河道流量視頻測(cè)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究及誤差分析

陳 夢(mèng)，陳 華，黃貴平，王衡生，王曉昇，高亞芬，項(xiàng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)、預(yù)報(bào)、計(jì)算與水工程實(shí)踐中，在社會(huì)生活的各方各面充當(dāng)著不可替代的基石功能。長(zhǎng)期以來(lái)，流量測(cè)驗(yàn)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(cè)流方法受到諸多限制，一方面耗費(fèi)人力物力、效率不高、精度有限，同時(shí)儀器購(gòu)買(mǎi)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(lái)受全球氣候變化的影響，極端洪水頻頻發(fā)生，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)流方法提出了挑戰(zhàn)。在新時(shí)期的智慧水利背景下傳統(tǒng)測(cè)流方法已難以滿足需要，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)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(shí)別的視頻測(cè)流方法將成為解決問(wèn)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(guó)水文工作會(huì)議中，已經(jīng)明確提出圖像識(shí)別技術(shù)將是今后流量測(cè)量研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向和內(nèi)容［1］。時(shí)空影像法是圖像識(shí)別方法的典型代表，與傳統(tǒng)測(cè)流方法相比，基于時(shí)空影像法的視頻測(cè)流方法具有測(cè)量快速、安全高效、全量程監(jiān)測(cè)、受極端情況影響小、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，可以認(rèn)為是河流流量測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域的一次革命，具有廣闊的發(fā)展前景和獨(dú)特的應(yīng)用潛力。

時(shí)空影像法是通過(guò)拍攝水流運(yùn)動(dòng)情況，使用水流表面流動(dòng)特征（漣漪、波紋等）代替實(shí)際粒子示蹤，并形成以供分析的時(shí)空?qǐng)D像，以計(jì)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(shí)使用梯度張量法來(lái)識(shí)別時(shí)空?qǐng)D像紋理角，之后數(shù)年該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)STIV做了大量研究［3-5］，拓寬了方法的時(shí)間限制和河寬上限，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)濾波器并提出二維自相關(guān)函數(shù)法（QESTA）檢測(cè)紋理角大小。現(xiàn)階段STIV方法的研究仍以國(guó)外學(xué)者尤其日本為中心，近幾年國(guó)內(nèi)開(kāi)始開(kāi)展相關(guān)討論，王慧斌、張振等人提出基于時(shí)空?qǐng)D像頻譜的紋理角識(shí)別方法（FFT）［6，7］，趙浩源等在崇陽(yáng)站開(kāi)展了STIV法與轉(zhuǎn)子流速儀的比測(cè)試驗(yàn)［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(lái)提高計(jì)算精度［9］。

總結(jié)目前的研究成果，發(fā)現(xiàn)STIV作為一維測(cè)速方法空間分辨率高、計(jì)算效率高、同時(shí)不會(huì)影響河道的水力特性，在流量測(cè)驗(yàn)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(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)做得較少，深入研究基于STIV法的視頻測(cè)流方法及在國(guó)內(nèi)河流的測(cè)量表現(xiàn)很有必要。為此，本文將以視頻非接觸式流量測(cè)驗(yàn)方法為研究對(duì)象，研究建立基于視頻的河道流速流量計(jì)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(cè)試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)估及誤差分析，以驗(yàn)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(jì)算方法

1.1 時(shí)空影像測(cè)速方法

時(shí)空影像法是新型高效的非接觸式測(cè)速方法，通過(guò)拍攝視頻來(lái)代替人工的觀察和下水測(cè)驗(yàn)。河流表面生成的漣漪和波紋等流動(dòng)特征隨水面一起運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡可用三維時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)間），如圖1（a）所示，在一維空間坐標(biāo)（x或y）和一維時(shí)間坐標(biāo)t組成的二維平面（x-t或y-t）上展開(kāi)，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度，從而將運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)轉(zhuǎn)化為了計(jì)算時(shí)空影像中紋理的朝向。此即時(shí)空?qǐng)D像獲取河流表面一維流速的基本原理。

圖1 時(shí)空影像法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of STIV

求解水流運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的測(cè)速線，并從視頻中逐幀提取每條測(cè)速線的灰度信息，沿y方向按照時(shí)間順序自上而下堆疊排列合成時(shí)空?qǐng)D像。圖像里測(cè)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(shí)別帶狀紋理角度并計(jì)算表面流速。

