基于图像智能识别的山洪流速流量监测技术与装置

陈 华，黄 煜，黄凯霖，刘维高，项伍林，刘德地，王 俊，刘炳义，刘昌军，关 亮

我国是自然灾害多发的国家，山洪灾害呈频发重发趋势，已成为防洪减灾工作的难点和重点。流量数据作为一种基础性数据，在山洪灾害预报预警中发挥着至关重要的作用。目前国内流量监测多采用传统接触式流量测量方法，该方法不仅需人员值守，且存在效率低、时效性差和洪水期测验困难等问题，难以实现山洪流量在线监测，也难以满足山洪应急动态化管理的需求。现阶段，山洪预警普遍采用雨量监测预警方式，依靠降雨径流相关法进行计算，但该种方法较为单一，空报误报迟报现象时有发生，预警精准度有待提升。

近十几年来，随着计算机视觉技术的迅猛发展，基于图像识别的非接触式测流技术为解决上述问题提供了全新思路。与接触式测流技术和现有山洪灾害监测预警系统相比，图像法山洪流速流量监测技术具有安全高效、适用范围广、及时准确和成本低廉等优点。2019年水利部办公厅发布的关于印发水文现代化建设技术装备有关要求的通知以及全国水文工作会议均明确提出卫星遥感和高分辨率图像测流，这将是今后流量测量研究和发展的一个重要方向。因此，亟需探索研究基于图像智能识别的山洪流量监测技术，强化山洪预报预警。

断面流速计算是山洪流量计算的核心与关键技术，因此研究基于图像智能识别的表面流速计算和河道断面流量计算方法，建立非接触式图像识别流量计算过程，将为我国河流流量监测工作提供全新的解决方案，是实现山洪流量在线监测和满足山洪应急动态化管理的重要路径。本文主要研究了基于视频时空影像的表面流速计算方法和流量计算方法，并在国家山洪灾害试验基地河南栾川流域进行了示范应用。

＞图1 时空影像法原理示意

基于时空影像法的河流流速流量计算方法

1.时空影像法

水体流动（称为水流）在较短的时间内通常可以认为满足连续性，水流表面的涟漪、波纹等流动特征的亮度变化可以看作天然水流示踪物，在忽略风的影响下，其运动速度近似等于水流表面流速。在三维时空域x-y-t（x-y代表水流运动所处的平面坐标系统，t代表运动时间）中，水流示踪物的二维空间平面运动往往随时间t表现出某种相关性，如图1（a）、图1（b）所示。这种相关性在x方向和时间t所组成的二维x-t平面中表现为较为显著的带有纹理的图像，如图1（c）所示。图1（c）中的纹理是由水流示踪物在某段时间内的运动所形成的，可以反映出水流沿x方向的运动速度。由于该图像中既包含了时间信息，又包含了空间信息，因此称为时空图像。

为了获取沿水流方向x的一维表面流速，需沿水流方向采集图像，并绘制测速线。从水流视频的第一帧（T=0）开始，至视频最后一帧（T=m）结束，逐帧提取测速线上的灰度信息，并按照时间的先后顺序进行排列，即可得到带有条纹的时空图像。水流表面测速线对应的时空图像具有显著的纹理特征，表现为具有特定方向性的明暗条带，将纹理主要走向和纵坐标轴y之间的夹角定义为时空图像的纹理主方向，其反映了测速线上时均光流运动矢量的大小，因此，时空影像测速方法的关键在于识别时空图像中的纹理角度大小。Fujita及张振等研究者先后提出了梯度张量法(GTM)、二维自相关函数法(QESTA)和频谱法(FFT)三种角度识别方法，并得到广泛应用。

＞图2 山洪流速流量监测设备示意

2.基于时空影像法的流量计算

断面流速通常用指标率定法以及表面流速系数法进行计算，即在由时空影像测速技术获得表面流速后，用指标率定法或表面流速系数法推算出垂线平均流速或者断面平均流速，再由流速面积法确定出断面的流量。

3.基于视频的山洪流速流量监测装置与示范

图2为河南栾川养子沟上游山洪流速流量监测装置示意简图。从示意简图可以看出，装置主要由视频图像采集设备（高清红外摄像头）、流速计算算法盒子和物联网通信单元组成。其中，摄像头为200万像素，分辨率1920×1080，焦距范围为2.5～12mm，帧率25fps。视频数据由摄像头采集，随后输入算法盒子中进行流速流量计算。算法盒子配备高性能硬件，集成了时空影像法测流模块，支持神经网络加速和图像处理加速。流速的测量范围为0.1～20m/s，中高水流流量测量误差＜5%。经算法盒子计算得到流速流量数据后，数据将通过远程终端单元进行无线传输，以达到实时监测和预警作用。

＞图3 水位—流量关系曲线

图3为2021年7月19日15时57分至23日7时15分河南栾川养子沟上游的水位—流量关系曲线，其中水位数据由现场水尺读取，流量数据由时空影像法计算流速并通过表面流速系数法推求。从图中可以看出，水位和流量之间存在较好的单一相关关系，决定系数R2为0.9462，表明数据之间的关联性较好，基于视频的山洪流速流量监测装置可实时且较可靠地进行山洪流量监测。

结 论

为实现山洪流量在线监测与山洪应急动态化管理，创新性地提出和建立了基于图像识别的山洪流速流量计算方法与装置，并于2021年7月在国家山洪灾害试验基地河南栾川流域进行了示范应用。结果表明，该方法能够较快速、可靠地对洪水期间河流表面流速和流量进行计算，所计算的流量与实测水位间具有较好的单一相关关系，研究成果可为山洪灾害监测预警提供关键技术支撑，对提升山洪灾害风险预报预警能力具有重要意义。