視覺測流技術(shù)在中小河流洪水流量監(jiān)測中的應(yīng)用研究

黃河 鄧山

摘 要：基于粒子圖像測速技術(shù)（PIV）和粒子追蹤測速技術(shù)（PTV）的河流水面成像測速的視覺測流技術(shù)，具有瞬時(shí)獲取全場流速、湍流特征、流動模式等特點(diǎn)。為分析視覺測流技術(shù)在中小河流洪水監(jiān)測中的可行性和適用性，在西溪河寧橋水文站斷面搭建了一套視頻測流系統(tǒng)，并開展流量比測試驗(yàn)。結(jié)果表明，視覺測流系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)完成一次測量，通過后臺處理軟件迅速計(jì)算出斷面流量。比測試驗(yàn)期間流量相關(guān)關(guān)系較好，校正后與目標(biāo)流量相對誤差較小，能夠安全、高效實(shí)現(xiàn)非接觸自動流量測驗(yàn)，適合高水條件下中小河流洪水監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：視覺測流；流量監(jiān)測；中小河流；洪水

中圖分類號：P332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

山溪性中小河流在高洪期水位暴漲暴落，短時(shí)內(nèi)變幅可達(dá)數(shù)米，加之水流流速快、漂浮雜物多，極易造成接觸式儀器損毀并威脅人身安全[1]。傳統(tǒng)的流量監(jiān)測方法如流速儀法主要依靠人工操作，勞動強(qiáng)度大，風(fēng)險(xiǎn)性高，時(shí)效性低，自動監(jiān)測能力不足，不能滿足水文現(xiàn)代化發(fā)展的要求[2-5]。2019年，水利部要求新建水文站原則上按照自動站建設(shè)，實(shí)現(xiàn)無人值守和自動測報(bào)[6]。為滿足新時(shí)期建設(shè)水文現(xiàn)代化測報(bào)系統(tǒng)的要求，水文站要創(chuàng)新水文監(jiān)測手段和方法，充分利用聲、光、電技術(shù)及自動化監(jiān)測手段，推進(jìn)新技術(shù)新儀器應(yīng)用[7-8]。視覺測流技術(shù)是一種基于圖像的河流水面成像測速技術(shù)[9]，利用該技術(shù)開發(fā)的視覺測流系統(tǒng)是一種全自動、非接觸式測流系統(tǒng)，具有安全、高效、成果直觀等特點(diǎn)[10]。目前，基于視頻圖像的流量在線監(jiān)測技術(shù)已在國外洪水監(jiān)測方面進(jìn)行了測試和應(yīng)用[11-12]，近年來，隨著我國水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步完善，創(chuàng)新研發(fā)、推廣視覺測流技術(shù)和系統(tǒng)，對推進(jìn)水文監(jiān)測自動化建設(shè)具有重要意義。

1 視覺測流技術(shù)概述

視覺測流技術(shù)通過光學(xué)方法，獲取河流表面運(yùn)動圖像，采用機(jī)器視覺的圖像處理方法，對河流表面運(yùn)動圖像進(jìn)行分析，計(jì)算河流表面流速分布。視覺測流技術(shù)本質(zhì)上是一種圖像分析技術(shù)，通過對流體中不同模態(tài)與示蹤的有效識別，獲得測量目標(biāo)全場、動態(tài)的流速。相比聲學(xué)法和雷達(dá)法等其他非接觸式測流技術(shù)，視覺測流技術(shù)具有瞬時(shí)全場流速測量的特點(diǎn)，在快速獲取瞬時(shí)流場、湍流特征、流動模式等方面具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)測量算法的不同，該技術(shù)可分為粒子圖像測速法（PIV）和粒子追蹤測速法（PTV）。

1.1 PIV測速原理

圖1是PIV技術(shù)應(yīng)用的簡單原理圖。通過對流場中的跟隨性及反光性良好的示蹤或河流表面模態(tài)的跟蹤，在CCD（CMOS）成像設(shè)備進(jìn)行成像。

系統(tǒng)采用圖像處理技術(shù)將相鄰兩次測量時(shí)間所得圖像分成許多很小的區(qū)域，使用自相關(guān)或互相關(guān)分析區(qū)域內(nèi)粒子位移的大小和方向，從而得到流場內(nèi)部的二維速度矢量分布。在實(shí)測時(shí)，對同一位置可拍攝多對曝光圖片，能夠更全面、更精確地反映出整個(gè)流場內(nèi)部的流動狀態(tài)。

1.2 PTV測速原理

與PIV類似，PTV同樣假設(shè)流體中的示蹤或者模態(tài)運(yùn)動可以代表其所在流場內(nèi)相應(yīng)位置流體運(yùn)動，使用計(jì)算機(jī)對連續(xù)兩幀或者多幀圖像進(jìn)行處理分析，得出各點(diǎn)粒子位移，最后根據(jù)粒子位移和曝光時(shí)間間隔，計(jì)算出流場中各點(diǎn)速度矢量，獲得全流場瞬時(shí)流速及其他參數(shù)。

