以此類推。

式（2）中的權(quán)重系數(shù)β用“單寬流量比較法”予以確定。利用測站常規(guī)測流成果，計算統(tǒng)計該站不同水位級下35～44 m、57～58 m 處的單寬流量，通過式（3）、（4）計算權(quán)重系數(shù)β。

式（3）～（4）中：Q(35～44m)單為 起 點 距35～44 m 處的平均單寬流量，m3·s-1·m-1；Q(57～58m)單為起點距57～58 m 處的平均單寬流量，m3·s-1·m-1。

本次研究主要針對中高水時段推流，兼顧低水，推流最低水位定為1.90 m，常規(guī)資料推算β成果見表2。點繪β-Z（水位）關(guān)系圖（見圖5），可得推流水位（1.90～2.88 m）間平均β(57～58m)為0.741。因此，白天時段指標(biāo)流速合成公式為：V指標(biāo)i=0.259V(35～44m)i+0.741V(57～58m)i。

表2 基于纜道流速儀實測資料的各水位級下權(quán)重系數(shù)β(57～58 m) 計算成果表

圖5 權(quán)重系數(shù)β(57～58 m) 與水位關(guān)系圖

對實驗站點指標(biāo)流速滑動平均序列與實際斷面平均流速序列做趨勢對比，依據(jù)變化趨勢、相對離差情況進(jìn)行定性對比，并判別數(shù)據(jù)系列的吻合度。圖6 為指標(biāo)流速與斷面平均流速過程對比圖。從圖6 可看出，4 月13 日13:50—17:00、6 月5 日9:40—11:35 和15:10—18:00 期間兩流速序列趨勢性吻合相對較好，遂采用上述時段指標(biāo)流速與斷面平均流速做相關(guān)分析。

圖6 指標(biāo)流速與斷面平均流速過程對比圖

按水位級分段定線：水位1.90～2.40 m，V斷面平均=0.596 8V指標(biāo)0.7349；水位2.40 m 以上，V斷面平均=2.487 5V指標(biāo)3.6881；得出白天時段 指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)性見圖7。上述率定公式復(fù)相關(guān)系數(shù)R均大于0.8，接近于1，表明兩流速系列相關(guān)程度較高[15]。夜晚時段斷面平均流速推算公式亦可用上述方法擬合得到。

圖7 斷面平均流速與指標(biāo)流速相關(guān)圖

3.2 流量推求

選取實驗期中高水時段4 月13—15 日、6 月4—6 日共947 個連續(xù)測次，通過3.1 節(jié)的率定公式進(jìn)行推流，其中白天437 測次，夜晚510 測次。以40 min 為周期進(jìn)行滑動計算，并繪制4 月13—14 日、6 月5 日漲落水時段圖像法測流成果過程線圖（見圖8）。

圖8 橋東村水文站水位、流量過程線圖

3.3 誤差分析

計算圖像法測流結(jié)果與水位流量推流成果系列的相對誤差、隨機(jī)不確定度[14]等，以此對測流成果進(jìn)行誤差綜合評價。白天時段中，各測次按水位分段統(tǒng)計相對誤差均值在-12.70%～0.41%，總體相對誤差為-4.76%，水位高于2.75 m 的高水測次系列相對誤差均值、隨機(jī)不確定度分別為-1.93%、25.80%，其余水位級測次序列隨機(jī)不確定度均大于30.00%。夜晚時段中，各測次按水位分段統(tǒng)計相對誤差均值在-32.60%～33.90%，總體相對誤差為18.20%，水位高于2.75 m 的高水測次系列相對誤差均值、隨機(jī)不確定度為-4.63%、16.30%，其余水位級測次序列隨機(jī)不確定度均大于30.00%。具體測流成果誤差統(tǒng)計見表3。作為上述補(bǔ)充，利用比測期間6 次纜道流速儀法和圖像法測流成果進(jìn)行對比（4 月26 日系統(tǒng)故障停測，該日不做對比），對比成果見表4。

表3 實驗期中高水時段圖像法測流成果誤差統(tǒng)計表

表4 實驗期圖像法測流成果與纜道流速儀測流成果統(tǒng)計對比表

誤差統(tǒng)計結(jié)果顯示：圖像法測流應(yīng)用中高水期特別是高水期誤差相對較小，測量精度也基本與水位呈正相關(guān)，白天時段總體較夜晚時段測量精度高。其中，高水時段測次系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度分別在5%、20%左右，接近三類精度水文站的成果要求[15]。上述誤差統(tǒng)計分布產(chǎn)生的原因與圖像法測流原理密切相關(guān)，天然河流水位與流速通常呈正相關(guān)，即水位越高，流速越大。高水位條件下，河流流速大、紊動強(qiáng)烈，在水面易形成跟隨表層水流運動的泡漩和泡沫等天然水面模式，水面出現(xiàn)天然漂浮物的概率也更大，為表面流速測量提供較好的示蹤條件。反之，低水位河流流速小，水流紊動弱，示蹤對象易受風(fēng)力、降雨等干擾影響導(dǎo)致其跟隨性和可見性差，出現(xiàn)天然漂浮物的概率也較低，缺乏有效示蹤對象，進(jìn)而導(dǎo)致較大的測量誤差。

4 結(jié) 論

實驗期間，圖像法測流系統(tǒng)除短時段因串口線路不穩(wěn)定、工控機(jī)算力不足等原因?qū)е峦y外，其余時段均正常運行，每測次測量用時控制在80～100 s，其中4 月13 日、6 月5 日2 次漲水期連續(xù)無故障運行，測量完整率達(dá)97.7%。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)返回及時，工作效率滿足日常水文測報需求。

實驗數(shù)據(jù)分析顯示：圖像法測流成果總體可反映河流水情變化，成果的穩(wěn)定性、精度水平基本與河流流速呈正相關(guān)；水面各測點中測速穩(wěn)定性相差較大，存在局部相對穩(wěn)定區(qū)。利用指標(biāo)流速法對試驗站中高水時段（Z≥1.90 m）推流系統(tǒng)誤差7.60%；部分高水時段（Z≥2.75 m）推流系統(tǒng)誤差-2.13%， 隨機(jī)不確定度24.90%，監(jiān)測成果可作為相關(guān)工作參考使用。

未來應(yīng)改進(jìn)弱光照條件下的系統(tǒng)性能，亦可考慮在較寬斷面上增加圖像傳感器數(shù)量，耦合多傳感器測量數(shù)據(jù)，提高穩(wěn)定測點段覆蓋占比，加強(qiáng)測速成果自校正算法研究，以期獲取更為全面、精確的全場流速，為擴(kuò)展推流手段、提高測驗精度提供更多途徑。