四女寺閘水文站影像法流量測驗系統(tǒng)率定分析

傅 靜，宰維東，劉樹森

（德州市水文中心,山東 德州 253016）

1 影像法流量測驗系統(tǒng)基本原理及適用范圍

影像法流量測驗系統(tǒng)又稱AI視頻測流,其流速監(jiān)測原理是通過對水面圖像進(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特征的角點檢測的方法,對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進(jìn)行檢測,然后對檢測到的特征點進(jìn)行SIFT特征提取,計算出特征點矢量運動的大小以及幀間時間,從而計算得到該點的實時流速值,原理類似傳統(tǒng)浮標(biāo)法。對河流表面流速和水位實現(xiàn)實時測量,根據(jù)水位面積法實時計算出過水?dāng)嗝婷娣e,然后將斷面平均流速乘以過水?dāng)嗝婷娣e,即可實時計算出流量。

影像法流量測驗系統(tǒng)采用非接觸方式測驗水道斷面上若干條垂線的水面流速,其流量計算方法與轉(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),得到河流的實測流量。

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為測流時的過水?dāng)嗝婷娣e；Q為斷面實測流量,m3/s。

影像法流量測驗系統(tǒng)適用于能夠根據(jù)河流斷面及水流特性建立流量計算模型的測站,尤其適合于高洪流量測驗、淺灘過水流量測驗、界河流量測驗與應(yīng)急監(jiān)測等,對于含沙量大、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驗系統(tǒng)基本參數(shù)

四女寺閘水文站采用的影像法流量測驗系統(tǒng)包括前端監(jiān)測設(shè)備和應(yīng)用平臺兩個部分,其中前端監(jiān)測設(shè)備包括1臺水位監(jiān)測球機(jī)和1臺流速監(jiān)測球機(jī),對水文站全斷面進(jìn)行非接觸可視化測量,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。

影像法流量測驗系統(tǒng)性能：①流速數(shù)據(jù)采集：表面流速監(jiān)測范圍±0.2 m/s～15 m/s,測量偏差≤±8%；②最大斷面寬度100 m,可通過增加流速監(jiān)測球機(jī)來擴(kuò)展；③水位數(shù)據(jù)采集：識別精度≤±2 cm,支持階梯水尺自動識讀；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；⑤支持輸入斷面數(shù)據(jù),可自動計算河道實時流量和累計流量；⑥支持提供垂線流速、平均流速、流量、分?jǐn)嗝媪髁?、實時水位、過水面積、水面寬度、最大水深等多種實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；⑦支持應(yīng)急瀏覽功能,可手動控制云臺轉(zhuǎn)動,查看周圍實時監(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)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL 651-2014）和《水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》（SZY 206-2016）向平臺傳輸數(shù)據(jù)。

影像法流量測驗系統(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,單臺設(shè)備最大支持512 G,可自定義水情數(shù)據(jù)存儲空間大小,存儲時長超五年；④支持H.265、H.264、M-JPEG編碼；⑤具有1個10 M/100 M自適應(yīng)網(wǎng)口,同時內(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,實現(xiàn)水位/流速閾值告警；⑧自帶雨刷；⑨單臺設(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,最小運行功率0.3W；?接口:報警8入2出,音頻1入1出,內(nèi)置揚聲器,支持1路RS485,1路CVBS；?防護(hù)等級：IP66；?工作溫度：-30℃～+70℃；?工作濕度：0～95%（無凝結(jié)）。

3 影像法流量測驗系統(tǒng)應(yīng)用方法

3.1 測流斷面的布設(shè)

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

3.2 測驗數(shù)據(jù)分析比測

影像法流量測驗系統(tǒng)率定分析目的是將影像法設(shè)備所測得虛流量與傳統(tǒng)的流量測驗方法的實測流量進(jìn)行相關(guān)性分析,建立虛實流量相關(guān)關(guān)系方程,從而實現(xiàn)流量測驗自動化,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。影像法流量測驗系統(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),并可對水尺圖片進(jìn)行抓拍,實現(xiàn)人工水位二次校核；②影像法流量測驗系統(tǒng)虛流量的測定。根據(jù)歷年水位變幅布設(shè)測次,測速垂線的布設(shè)根據(jù)現(xiàn)場斷面寬度可設(shè)置,測速歷時為每條垂線30 s。系統(tǒng)自動運行,按照固定間隔采集數(shù)據(jù),自動通過流速面積法計算出虛流量Q虛；③傳統(tǒng)方法實測流量的確定。采用走航式ADCP測定,測量時間必須與影像法虛流量的時間一致,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、實流量關(guān)系點據(jù),當(dāng)收集到足夠數(shù)量點據(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,影像法流量測驗系統(tǒng)在四女寺南運河、減河和漳衛(wèi)新河三個閘下斷面均實現(xiàn)全天候自動化測流,共測得超15萬組有效數(shù)據(jù)。

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

采用ADCP測定流量時,測量時間、相應(yīng)水位必須與影像法流量測驗系統(tǒng)虛流量的時間、水位一致。由于兩者測驗總歷時的差異,在洪水期水位變化較快時,比測有可能會出現(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,可不予糾正；大于0.02 m時,采用水位流量關(guān)系線查讀影像法流量測驗系統(tǒng)測量時段的同步相應(yīng)水位所對應(yīng)的流量參與分析。通過上述方法,收集不同水位級的虛、實流量關(guān)系點據(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實測數(shù)據(jù),取2022年5月～7月的25組實測數(shù)據(jù)與同一時間影像法流量測驗系統(tǒng)系統(tǒng)獲得的實測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析,比測率定水位范圍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,符號檢驗1.6,允許1.64（顯著性水平a=1.10）；適線檢驗1.94,允許2.04（顯著性水平a=0.05）；偏離數(shù)值檢驗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%。利用影像法流量測驗系統(tǒng)虛、實流量比測率定成果,點繪Q虛～Q實相關(guān)關(guān)系圖,見圖1。從圖中可見關(guān)系點據(jù)呈明顯帶狀分布,規(guī)律性好,無異常突出點,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實為傳統(tǒng)方法實測流量；Q虛為影像法虛流量。

四女寺閘水文站水位流量關(guān)系曲線比測分析采用ADCP實測流量,與影像法流量測驗系統(tǒng)所測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算出斷面流量。選取25個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)行誤差分析后,通過三種定線檢驗,計算得相關(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監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行流量在線監(jiān)測,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測流相比,具有以下優(yōu)點：①智能化、自動化,省時省力,操作簡單,易于管理和優(yōu)化升級,解放勞動力；②實時性,可根據(jù)需要加密監(jiān)測河流斷面實時的流速、流量變化過程,保證水文資料的完整性；③安全性,智能視頻影像自動監(jiān)測系統(tǒng)測速時設(shè)備不受污水腐蝕,不受泥沙影響,土建簡單,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驗系統(tǒng)比測分析采用ADCP實測流量與該系統(tǒng)所測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,計算得相關(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,可用于今后一段時期的生產(chǎn)應(yīng)用中。