2 系統(tǒng)與測點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 硬件

河道表面流速測量儀是一款集圖像識別、PIV算法、PTV算法于一體的高性能測量儀器。其具有30倍光學(xué)變焦功能，600萬像素分辨率，最高錄像分辨率可達(dá)2 560×1 920。支持目標(biāo)追蹤、電子透霧、GPS信息存儲等功能。相機(jī)云臺具備高穩(wěn)定性，抖動小于±0.02°，適用流速范圍一般為0.01～10.0 m/s。視覺測流采集終端一般采用三維萬向節(jié)安裝于監(jiān)控支架上，通過萬向節(jié)調(diào)整安裝角度，以確保拍攝范圍準(zhǔn)確。采集終端供電一般采用市電或太陽能供電。通訊系統(tǒng)適用于公網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)環(huán)境，采集終端數(shù)據(jù)傳輸一般采用4G網(wǎng)絡(luò)或?qū)拵?。視覺測流系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.1.2 軟件平臺

視覺流量系統(tǒng)軟件平臺是整個(gè)測量系統(tǒng)的中控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對終端系統(tǒng)的控制、視頻圖像信息的存儲、處理、分析和流場計(jì)算等，具備遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示等功能，支持手機(jī)APP、云平臺拓展，同時(shí)預(yù)留開放接口便于其他監(jiān)測系統(tǒng)接入。

2.2 測點(diǎn)概況

西溪河寧橋水文站位于重慶市巫溪縣寧橋鄉(xiāng)青坪村，西溪河屬于典型的中小河流，流域面積為685 km2，測驗(yàn)河段順直長約100 m，河寬約50 m，河床由卵石夾沙組成，岸邊為石砌公路，斷面沖淤變化較小，歷年水位流量關(guān)系呈穩(wěn)定的單一關(guān)系。

寧橋水文站視覺測流系統(tǒng)采用側(cè)邊集中式安裝方式，探頭安裝在寧橋基本水尺斷面下游60 m處右岸測井頂部平臺上，采集終端安裝于寧橋水文站站房內(nèi)，數(shù)據(jù)服務(wù)器搭建在水情分中心，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳至水情中心服務(wù)器。寧橋站視覺測流系統(tǒng)安裝見圖3。

3 比測試驗(yàn)

3.1 資料收集

視覺測流系統(tǒng)于2020年1月安裝，2020年5月調(diào)試完成，可采集收集數(shù)據(jù)，由于山溪性中小河流非洪水期水位一直處于低水條件，流速小，水面追蹤物不足，且受其他環(huán)境因素干擾，因此選擇當(dāng)年7月15日一次漲洪水位較高時(shí)開展流量比測試驗(yàn)，比測試驗(yàn)期間，水位變幅為296.91～298.16 m，比測期流量變幅387～728 m3/s。

3.2 流量比測

視覺測流系統(tǒng)測得流速為斷面表面流速，通過借用斷面計(jì)算出流量。由于寧橋水文站視覺測流系統(tǒng)測驗(yàn)與流速儀測驗(yàn)時(shí)間無法完全同步，收集到的流速儀法流量資料樣本數(shù)量不足，考慮到寧橋水文站測站控制良好，歷年水位流量具有較好的單一關(guān)系，可認(rèn)為同時(shí)間水位查線流量接近流速儀法流量。因此，采用視覺測流系統(tǒng)實(shí)測流量與對應(yīng)時(shí)間水位流量關(guān)系線上查得的流量進(jìn)行對比分析。

結(jié)果顯示，視覺系統(tǒng)測流流量比查線流量普遍偏大8.1%～19.7%。根據(jù)視覺測流系統(tǒng)測流原理，視覺系統(tǒng)流量為測量水面流速乘以斷面面積計(jì)算得出，根據(jù)天然河道水流的一般規(guī)律，水面流速一般大于斷面平均流速，因此，視覺系統(tǒng)流量偏大是合理的。視覺系統(tǒng)直接計(jì)算出的流量為斷面虛流量，類似于浮標(biāo)法，斷面虛流量與斷面流量真值存在一個(gè)小于1.00的流量校正系數(shù)，流量校正系數(shù)為流量真值與虛流量的比值，根據(jù)比測數(shù)據(jù)計(jì)算出視覺測流系統(tǒng)流量校正系數(shù)為0.835 4～0.925 1，平均值為0.872 1，與中小河流浮標(biāo)法浮標(biāo)系數(shù)規(guī)范建議值0.85～0.90接近[13]。

為滿足后期視覺測流系統(tǒng)測驗(yàn)資料的投產(chǎn)應(yīng)用，需要建立視覺測流系統(tǒng)測驗(yàn)流量的換算關(guān)系。點(diǎn)匯流量關(guān)系相關(guān)圖（見圖4），采用直線關(guān)系擬合，斜率為0.864 6，與表2各次流量校正系數(shù)平均值0.872 1接近，直接取校正系數(shù)0.8721還原視覺測流系統(tǒng)流量，并進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)（見表3），可知，視覺流量采用0.872 1流量校正系數(shù)還原后與查線流量相對誤差為-6.1%～4.2%，相對誤差大于±6%的僅占一次。由于比測測次較少，且集中于一次洪水，不能代表普遍情況，未來應(yīng)擴(kuò)大比測范圍和比測次數(shù)，增大比測樣本容量。

