四女寺闸水文站影像法流量测验系统率定分析

傅 静，宰维东，刘树森

（德州市水文中心,山东 德州 253016）

1 影像法流量测验系统基本原理及适用范围

影像法流量测验系统又称AI视频测流,其流速监测原理是通过对水面图像进行处理,提取画面中的漂浮物或波纹、气泡等水面纹理特征并进行跟踪匹配,采用基于SIFT特征的角点检测的方法,对相邻两帧水面图像上漂浮物、气泡或者明显波纹形成的角点进行检测,然后对检测到的特征点进行SIFT特征提取,计算出特征点矢量运动的大小以及帧间时间,从而计算得到该点的实时流速值,原理类似传统浮标法。对河流表面流速和水位实现实时测量,根据水位面积法实时计算出过水断面面积,然后将断面平均流速乘以过水断面面积,即可实时计算出流量。

影像法流量测验系统采用非接触方式测验水道断面上若干条垂线的水面流速,其流量计算方法与转子流速仪一样,部分流速乘以部分面积得部分流量,n个部分流量之和即为断面虚流量,再乘以水面系数,得到河流的实测流量。

式中：Qf为断面虚流量,m3/s；Vi为水面流速（部分虚流速）,m/s；Ai为部分面积,m2；qi为断面部分虚流量,m3/s。

式中：Kf为水面系数；V为水面平均流速；A为测流时的过水断面面积；Q为断面实测流量,m3/s。

影像法流量测验系统适用于能够根据河流断面及水流特性建立流量计算模型的测站,尤其适合于高洪流量测验、浅滩过水流量测验、界河流量测验与应急监测等,对于含沙量大、表面漂浮物多的河道具备良好的适应性。

2 四女寺闸水文站影像法流量测验系统基本参数

四女寺闸水文站采用的影像法流量测验系统包括前端监测设备和应用平台两个部分,其中前端监测设备包括1台水位监测球机和1台流速监测球机,对水文站全断面进行非接触可视化测量,基于影像智能分析技术获取水位和全断面流速数据,断面跨度96 m,可覆盖高、中、低水情况下的水面宽度。

影像法流量测验系统性能：①流速数据采集：表面流速监测范围±0.2 m/s～15 m/s,测量偏差≤±8%；②最大断面宽度100 m,可通过增加流速监测球机来扩展；③水位数据采集：识别精度≤±2 cm,支持阶梯水尺自动识读；④记录周期：自定义设置,最短可设置为1分钟,当前系统数据间隔设置为1小时；⑤支持输入断面数据,可自动计算河道实时流量和累计流量；⑥支持提供垂线流速、平均流速、流量、分断面流量、实时水位、过水面积、水面宽度、最大水深等多种实时监测数据；⑦支持应急浏览功能,可手动控制云台转动,查看周围实时监控画面；⑧设备自带数据传输功能,支持按《水文监测数据通信规约》（SL 651-2014）和《水资源监测数据传输规约》（SZY 206-2016）向平台传输数据。

影像法流量测验系统其他技术指标：①400万像素高清视频图像,44 倍光学变焦；②支持水平360°旋转；③支持内置TF卡,单台设备最大支持512 G,可自定义水情数据存储空间大小,存储时长超五年；④支持H.265、H.264、M-JPEG编码；⑤具有1个10 M/100 M自适应网口,同时内置4G模块,全网通；⑥支持外接雨量筒,组成水雨情一体站；⑦阈值设置,实现水位/流速阈值告警；⑧自带雨刷；⑨单台设备尺寸：222（L）×222（W）×372（H）mm；⑩供电：支持POE、DC12V供电,太阳能板、市电均可供电,最大功率32.65 W,最小运行功率0.3W；⑪接口:报警8入2出,音频1入1出,内置扬声器,支持1路RS485,1路CVBS；⑫防护等级：IP66；⑬工作温度：-30℃～+70℃；⑭工作湿度：0～95%（无凝结）。

3 影像法流量测验系统应用方法

3.1 测流断面的布设

影像法流量测验系统测流断面布设于常规流速仪测流断面的上游,与基本水尺断面、常规流速仪测流断面、走航式ADCP测流断面接近,测流断面垂直于流速较大的中、高水位水流方向。

