智慧水利感知关键技术初步研究

刘德龙，李 夏2，李 腾3，冯宾春，王明军

(1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.水利部信息中心，北京，100044；3.四川省水利科学研究院，成都，610072)

1 研究背景

水利部贯彻落实“十九大”和习总书记重要讲话精神，确定“水利工程补短板、水利行业强监管”的新时代水利改革发展总基调，对水利信息化提出了明确的“补短板”要求。水利信息化水平的提档升级离不开水利管理对象及水利管理活动的数字化，也就是说需要全面掌握和反映水利管理对象及水利管理活动的基本信息和动态信息，这是基础也是前提，但是目前距离解决水资源、水生态、水环境、水灾害四大水问题实现透彻感知的要求相差甚远[1]。

另一方面，视频监控、遥感监测、导航定位、舆情监控、智能解译与识别等新技术和机器人、无人机、无人船、卫星等新型自动观测设备已广泛应用到各行各业，在扩大监测范围、及时掌握第一手资料方面取得了突出成效。水利行业虽然也进行了初步尝试和应用，但在应用的广度和深度方面仍明显不足，对强监管的支撑力度远远不够。由于水利管理对象点多面广且高度分散，具有自身特点，在新技术和新设备推广应用的过程中也存在一些新的问题和难点亟待解决。

2 研究目的

针对智慧水利全面感知关键技术环节开展深入专题研究，在已有水文监测站网、水利工程工情监测站网、水土保持监测站网等传统监测站网的基础上，梳理江河湖泊、水利工程、水利管理活动三大类水利感知对象实现全面透彻感知面临的难点问题和薄弱环节，解决传统采集设备“测不到、测不准、测得慢、成本高”的难题。

3 研究内容

3.1 小型水库综合感知技术

3.1.1 天气雷达雨量估测技术

多普勒天气雷达是以多普勒效应为工作原理的一种新型相干雷达，其主要工作原理为：当降水粒子相对于雷达发射波束进行相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。也就是说，天气雷达间歇性地向空中发射电磁波(称为脉冲式电磁波)，该种电磁波以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到气象目标物发生散射，散射返回雷达的电磁波(称为回波信号，也称为后向散射)，在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等特征。运用这种原理，可以测定出散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度分布以及端流情况等。

多普勒天气雷达能够探测到垂直于地面上空8km～12km中的对流层正在发生的变化，测定云的移动速度，对于降水形成研究、中小尺度天气系统分析以及强对流天气警戒等都具有十分重要的作用。目前，多普勒天气雷达主要应用于对灾害性天气，尤其是与雹灾和风灾伴随发生的灾害性天气的监测与预警。同时，它还可以进行较大区域范围的定量降水估算，获取降水云体风场结构。

雷达设备工作时，通过发射系统发射一定功率的脉冲能量，经过馈线部分到达天线，向空间定向辐射；天线定向辐射的电磁波能量遇到降水等目标时，便会产生散射，其中后向散射的一部分形成回波信号被天线接收；天线接收到降水等目标回波信号，经过馈线部分传输到接收系统；接收系统将回波信号进行放大、混频、转换等处理后送往信号处理系统；信号处理系统对回波信号作数字中频信号处理后形成正交信号，并对其作平均处理、地物对消滤波处理，得到反射率的估测值即强度，通过脉冲对处理或快速傅里叶变换处理，从而得到散射粒子群的平均径向速度和速度的平均起伏即速度谱宽，通过处理双极化数据得到差分反射率、差传播相移、零滞后相关系数等雷达原始监测信息。雨量雷达通过计算雷达回波信号强度来推算气象目标的实际物理状况，通过雷达气象方程，建立雷达平均接收功率与雷达反射因子的关系，而与观测区域内的降水强度存在一定的关系，因此，可通过雨量雷达测量的回波信号强度推算出实际的降水强度。

3.1.2 基于区域的小型水库群感知技术

对于市县级水行政主管部门所辖小型水库，可以基于一定区域的小型水库群，统筹组织、实施、管理本行政辖区内小型水库安全监测和运行监测设施建设、安全监测设施运行管理及监测数据分析整编等工作。以行政区域内小型水库群整体为监管对象，优先采用适合区域整体监管的监测技术，在降水量监测方面采用基于雷达-雨量计联合实时校准测量技术、坝体变形监测采用GNSS+InSAR技术[2]，其他监测要素采用与一般小型水库监测方案相同的策略在库区和流域现场布置。鉴于我国气象部门已建有较为完善、覆盖我国大部分区域的天气雷达网，且天气雷达组网运行在消除地形阻挡误差等误差方面具有明显优势，辖区内降水量数据采用从气象部门共享方式获取，不再新设置降水量监测设施。另外GNSS坝体变形监测需要设置监测基准站，可根据辖区水库分布情况下，全区统筹规划监测基准站，各水库现场GNSS监测站可以共享邻近区域内的GNSS基准站。