1.2 流量計(jì)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(jì)算流量，對(duì)應(yīng)表面流速系數(shù)法；另一種是通過(guò)表面流速直接計(jì)算虛流量，根據(jù)虛流量與實(shí)測(cè)流量的相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化得到實(shí)際流量，對(duì)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(guò)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(shí)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(duì)數(shù)分布和指數(shù)分布描述均勻流的垂直流速分布，對(duì)應(yīng)的表面流速系數(shù)α計(jì)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(jì)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(guò)時(shí)空影像法獲得的一系列表面流速按照流速面積法計(jì)算得到的斷面虛流量Qs及同時(shí)段下通過(guò)流速儀或ADCP得到的實(shí)測(cè)流量Qc，率定得到相關(guān)函數(shù)關(guān)系Qc=f(Qs)，之后對(duì)于新獲得的表面流速數(shù)據(jù)只需計(jì)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(shí)際流量Q。

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

2 河道視頻流量計(jì)算比測(cè)試驗(yàn)

本研究選取建甌市七里街水文站作為試驗(yàn)場(chǎng)地，搭建視頻測(cè)流平臺(tái)，開(kāi)展視頻測(cè)流方法和轉(zhuǎn)子式流速儀的流量比測(cè)試驗(yàn)，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2.1 試驗(yàn)概況及目的

研究測(cè)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(cè)驗(yàn)河段順直，水流平順暢通，測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)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(cè)站的典型代表。其測(cè)驗(yàn)河段寬廣，測(cè)驗(yàn)工作重要繁瑣，使用的傳統(tǒng)流速儀測(cè)流方法逐漸不能滿足新時(shí)期智慧水利的要求，為進(jìn)一步改進(jìn)流量測(cè)驗(yàn)和資料整編工作，在七里街水文站搭建視頻測(cè)流平臺(tái)，開(kāi)展視頻測(cè)流方法和轉(zhuǎn)子式流速儀的流量計(jì)算比測(cè)試驗(yàn)，具體目的如下：

（1）建立新型流量推算方案，探索視頻測(cè)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(diǎn)開(kāi)展方法變革提供參考；

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

2.2 試驗(yàn)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(shí)空影像法測(cè)流圖像，試驗(yàn)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(shí)空影像法和表面流速系數(shù)法（α取0.85）測(cè)流得到的平均流速作為樣本數(shù)據(jù)（斷面面積相同時(shí)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(guò)擬合，各水位下預(yù)留一定量的檢驗(yàn)樣本。

研究采用轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行斷面實(shí)測(cè)流量的測(cè)量工作，取每段視頻開(kāi)始之后的五分鐘為比測(cè)時(shí)段，將視頻開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間所對(duì)應(yīng)的水位進(jìn)行平均得到本次比測(cè)相應(yīng)水位?？紤]到試驗(yàn)視頻采集時(shí)段長(zhǎng)、跨度大，期間攝像機(jī)設(shè)置為較短間隔自動(dòng)拍攝，從而視頻數(shù)據(jù)量較多且時(shí)間分布廣，流速儀同步測(cè)流實(shí)施困難、各方面成本較高，因此于2021年1-12月單獨(dú)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到全年內(nèi)共68條比測(cè)流量數(shù)據(jù)，包括斷面流量、斷面面積和實(shí)時(shí)水位。

比測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍和水位范圍較廣，基本包含測(cè)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(shì)變化，結(jié)合測(cè)站斷面情況采用水位分段方式擬合比測(cè)曲線，水位分界點(diǎn)選取為90.4、96.6 m。通過(guò)查線可查找視頻拍攝時(shí)間對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)流量和斷面面積，計(jì)算得到比測(cè)線上平均流速。研究75次樣本資料，比測(cè)期間水位變幅為89.41～100.43 m，視頻測(cè)流流量變幅為36.86～9 664.37 m3/s，對(duì)應(yīng)最小平均流速0.14 m/s，最大平均流速2.95 m/s。測(cè)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(cè)驗(yàn)結(jié)果具有一定的代表性。

