四女寺閘水文站影像法流量測驗系統率定分析

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基本原理及適用范圍

影像法流量測驗系統又稱AI視頻測流,其流速監測原理是通過對水面圖像進行處理,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行檢測,然后對檢測到的特征點進行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,原理類似傳統浮標法。對河流表面流速和水位實現實時測量,根據水位面積法實時計算出過水斷面面積,然后將斷面平均流速乘以過水斷面面積,即可實時計算出流量。

影像法流量測驗系統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,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；V為水面平均流速；A為測流時的過水斷面面積；Q為斷面實測流量,m3/s。

影像法流量測驗系統適用于能夠根據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、界河流量測驗與應急監測等,對于含沙量大、表面漂浮物多的河道具備良好的適應性。

2 四女寺閘水文站影像法流量測驗系統基本參數

四女寺閘水文站采用的影像法流量測驗系統包括前端監測設備和應用平臺兩個部分,其中前端監測設備包括1臺水位監測球機和1臺流速監測球機,對水文站全斷面進行非接觸可視化測量,基于影像智能分析技術獲取水位和全斷面流速數據,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性能：①流速數據采集：表面流速監測范圍±0.2 m/s～15 m/s,測量偏差≤±8%；②最大斷面寬度100 m,可通過增加流速監測球機來擴展；③水位數據采集：識別精度≤±2 cm,支持階梯水尺自動識讀；④記錄周期：自定義設置,最短可設置為1分鐘,當前系統數據間隔設置為1小時；⑤支持輸入斷面數據,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、分斷面流量、實時水位、過水面積、水面寬度、最大水深等多種實時監測數據；⑦支持應急瀏覽功能,可手動控制云臺轉動,查看周圍實時監控畫面；⑧設備自帶數據傳輸功能,支持按《水文監測數據通信規約》（SL 651-2014）和《水資源監測數據傳輸規約》（SZY 206-2016）向平臺傳輸數據。

影像法流量測驗系統其他技術指標：①400萬像素高清視頻圖像,44 倍光學變焦；②支持水平360°旋轉；③支持內置TF卡,單臺設備最大支持512 G,可自定義水情數據存儲空間大小,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自適應網口,同時內置4G模塊,全網通；⑥支持外接雨量筒,組成水雨情一體站；⑦閾值設置,實現水位/流速閾值告警；⑧自帶雨刷；⑨單臺設備尺寸：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,內置揚聲器,支持1路RS485,1路CVBS；?防護等級：IP66；?工作溫度：-30℃～+70℃；?工作濕度：0～95%（無凝結）。

3 影像法流量測驗系統應用方法

3.1 測流斷面的布設

影像法流量測驗系統測流斷面布設于常規流速儀測流斷面的上游,與基本水尺斷面、常規流速儀測流斷面、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 測驗數據分析比測

影像法流量測驗系統率定分析目的是將影像法設備所測得虛流量與傳統的流量測驗方法的實測流量進行相關性分析,建立虛實流量相關關系方程,從而實現流量測驗自動化,達到生產應用目的。率定方法主要包括以下幾種：①水位監測。影像法流量測驗系統使用視頻水位技術,通過AI影像分析視頻畫面中的水尺讀數獲取水位數據,支持接力水尺、階梯水尺連續讀數,并可對水尺圖片進行抓拍,實現人工水位二次校核；②影像法流量測驗系統虛流量的測定。根據歷年水位變幅布設測次,測速垂線的布設根據現場斷面寬度可設置,測速歷時為每條垂線30 s。系統自動運行,按照固定間隔采集數據,自動通過流速面積法計算出虛流量Q虛；③傳統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、實流量關系點據,當收集到足夠數量點據即可開展相關關系分析工作。

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在四女寺南運河、減河和漳衛新河三個閘下斷面均實現全天候自動化測流,共測得超15萬組有效數據。

影像法流量測驗系統率定分析是將所測得虛流量與傳統的流量測驗方法的實測流量進行相關性分析,建立虛實流量相關關系方程,從而實現流量測驗自動化,達到生產應用目的。影像法流量測驗系統測流斷面布設于常規流速儀測流斷面的上游,與基本水尺斷面、常規方法測流斷面接近。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、相應水位必須與影像法流量測驗系統虛流量的時間、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,比測有可能會出現相應水位不一致的情況。一般當兩者相應水位相差不超過±0.02 m時,可不予糾正；大于0.02 m時,采用水位流量關系線查讀影像法流量測驗系統測量時段的同步相應水位所對應的流量參與分析。通過上述方法,收集不同水位級的虛、實流量關系點據,開展相關關系分析工作。

3.4 率定成果及誤差分析

結合ADCP實測數據,取2022年5月～7月的25組實測數據與同一時間影像法流量測驗系統系統獲得的實測流量數據進行比測分析,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）；偏離數值檢驗1.20,允許1.72（顯著性水平a=0.10）；標準差5.4；系統誤差1.51%,隨機不確定度12.8%。利用影像法流量測驗系統虛、實流量比測率定成果,點繪Q虛～Q實相關關系圖,見圖1。從圖中可見關系點據呈明顯帶狀分布,規律性好,無異常突出點,相關系數高于0.997,表明兩者之間相關性好。率定成果方程式如下：

圖1 四女寺閘水文站影像法和ADCP法流量系數曲線圖

式中：Q實為傳統方法實測流量；Q虛為影像法虛流量。

四女寺閘水文站水位流量關系曲線比測分析采用ADCP實測流量,與影像法流量測驗系統所測的全部虛流量建立相關關系,分析出系數或數學模型后,將其系數或數模代入視頻影像的虛流量計算出斷面流量。選取25個樣本數據進行分析,進行誤差分析后,通過三種定線檢驗,計算得相關系數R2=0.9974,系統誤差為1.51%,隨機不確定度12.8%,達到《水文資料整編規范》中水文站水位流量關系定線精度的要求,成果合格。

4 結語

四女寺閘水文站采用智能視頻影像自動監測系統進行流量在線監測,在相應水位、流速、流量適用范圍內應用是可行的。與傳統纜道流速儀、走航式ADCP測流相比,具有以下優點：①智能化、自動化,省時省力,操作簡單,易于管理和優化升級,解放勞動力；②實時性,可根據需要加密監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測系統測速時設備不受污水腐蝕,不受泥沙影響,土建簡單,不受水毀影響,便于維護,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比測分析采用ADCP實測流量與該系統所測的全部虛流量建立相關關系,分析出系數或數學模型后,將其系數或數模代入視頻影像的虛流量計算出斷面流量,并與ADCP水位流量關系曲線上的流量進行誤差分析,通過三種定線檢驗,計算得相關系數R2=0.9974,系統誤差為1.51%,隨機不確定度12.8%,達到《水文資料整編規范》中水文站水位流量關系定線精度的要求,成果合格,所得的水面系數或數學模型即為所求,可用于今后一段時期的生產應用中。