基于区域的小型水库感知技术在应用场景分类和感知要素方面与一般小型水库监测方案相同，其中坝体变形监测采用GNSS+InSAR技术、降水量监测采用天气雷达+雨量计联合实时校准技术，因此在组网方面，除降水量(通过与气象部门共享数据)和InSAR监测的坝体变形量直接传送到云平台外，其他监测数据及其联网与传输方式与一般小型水库监测方案相同。降水量监测统一由气象部门天气雷达监测数据获取，水库集水流域内现场监测仅需布置雷达水位计即可。库区内监测基于同样的考虑，现场不需布置降水量监测设备，同时通过InSAR监测可以全面掌握坝体变形分布，因此，GNSS变形监测点可适当减少。

3.2 旱情立体感知技术

综合旱情要素一体化感知技术即在墒情实时感知的同时，能够同时监测雨量、风速、大气温度、空气湿度、多层土壤湿度、地表温度、冠层温度等要素，且具有大范围视频摄像功能，并实现该仪器设备固定站无人值守情况下的土壤墒情数据的自动采集和无线传输、移动站数据自动采集和无线传输，支持数据人工录入及网络传输，以便为其他应用系统的决策分析提供数据依据。该一体化感知仪器要具有稳定性、低耗性、较强的环境适应性，能够连续工作并保证数据采集精度，可实现自动化、无人化、多要素综合感知。

图1 墒情感知结构示意

天-空-地多源旱情感知信息融合技术的内容是遥感数据、无人机航拍数据、低空视频图像数据和地面站点监测数据的融合和综合应用。利用遥感数据与实时航拍数据的快速解译、融合和应用技术，增强其时效性与数据准确性；通过低空区域视频图像和站点监测数据的综合利用，解决其代表性问题；通过天-空-地多源信息的融合，综合解决感知信息的精度和时效性问题，实现立体化旱情信息综合感知[3]。

3.3 灌区全面监控技术

3.3.1 精准量测水技术

灌区量测水是一项基础的、关键性的技术，是灌区管理部门进行正确引水、输水和水量调配的主要手段，为实现灌区水资源优化配置和现代化提供基础资料。精准的量测水可为灌区管理中的计划、引水、调度、评价和验证提供可靠数据支持。

(1)计划：测算年月日不同时段渠道水位流量变化过程，为编制渠系用水计划提供依据；

(2)引水：根据用水计划和水量调配方案，及时准确地从水源引水，并配水到各用水单元；

(3)调度：为灌区实施用水“总量控制”、“定额管理”、“按方计费”等提供依据；

(4)评价：分析评价灌水质量和灌溉效率，修正供配水方案，指导和改进用水管理工作；

(5)验证：验证和核定渠系建筑物输水能力和输水损失，为灌区改建扩建等提供规划设计等基本资料。

灌区量测水的感知终端包括数据采集、数据管理和后备电源，实现对现场数据的实时采集、处理、存储及保护。数据采集由模拟量输入模块、数字量输入模块组成，实现现场数据的实时采集。数据处理是包含数据采集控制、数据预处理、数据存储保护、数据通讯控制等模块的单片机应用系统，在数据采集终端允许的条件下，对采集到的数据做适当的运算处理，并对其进行可靠保护，为数据通讯做好准备。

灌区量测水感知终端中可提取的主要感知要素包括流量、总水量、水位、水质、降水量等信息。不同应用场合的流量监测方法不同。明渠中的流量监测是间接测量，不能直接测得流量，而是要测量水位、水深、断面起点距、流速等多个要素，然后用数学模型计算得到流量。因而流速、水位、水深、起点距成为直接的监测要素。用于满管管道流量测量的管道流量计，直接测得流量数据。用于非满管管道流量测量的管道流量测量设施，也属于间接测量，需要测量水位、流速，然后用数学模型计算得到流量。灌区取用水监测得到的是在某一时段内，流过明渠或管道测流断面的水量，即以水的体积计量的总水量(累积水量)，需测量流量随时间的变化过程，从而得到总水量。

3.3.2 机电设备的远程一体化自动控制技术

智慧化管理的灌区，在实现精准量测水的前提下，可实行科学按需供水。水量分配的过程可通过对灌区内闸阀泵的远程自动化控制实现。根据调度管理中心的水量分配指令，通过远程控制水源处的取水口闸门启闭和闸门开度或泵站流量调节等，以及各级渠系管道闸阀泵的工作状态，实现科学精准的水量控制。灌区感知体系通过获取闸阀泵的工情信息，通过灌区控制网下发控制指令，实现对灌域内设备的远程自动化控制。