2.3 試驗(yàn)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(cè)流平均流速Vs和比測(cè)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(shí)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?cái)M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(shí)篩選時(shí)對(duì)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(duì)較差，但也能反映較明顯的線性趨勢(shì)。

3 試驗(yàn)誤差分析

3.1 曲線誤差計(jì)算

對(duì)于視頻測(cè)流結(jié)果與實(shí)測(cè)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(yàn)誤差分析兩項(xiàng)工作。定線誤差分析需要計(jì)算系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度兩項(xiàng)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(guò)后對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗(yàn)誤差分析，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）1100/2［11］的要求，需要進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)：符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)，以確保定線結(jié)果的可靠和準(zhǔn)確。《水文測(cè)驗(yàn)整編規(guī)范》（SL247-2012）［12］對(duì)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(jī)不確定度不大于8%，對(duì)檢驗(yàn)誤差要求三項(xiàng)檢驗(yàn)的計(jì)算值應(yīng)均小于臨界值。

檢驗(yàn)均通過(guò)后，最后需要計(jì)算檢驗(yàn)樣本的關(guān)系線上流量與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差大小，判斷是否在合理范圍內(nèi)。通過(guò)所有誤差計(jì)算后認(rèn)為該條曲線可信，可用于水文測(cè)驗(yàn)當(dāng)中。

計(jì)算并整理3種水位條件下的誤差計(jì)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(xiàng)檢查項(xiàng)的檢驗(yàn)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(yàn)樣本對(duì)率定關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，分別為2個(gè)低水樣本，3個(gè)中水樣本和2個(gè)高水樣本，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，檢驗(yàn)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(cè)驗(yàn)要求。

表2 檢驗(yàn)誤差計(jì)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(cè)流流量，點(diǎn)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(cè)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(cè)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(lái)源分析

3.2.1 誤差可能來(lái)源

誤差與多種因素有關(guān)，測(cè)驗(yàn)方法的選擇和測(cè)量條件（測(cè)量對(duì)象、儀器、自然環(huán)境、人）的影響都會(huì)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(duì)于提升測(cè)驗(yàn)精度具備重要意義。由于非接觸式測(cè)流方法屬于自動(dòng)化測(cè)驗(yàn)，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(lái)自：①光線和風(fēng)力對(duì)視頻的影響；②時(shí)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(cè)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(guò)有效措施來(lái)控制和減小的。在之后的實(shí)際工作中可以考慮采取以下手段來(lái)控制誤差：①保持測(cè)驗(yàn)環(huán)境陽(yáng)光充足、無(wú)風(fēng)雨無(wú)干擾；②改進(jìn)時(shí)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(cè)具及相關(guān)測(cè)驗(yàn)設(shè)備裝置的定期檢查登記制度、及時(shí)更新斷面實(shí)測(cè)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(shí)期的水文信息采集和流量測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)方法已經(jīng)成為測(cè)流技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要方向和內(nèi)容。本研究以基于視頻的河道流量測(cè)驗(yàn)為研究對(duì)象，討論了時(shí)空影像測(cè)速方法及兩種斷面流量計(jì)算方法，開(kāi)展七里街水文站流量比測(cè)試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)估及誤差分析。本研究主要的研究結(jié)論如下：

（1）視頻測(cè)流方法作為非接觸式的新儀器方法，具備測(cè)量快速、安全高效、全量程監(jiān)測(cè)、受極端情況影響小、成本低等優(yōu)勢(shì)，適合新時(shí)期的水文測(cè)驗(yàn)工作，其測(cè)速原理為時(shí)空影像法，得到的表面流速可通過(guò)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(shí)際有效比測(cè)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(jī)不確定度最大為7.80%，相對(duì)誤差均在±8%以內(nèi)，與比測(cè)結(jié)果對(duì)照良好，各項(xiàng)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(yàn)結(jié)果表明視頻測(cè)流方法的測(cè)流結(jié)果精度較高，安全性好，測(cè)流范圍廣，具備應(yīng)用于實(shí)際測(cè)驗(yàn)工作的可行性和強(qiáng)大潛力，可以有效提高流量測(cè)驗(yàn)效率、減輕外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省人力物力，對(duì)其深入研究和發(fā)展應(yīng)用可以進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化和智慧化建設(shè)。