3.2 测验数据分析比测

影像法流量测验系统率定分析目的是将影像法设备所测得虚流量与传统的流量测验方法的实测流量进行相关性分析,建立虚实流量相关关系方程,从而实现流量测验自动化,达到生产应用目的。率定方法主要包括以下几种：①水位监测。影像法流量测验系统使用视频水位技术,通过AI影像分析视频画面中的水尺读数获取水位数据,支持接力水尺、阶梯水尺连续读数,并可对水尺图片进行抓拍,实现人工水位二次校核；②影像法流量测验系统虚流量的测定。根据历年水位变幅布设测次,测速垂线的布设根据现场断面宽度可设置,测速历时为每条垂线30 s。系统自动运行,按照固定间隔采集数据,自动通过流速面积法计算出虚流量Q虚；③传统方法实测流量的确定。采用走航式ADCP测定,测量时间必须与影像法虚流量的时间一致,水位偏差不大于2 cm。通过上述方法,不断收集不同水位的虚、实流量关系点据,当收集到足够数量点据即可开展相关关系分析工作。

3.3 率定资料收集

在2021年9月1日开始,影像法流量测验系统在四女寺南运河、减河和漳卫新河三个闸下断面均实现全天候自动化测流,共测得超15万组有效数据。

影像法流量测验系统率定分析是将所测得虚流量与传统的流量测验方法的实测流量进行相关性分析,建立虚实流量相关关系方程,从而实现流量测验自动化,达到生产应用目的。影像法流量测验系统测流断面布设于常规流速仪测流断面的上游,与基本水尺断面、常规方法测流断面接近。其测流断面垂直于流速较大的中、高水位水流方向。

采用ADCP测定流量时,测量时间、相应水位必须与影像法流量测验系统虚流量的时间、水位一致。由于两者测验总历时的差异,在洪水期水位变化较快时,比测有可能会出现相应水位不一致的情况。一般当两者相应水位相差不超过±0.02 m时,可不予纠正；大于0.02 m时,采用水位流量关系线查读影像法流量测验系统测量时段的同步相应水位所对应的流量参与分析。通过上述方法,收集不同水位级的虚、实流量关系点据,开展相关关系分析工作。

3.4 率定成果及误差分析

结合ADCP实测数据,取2022年5月～7月的25组实测数据与同一时间影像法流量测验系统系统获得的实测流量数据进行比测分析,比测率定水位范围19.09 m～20.79 m,水位变幅为1.7 m,流量范围16.6 m3/s～52.8 m3/s,流量变幅为36.8 m3/s,样本容量25,符号检验1.6,允许1.64（显著性水平a=1.10）；适线检验1.94,允许2.04（显著性水平a=0.05）；偏离数值检验1.20,允许1.72（显著性水平a=0.10）；标准差5.4；系统误差1.51%,随机不确定度12.8%。利用影像法流量测验系统虚、实流量比测率定成果,点绘Q虚～Q实相关关系图,见图1。从图中可见关系点据呈明显带状分布,规律性好,无异常突出点,相关系数高于0.997,表明两者之间相关性好。率定成果方程式如下：

图1 四女寺闸水文站影像法和ADCP法流量系数曲线图

式中：Q实为传统方法实测流量；Q虚为影像法虚流量。

四女寺闸水文站水位流量关系曲线比测分析采用ADCP实测流量,与影像法流量测验系统所测的全部虚流量建立相关关系,分析出系数或数学模型后,将其系数或数模代入视频影像的虚流量计算出断面流量。选取25个样本数据进行分析,进行误差分析后,通过三种定线检验,计算得相关系数R2=0.9974,系统误差为1.51%,随机不确定度12.8%,达到《水文资料整编规范》中水文站水位流量关系定线精度的要求,成果合格。

4 结语

四女寺闸水文站采用智能视频影像自动监测系统进行流量在线监测,在相应水位、流速、流量适用范围内应用是可行的。与传统缆道流速仪、走航式ADCP测流相比,具有以下优点：①智能化、自动化,省时省力,操作简单,易于管理和优化升级,解放劳动力；②实时性,可根据需要加密监测河流断面实时的流速、流量变化过程,保证水文资料的完整性；③安全性,智能视频影像自动监测系统测速时设备不受污水腐蚀,不受泥沙影响,土建简单,不受水毁影响,便于维护,保障人员和仪器的安全。

四女寺闸水文站影像法流量测验系统比测分析采用ADCP实测流量与该系统所测的全部虚流量建立相关关系,分析出系数或数学模型后,将其系数或数模代入视频影像的虚流量计算出断面流量,并与ADCP水位流量关系曲线上的流量进行误差分析,通过三种定线检验,计算得相关系数R2=0.9974,系统误差为1.51%,随机不确定度12.8%,达到《水文资料整编规范》中水文站水位流量关系定线精度的要求,成果合格,所得的水面系数或数学模型即为所求,可用于今后一段时期的生产应用中。