4 結(jié)論與展望

視覺測流系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)快速測量并通過系統(tǒng)軟件平臺分析計(jì)算出流量，比測試驗(yàn)期間流量相關(guān)關(guān)系較好，視覺流量校正后與目標(biāo)流量相對誤差較小。表明基于粒子圖像測速技術(shù)（PIV）和粒子追蹤測速技術(shù)（PTV）開發(fā)的視覺測流系統(tǒng)能夠便捷、高效地實(shí)現(xiàn)非接觸自動流量測驗(yàn)，適合于高水條件下中小河流洪水監(jiān)測。

由于此次試驗(yàn)僅發(fā)生在一次洪水期間，收集的樣本資料有限，率定結(jié)果并不能代表總體，未來應(yīng)收集更多數(shù)量的比測樣本進(jìn)行分析。目前該國產(chǎn)視覺測量系統(tǒng)存在低流量、小流速、靜水面、夜間等工況使用效果不佳等問題。未來的研發(fā)工作應(yīng)包括：全面采集不同水位、氣象和光照條件下的觀測數(shù)據(jù)，在各種工況條件下對軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試，以水位漲落率控制采集頻率優(yōu)化測驗(yàn)方案；以各水位級多樣本開展流量關(guān)系的率定分析，將符合規(guī)范精度要求的換算關(guān)系參數(shù)輸入軟件平臺，以期集成可直接使用成果的一體化自動視覺測流系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂守貴.高洪時(shí)期非常規(guī)流速儀法測流的探討[J].黑龍江科學(xué)，2016，7（8）：36-37.

[2] 婁利華.我國水文現(xiàn)代化建設(shè)現(xiàn)狀及對策探討[J].地下水，2018，40（3）：224-225.

[3] 劉代勇，鄧思濱，賀麗陽.雷達(dá)波自動測流系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].人民長江，2018，49（18）：64-68.

[4] 曹春燕.水文現(xiàn)代化建設(shè)之水文站流量要素現(xiàn)代化監(jiān)測及實(shí)現(xiàn)途徑[C]//2020年（第八屆）中國水利信息化技術(shù)論壇論文集，2020：654-660.

[5] 何秉順，李青.山洪災(zāi)害防御技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探索[J].中國水利，2014（18）：11-13.

[6] 水利部水文司.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（辦水文〔2019〕199號）[Z].2019.

[7] 魏新平.建立現(xiàn)代水文測報(bào)體系的實(shí)踐與思考[J]．中國水利，2020（17）：4-6.

[8] 吳志勇，徐梁，唐運(yùn)憶，等.水文站流量在線監(jiān)測方法研究進(jìn)展[J].水資源保護(hù)，2020，36（4）：1-7.

[9] 阮哲偉，吳俊，姜宏亮.基于移動攝影設(shè)備的大尺度粒子圖像測速研究[J].科技資訊，2018，16（4）：14-15.

[10] 張振，周揚(yáng)，郭紅麗，等.視頻測流系統(tǒng)在高洪流量監(jiān)測中的應(yīng)用研究[C]//中國水利學(xué)會2019學(xué)術(shù)年會論文集，2019：437-446.

[11] FUJITA I. Discharge Measurements of Snowmelt Flood by Space-Time Image Velocimetry during the Night Using Far-Infrared Camera[J].Water，2017，9（4）：269.

[12] AL-MAMARI M M，KANTOUSH S A，KOBAYASHI S，et al. Real-Time Measurement of Flash-flood in a Wadi Area by LSPIV and STIV[J].Hydrology，2019，6（1）：27.

[13] GB 50179—2015，河流流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2016.

Application of Visual Flow Measurement Technology in Flood Discharge Monitoring of Small and Medium Rivers

HUANG He1，DENG Shan2

（1. Upper Yangtze River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Changjiang Water Resources Commission，Chongqing 400020，China；2. Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430000，China）

Abstract：Visual flow measurement technology based on Particle Image Velocimetry （PIV） and Particle Tracking Velocimetry （PTV） enables the instantaneous acquisition of full-field flow velocities，turbulence characteristics，and flow patterns. To assess the feasibility and applicability of visual flow measurement technology to flood monitoring of small and medium rivers，a visual flow measurement system was built and tested for the Ningqiao hydrographic station section of Xixi River. Findings indicate that the visual flow measurement system is capable of rapidly measuring and accurately calculating sectional flow via background software. A good flow correlation was observed during the test period，and the relative error with respect to target flow was minimized through correction. The proposed system enables non-contact，automatic flow testing that is both safe and efficient，and meanwhile suits the monitoring of floods in small and medium-sized rivers particularly under high water conditions.

Key words：visual flow measurement；water flow monitoring；small and medium rivers；flood