基于圖像智能識(shí)別的中小河流流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

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(cè)中心，浙江 杭州 310016；2.河海大學(xué)計(jì)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(shí)間內(nèi)通過(guò)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(cè)驗(yàn)是日常水文監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作，監(jiān)測(cè)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(shì)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(dòng)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(cè)流儀器[1]測(cè)驗(yàn)帶來(lái)巨大困難。因此，開(kāi)展新一代河流流量監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和河流相關(guān)學(xué)科的迫切需求[2]。

近年來(lái)，基于圖像智能識(shí)別的河流流量監(jiān)測(cè)方法（以下稱(chēng)“圖像法測(cè)流”）因其非接觸、低成本、效率高等特點(diǎn)，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(cè)速法（LSPIV）可獲得全局流速場(chǎng)，但分辨率不高，且計(jì)算量較大[4]；大尺度粒子跟蹤測(cè)速法（LSPTV）可得到河流表面流速估計(jì)，但要求河流表面存在可見(jiàn)性較好的示蹤粒子[5]；時(shí)空?qǐng)D像測(cè)速法（STIV）對(duì)外部噪聲較為敏感，且相比二維的LSPIV 和LSPTV，STIV 無(wú)法獲得流場(chǎng)細(xì)節(jié)，不適合往復(fù)流及渦流測(cè)量，但具有空間分辨率高、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)[6]，適用于單向流河流水面流速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(kāi)展。通過(guò)在該站點(diǎn)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(shí)空?qǐng)D像測(cè)速法（FFTSTIV）獲取研究河段的表面流場(chǎng)，系統(tǒng)分析實(shí)測(cè)流場(chǎng)的可靠性、合理性，耦合水文水力學(xué)流量計(jì)算模型，構(gòu)建智能化流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并綜合評(píng)價(jià)成果精度和系統(tǒng)運(yùn)行情況，為該系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

1 基于圖像智能識(shí)別的流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

1.1 系統(tǒng)總體框架

本次投入實(shí)驗(yàn)研究的圖像法測(cè)流系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)、4G 全網(wǎng)通VPN 路由器、客戶(hù)端服務(wù)器與流量查算軟件等，總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)按需定時(shí)連續(xù)拍攝多幀水流畫(huà)面，由工控機(jī)上安裝的專(zhuān)門(mén)解析軟件提取，實(shí)現(xiàn)河流斷面指定起點(diǎn)距垂線(xiàn)表面流速、信噪比等關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)本地，客戶(hù)端服務(wù)器可網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)工控機(jī)獲取測(cè)流數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾分析、合成計(jì)算后輸出流量監(jiān)測(cè)成果。

1.2 改進(jìn)的圖像法測(cè)流基本原理

采用快速傅里葉變換的時(shí)空?qǐng)D像測(cè)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(yùn)動(dòng)的示蹤對(duì)象進(jìn)行表面流速測(cè)流，其基本原理是：滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律的目標(biāo)短時(shí)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)在時(shí)空?qǐng)D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(shí)均運(yùn)動(dòng)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(guò)頻譜中心且與紋理方向正交的直線(xiàn)上，即空域中的紋理信息決定了頻域中譜線(xiàn)的方向、長(zhǎng)度及強(qiáng)度[8]。將紋理主方向檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換到頻域來(lái)解決，通過(guò)在時(shí)空?qǐng)D像的幅度譜中檢測(cè)主方向，從而得到與之正交的紋理主方向，并換算為測(cè)速線(xiàn)上一維時(shí)均流速。經(jīng)錯(cuò)誤矢量識(shí)別修正與水面流場(chǎng)定標(biāo)后得到世界坐標(biāo)系下的時(shí)均表面流速[9]，進(jìn)而推算斷面流量。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.1 站點(diǎn)情況

此次實(shí)驗(yàn)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(guó)家基本水文站，現(xiàn)有降水、蒸發(fā)、水位、流量、泥沙等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

該站測(cè)驗(yàn)河段順直，長(zhǎng)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(shí)際生產(chǎn)使用懸索纜道結(jié)合轉(zhuǎn)子式流速儀法測(cè)流，洪水期漂浮物較多，嚴(yán)重影響流量測(cè)驗(yàn)，研究應(yīng)用非接觸式測(cè)流技術(shù)十分必要。橋東村水文站水位級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 橋東村水文站水位級(jí)劃分表 單位：m

2.2 比測(cè)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(cè)流系統(tǒng)安裝前經(jīng)實(shí)驗(yàn)室充分標(biāo)定比對(duì)，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?jī)?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(shí)驗(yàn)設(shè)備位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)流斷面布置圖

