視頻明渠流量計在水文測驗中的應用

魏海濤

洪澇災害會對群眾生命財產安全構成威脅，洪水多發(fā)期的河流流速與流量測量工作，對洪水預警具有重要作用，同時對水資源的調度提供重要數(shù)據(jù)支撐。水文站因選址建站要求往往交通不便且水文測量技術相對落后，采用傳統(tǒng)的人工測流方法無法獲得長期連續(xù)且頻次高的數(shù)據(jù)，在高洪時期缺乏便捷性，同時，無法保證測量人員安全。視頻明渠流量計適用于野外無人值守環(huán)境下的流量測量方法，對水資源調度及防洪預警工作具有重要意義。

1.應用范圍

視頻明渠流量計測流是一種全新的測流方法，可用于天然河流、灌渠和廢水渠道等。視頻明渠流量計可直接測得水位和流速，具有可視又可讀的特點，能夠使得所有數(shù)據(jù)有直觀化依據(jù)。

2.工作原理

設備采用高清視頻頭，通過識別水邊測得水位，再通過拍攝河水流動視頻，捕捉河水流動時表面產生的波浪運動，通過計算得到河水表面流速，根據(jù)流速在垂向的分布規(guī)律，推算得到整個測流斷面上的流速。預置大斷面錄入后，現(xiàn)場通過廠家的模型算法計算出流量。

水位識別：測流現(xiàn)場通過所測斷面兩岸的固定點高程，對水邊進行識別，從而計算出水位數(shù)據(jù)。

流速測量：利用幀差法計算運動顯著性圖，凸顯視頻所拍攝的水面運動圖，見圖1，提取相鄰2幀顯著性圖的SURF特征點，通過特征點匹配法找出相鄰2幀的匹配點，將匹配點間的距離作為特征點在2幀圖像間的運動距離，計算了多幀圖像間特征點運動距離的直方圖，該直方圖具有單峰特征，通過對直方圖進行曲線擬合，準確地找到峰值對應的距離，將其作為最優(yōu)運動距離。最后結合幀間時間和根據(jù)小孔成像原理導出的速度公式算出河水表面流速，這樣可以得出攝像頭覆蓋河面的流場，見圖2。

圖1 斷面流速分布圖

圖2 鏡頭范圍內以流場中心線為斷面計算流量

3.系統(tǒng)優(yōu)勢

一是安裝簡單。防風防雨的IP攝像頭和傳感器控制的紅外投影儀可以輕松安裝在立桿、混凝土結構建筑物及橋梁上。二是無人值守。視頻明渠流量計是一種非接觸式測量系統(tǒng)，不受淤積及漂浮物等影響，具有免維護性。三是代表性強。與其他的非接觸式傳感器（如雷達） 類型不同，視頻明渠流量計可以提供圖像部分上整個表面的流速，其流速數(shù)據(jù)圖具有代表性和空間性。四是遠程遙測。系統(tǒng)具有本地采集和處理所有數(shù)據(jù)（水位、流速曲線和流量）的功能，同時能夠將數(shù)據(jù)和圖像遠程發(fā)送給測流平臺，平臺可進行測流控制。五是智能系統(tǒng)。當處于特殊狀態(tài)（如在電池電壓低或傳感器漂移時）或超出、低于可定義的水位、流速、流量閾值時，會立即通過SMS和電子郵件等方式通知。六是適應性強?？梢栽诟鞣N環(huán)境、天氣和照明條件下使用，測流精度不受影響。七是無需流量示蹤劑。此流量測量系統(tǒng)的一個特點是不需要添加流量示蹤劑來進行流量檢測。八是功能多樣。不僅能進行測流，視頻明渠流量計還可以提供高清校樣圖像，在有特殊情況時，可以使用當前圖像信息來進行測流數(shù)據(jù)的驗證。

4.應用方法

4.1 儀器設備

此視頻明渠流量計采用全新方法，用于連續(xù)采集存儲天然河流、灌渠與廢水渠道的流速剖面、水位和流速，具有可視又可讀的特點，能夠使得所有數(shù)據(jù)有直觀化依據(jù)。視頻明渠流量系統(tǒng)硬件配由IP紅外攝像機、數(shù)據(jù)計算及傳輸單元以及交流供電系統(tǒng)組成。

4.2 工作流程

視頻采集模塊。采用帶紅外的IP攝像頭見圖3，支持不同的壓縮比和視頻大小，每次采集視頻約5～10s（時間可調），將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至本地數(shù)據(jù)計算及傳輸單元中。

圖3 視頻頭安裝圖

數(shù)據(jù)計算及傳輸模塊?，F(xiàn)場安裝機箱，數(shù)據(jù)計算機傳輸模塊安裝于機箱中，前端視頻采集攝像頭通過有線連接將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)計算及傳輸單元，數(shù)據(jù)計算及傳輸單元可直接在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)計算并發(fā)送至遠程監(jiān)控中心平臺。

監(jiān)控中心平臺。遠程監(jiān)控中心平臺基于WEB瀏覽器模式設計，采用公網(wǎng)IP服務器，可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行展示及存儲，同時，也可遠程操控臨時加測等，見圖4。

圖4 視頻文件截圖

5.注意事項

視頻明渠流量計是一種非接觸式測流設備，測速方法采用表面流速測量，通常在沒有特殊環(huán)境(例如風等)和人為（例如游泳等）影響下的情況下，表面流速具有代表性，與河流斷面平均流速具有相關性，但特殊情況情況下，有的河流并沒有流動，但風對水流表面產生影響，視覺下形成水面波紋，此時水流表面流速并不具備代表性，視頻明渠流量計將不適用于此種測流環(huán)境，具有一定的局限性。