对于干渠及其它重要的大型闸门、泵站等设施，通过以太网环境下的计算机监控实现各闸门、泵站电机与辅助设备的现地和远程操作，运行参数的实时监测、现场运行过程的动态模拟，实现各闸泵的遥测遥控及输配水自动化。可对其进行实时控制，完成对设备参数和运行工况的实时监测，有效地提高设备的可靠性和自动化水平与管理，改善管理人员的工作条件。远程集控分中控室的站控级监控和现地控制单元LCU。站控级SCADA系统采集现地控制单元LCU的信息，并发送指令给现地控制单元LCU，实现集中自动控制。控制模式主要包括远程调度、现地自动控制及现地手动控制。控制权分现场监控室、现地控制两级，主、备工作站计算机系统可以进行无扰动切换。控制权优先顺序为“现地控制、现场监控室”。现地设备均配备手动/自动切换的操作按钮，当上位机和LCU出现异常(如：通讯中断等)或在检修试验时，实现现地开停机操作。

基于灌区组网技术，选用动力可靠、室外环境可用、精度高的一体化测控设备。支渠及以下渠道闸群自动控制和过闸流量在线监测，可通过全部安装测控一体化闸门的方式，实现对已安装相关设施的渠道进行全渠自动控制。测控一体化闸门是依据水力学原理设计，集测、控于一体的新型闸门，它具有流量计量精度高、良好的水位控制特性，在基于开放式的标准IT技术和SCADA(监控和数据采集)平台基础上，将传统人工操作、输水损失较大的明渠灌溉系统转换成反应迅速、高效灵活的全渠道自动一体化遥测和遥控系统。

3.3.3 精确灌溉感知关键技术

基于智能化高效节水灌溉工程项目区的气象、墒情及农作物需水情况，通过灌溉决策系统模型，产生最优灌溉方案，自动控制农田的灌溉和排水，保证农作物的正常生长，实现精确灌溉，基本消除在灌溉过程中人为因素对作物造成的不利影响，提高操作的准确性和高效性，以达到科学管理的目的。以大田果树园区小管出流灌溉方式为典型设计，智能化高效节水灌溉工程总体布局如图2所示。

图2 田间智能化高效节水灌溉布局示意

3.4 视频智能监控技术

3.4.1 计算机视觉技术

计算机视觉(Computer Vision)是研究如何使机器“看”的科学，形象地说，就是给计算机安装上眼睛(摄像机)和大脑(算法)，让计算机像人一样去看、去感知环境。计算机视觉技术作为人工智能的重要核心技术之一，已广泛应用于水利、安防、金融、硬件、营销、驾驶、医疗等领域。计算机视觉领域的八大任务主要包含：图像分类、目标检测、图像语义分割、场景文字识别、图像生成、人体关键点检测、视频分类、度量学习等，帮助计算机从单个或者一系列的图片中提取分析和理解的关键信息。

3.4.2 视频识别技术

视频识别作为图像识别技术的一个分支，又称为实时识别或即时识别，主要是基于人工智能和模式识别原理的算法，对动态的视频画面进行识别、检测、分析，滤除干扰，对视频画面中的异常情况做目标和轨迹标记。其中核心的技术包括：车辆识别、人体识别、行人再识别技术(ReID)和异常检测。

3.4.3 视频结构化技术

视频结构化技术是一种将视频内容(人、车、物、活动目标)特征属性进行自动提取的技术，对视频内容按照语义关系，采用目标分割、时序分析、对象识别、深度学习等处理手段，分析和识别目标信息，组织成可供计算机和人理解的文本信息，并进一步转化为各业务管理相关的实用信息。视频结构化技术是融合了机器视觉、图像处理、模式识别、深度学习等最前沿的人工智能技术，是视频内容理解的基石，其应用主要体现在对车辆特征、人像特征、行为事件等辨识方面。

视频结构化在技术领域可以划分为三个步骤：目标检测、目标跟踪和目标属性提取。目标检测过程是从视频中提取出前景目标，然后识别出前景目标是有效目标(如：人员、车辆、人脸等)还是无效目标(如：树叶、阴影、光线等)。在目标检测过程中主要应用到运动目标检测、人脸检测和车辆检测等技术。目标跟踪过程是实现特定目标在场景中的持续跟踪，并从整个跟踪过程中获取一张高质量图片作为该目标的抓拍图片。在目标跟踪过程中主要应用到多目标跟踪、目标融合以及目标评分技术。目标属性提取过程是对已经检测到的目标图片中目标属性的识别，判断该目标具有哪些可视化的特征属性，例如人员目标的性别、年龄、着装，车辆目标的车型、颜色等属性。目标属性提取过程主要基于深度学习网络结构的特征提取和分类技术。

4 结语

本文从小型水库、旱情监测、灌区监控、视频技术等几方面着手，分析了当前智慧水利感知的部分关键技术，形成了一定的技术基础。下一步，将根据现有成果，下沉到每一项具体项目的感知技术的探索。积极探索视频、遥感、定位等新技术在水利重点业务领域和关键要素监测中的应用；特别是在快速高效低成本实现大量中小水库、堤防、水闸的安全监测和旱情、灌区的综合监测方面取得较大进展，加快提升水利“自动化、智能化、立体化”的监测水平和感知能力；提出可落地、可推广的技术应用手段和解决方案，为智慧水利建设项目实施提供有力的技术支撑。