2.2.2 數(shù)據(jù)收集選用

本次實(shí)驗(yàn)比測(cè)工作結(jié)合站點(diǎn)日常生產(chǎn)開(kāi)展，采用常規(guī)測(cè)流（或推流）方法與圖像法測(cè)流同步進(jìn)行流速、流量比測(cè)，以常規(guī)測(cè)流成果為“真值”，對(duì)圖像法測(cè)流成果進(jìn)行誤差等相關(guān)指標(biāo)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。為充分獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖像法測(cè)流頻次為每5 min 或10 min 測(cè)流1 次，于2022 年4 月8 日18:00—4 月27 日10:20 每10 min 測(cè)流1 次、4 月27 日10:30—6 月30 日23:55 每5 min 測(cè)流1 次，共計(jì)應(yīng)有測(cè)次19 333 次，實(shí)測(cè)測(cè)次18 887 次。纜道流速儀、ADCP 實(shí)測(cè)資料時(shí)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(duì)非接觸法測(cè)流應(yīng)用較多的推流方法包括流速面積法、類(lèi)浮標(biāo)法、指標(biāo)流速法及水動(dòng)力學(xué)模型法等[10]。流速面積法、類(lèi)浮標(biāo)法要求全斷面流速測(cè)量穩(wěn)定可靠，目前圖像法測(cè)流尚未達(dá)到；水動(dòng)力學(xué)模型法較為復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。本文重點(diǎn)對(duì)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(xiàn)的形狀與斷面形狀相似[11]。本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)站2 次明顯漲落水過(guò)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(cè)流野外應(yīng)用在中高水期較適宜[12]，特在兼顧各水位級(jí)均勻分布的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選取中高水期若干測(cè)次數(shù)據(jù)繪制圖像法測(cè)點(diǎn)流速沿河寬分布圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 測(cè)點(diǎn)流速沿河寬分布圖

由圖3 可知：①所選取的7 個(gè)隨機(jī)測(cè)次中，高水期的測(cè)次測(cè)點(diǎn)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(dòng)較低水時(shí)要平緩。分析主要原因與圖像法測(cè)流機(jī)理有較大關(guān)系，低水期水面受外界風(fēng)場(chǎng)等環(huán)境因素影響較大，表面流速測(cè)量隨機(jī)誤差很大；②7 個(gè)隨機(jī)測(cè)次測(cè)點(diǎn)流速均值分布曲線(xiàn)形狀和斷面形狀相似性較好，就中高水時(shí)段而言，圖像法測(cè)流能較為可靠地反映天然河道流速流量的變化；③起點(diǎn)距39 m、57 m 附近為測(cè)點(diǎn)流速波動(dòng)相對(duì)低值區(qū)，這為代表性測(cè)點(diǎn)流速的選取提供了初步參考。需要說(shuō)明的是，基于一致性考慮，7 個(gè)隨機(jī)測(cè)次選取均處于白天時(shí)段，對(duì)夜晚時(shí)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(shí)選取代表性測(cè)點(diǎn)（或垂線(xiàn)）流速所重點(diǎn)考慮的方面。測(cè)點(diǎn)（或垂線(xiàn)）流速的穩(wěn)定性可以用相同水情狀況下同一測(cè)點(diǎn)不同測(cè)次結(jié)果的離散程度進(jìn)行評(píng)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(guò)計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)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(duì)同一測(cè)點(diǎn)不同測(cè)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(jì)算所有選用測(cè)次的平均水位，利用測(cè)站已知的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)推算平均水位對(duì)應(yīng)的斷面平均流速V平均；②計(jì)算第i測(cè)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(cè)次各測(cè)點(diǎn)流速一致性變換改正數(shù)，則有：

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

由流速橫向分布分析可知，圖像法測(cè)流系統(tǒng)高水時(shí)段測(cè)流適用性相對(duì)較好。為此，分白天與夜晚2 種情況，選取實(shí)驗(yàn)階段水位較高且相對(duì)平穩(wěn)的6 月5 日15:00—17:50、19:00—20:40 進(jìn)行測(cè)點(diǎn)流速CV計(jì)算，時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位變化范圍為2.79～2.88 m、2.60～2.71m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)流速序列CV 值沿河寬分布圖

分析計(jì)算結(jié)果可知：①白天時(shí)段中，CV值呈中泓小，中泓向岸邊遞增的趨勢(shì)。起點(diǎn)距35～44 m 是CV的連續(xù)低值區(qū)，起點(diǎn)距57.5 m 處測(cè)點(diǎn)CV值最小，反映對(duì)應(yīng)起點(diǎn)距的測(cè)速成果穩(wěn)定性較好。②夜晚時(shí)段各測(cè)點(diǎn)CV值相較白天時(shí)段偏大，起點(diǎn)距22～28 m 是CV相對(duì)低值區(qū)，且遠(yuǎn)離系統(tǒng)安裝一側(cè)的測(cè)點(diǎn)CV值普遍比靠近一側(cè)的偏大，一定程度反映了夜間測(cè)流斷面光照分布仍是圖像法測(cè)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(cè)點(diǎn)流速可在CV低值區(qū)選取。重點(diǎn)分析白天時(shí)段，起點(diǎn)距35～44 m、57～58 m 是CV的低值區(qū)，考慮到最大程度消除測(cè)點(diǎn)流速測(cè)量的隨機(jī)誤差，在指標(biāo)流速合成中全部引用起點(diǎn)距35～44 m、57～58 m 對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)流速，其計(jì)算公式為：

式（2）中：V指標(biāo)i為第i測(cè)次的合成指標(biāo)流速，m/s；β(35～44m)為起點(diǎn)距35～44 m 測(cè)點(diǎn)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(cè)次起點(diǎn)距35～44 m 內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的流速均值，m/s；β(57～58m)、V(57～58m)i示意以此類(lèi)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(cè)站常規(guī)測(cè)流成果，計(jì)算統(tǒng)計(jì)該站不同水位級(jí)下35～44 m、57～58 m 處的單寬流量，通過(guò)式（3）、（4）計(jì)算權(quán)重系數(shù)β。

式（3）～（4）中：Q(35～44m)單為 起 點(diǎn) 距35～44 m 處的平均單寬流量，m3·s-1·m-1；Q(57～58m)單為起點(diǎn)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(duì)中高水時(shí)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(jiàn)表2。點(diǎn)繪β-Z（水位）關(guān)系圖（見(jiàn)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(shí)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(shí)測(cè)資料的各水位級(jí)下權(quán)重系數(shù)β(57～58 m) 計(jì)算成果表

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

對(duì)實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)指標(biāo)流速滑動(dòng)平均序列與實(shí)際斷面平均流速序列做趨勢(shì)對(duì)比，依據(jù)變化趨勢(shì)、相對(duì)離差情況進(jìn)行定性對(duì)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(guò)程對(duì)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(shì)性吻合相對(duì)較好，遂采用上述時(shí)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(guò)程對(duì)比圖

按水位級(jí)分段定線(xiàn)：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(shí)段 指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)性見(jiàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)期中高水時(shí)段4 月13—15 日、6 月4—6 日共947 個(gè)連續(xù)測(cè)次，通過(guò)3.1 節(jié)的率定公式進(jìn)行推流，其中白天437 測(cè)次，夜晚510 測(cè)次。以40 min 為周期進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算，并繪制4 月13—14 日、6 月5 日漲落水時(shí)段圖像法測(cè)流成果過(guò)程線(xiàn)圖（見(jiàn)圖8）。

圖8 橋東村水文站水位、流量過(guò)程線(xiàn)圖

3.3 誤差分析

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

表3 實(shí)驗(yàn)期中高水時(shí)段圖像法測(cè)流成果誤差統(tǒng)計(jì)表

表4 實(shí)驗(yàn)期圖像法測(cè)流成果與纜道流速儀測(cè)流成果統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：圖像法測(cè)流應(yīng)用中高水期特別是高水期誤差相對(duì)較小，測(cè)量精度也基本與水位呈正相關(guān)，白天時(shí)段總體較夜晚時(shí)段測(cè)量精度高。其中，高水時(shí)段測(cè)次系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度分別在5%、20%左右，接近三類(lèi)精度水文站的成果要求[15]。上述誤差統(tǒng)計(jì)分布產(chǎn)生的原因與圖像法測(cè)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(dòng)強(qiáng)烈，在水面易形成跟隨表層水流運(yùn)動(dòng)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(cè)量提供較好的示蹤條件。反之，低水位河流流速小，水流紊動(dòng)弱，示蹤對(duì)象易受風(fēng)力、降雨等干擾影響導(dǎo)致其跟隨性和可見(jiàn)性差，出現(xiàn)天然漂浮物的概率也較低，缺乏有效示蹤對(duì)象，進(jìn)而導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)期間，圖像法測(cè)流系統(tǒng)除短時(shí)段因串口線(xiàn)路不穩(wěn)定、工控機(jī)算力不足等原因?qū)е峦y(cè)外，其余時(shí)段均正常運(yùn)行，每測(cè)次測(cè)量用時(shí)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(wú)故障運(yùn)行，測(cè)量完整率達(dá)97.7%。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)返回及時(shí)，工作效率滿(mǎn)足日常水文測(cè)報(bào)需求。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示：圖像法測(cè)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(cè)點(diǎn)中測(cè)速穩(wěn)定性相差較大，存在局部相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。利用指標(biāo)流速法對(duì)試驗(yàn)站中高水時(shí)段（Z≥1.90 m）推流系統(tǒng)誤差7.60%；部分高水時(shí)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(cè)成果可作為相關(guān)工作參考使用。

未來(lái)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(cè)量數(shù)據(jù)，提高穩(wěn)定測(cè)點(diǎn)段覆蓋占比，加強(qiáng)測(cè)速成果自校正算法研究，以期獲取更為全面、精確的全場(chǎng)流速，為擴(kuò)展推流手段、提高測(cè)驗(yàn)精度提供更多途徑。