四女寺闸水文站影像法流量测验系统率定分析.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 2 0-0 2陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023四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2 5 30 16)【摘要为解决传统流量测验工作强度大、效率低、危险性高、自动化功能不足等问题，德州水文中心于2021年先后在四女寺闸南运河、减河和漳卫新河三处闸下断面安装影像法流量测验系统，同时与ADCP开展比测率定工作。影像法流量测验系统主机型号为TC-H546C,配置44X/IWS/H,测速范围0.2 m/s15m/s，测量精度8%，最大测程10 0 m。实践表明，该系统具有多种功能，可满足高水平水文监测需求，对于提升水文监测水平具有重要的意义。【关键词影像法流量测验系统；AI视频测流；率定【中图分类号P332.4【文献标识码BAnalysis of The Rate Determination of The Image Method Flow Test System at TheSinusi Gate Hydrological StationFu Jing,Zai Weidong,Liu Shusen(Dezhou Hydrological Center,Dezhou 253016,Shandong)Abstract:In order to solve the traditional flow test work intensity,low efficiency,high risk,lack of automation featuresand other problems,Texas Hydrological Center in 2021 has been in the four womens Temple lock South Canal,the River andZhangwei New River under the three lock cross-sections to install the image method flow test system,and at the same timewith ADCP to carry out the ratio measurement rate determination work.The image method flow test system host model TC-H546G,configuration 44 X/IWS/H,measurement speed range 0.2 m/s15 m/s,measurement accuracy 8%,the maximummeasurement range of 100 m.practice shows that the system has a variety of functions,can meet the needs of high-levelhydrological monitoring,for improving the level of hydrological monitoring is of great significance.Key words:Image method traffic test system;AI video flow measurement;rate determination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1影像法流量测验系统基本原理及适用范围面虚流量，再乘以水面系数，得到河流的实测流量。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，对相邻两顿水面图像上漂浮物、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，nQ/=ZvV:A=Zdi=1式中：Q,为断面虚流量，m/s；V,为水面流速（部分虚流速），m/s；A,为部分面积,m；q:为断面部分虚流量,m/s。Q,=K,VA=K,Qr式中：K,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，m/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。(1)=1(2)收稿日期 2 0 2 3-0 4-13【作者简介傅静（19 7 8-），女，山东齐河人，工程师，主要从事水文水资源相关工作。20第9 期2023年9 月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9 6 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：流速数据采集：表面流速监测范围0.2 m/s15m/s,测量偏差8%；最大断面宽度10 0 m，可通过增加流速监测球机来扩展；水位数据采集：识别精度2 cm，支持阶梯水尺自动识读；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；支持输人断面数据，可自动计算河道实时流量和累计流量；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；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；设备自带数据传输功能，支持按水文监测数据通信规约（SL651-2014）和水资源监测数据传输规约（SZY206-2016）向平台传输数据。影像法流量测验系统其他技术指标：40 0 万像素高清视频图像，44倍光学变焦；支持水平36 0 旋转；支持内置TF卡，单台设备最大支持5 12 G，可自定义水情数据存储空间大小，存储时长超五年；支持H.265、H.2 6 4、M-JP EG编码；具有1个10 M/100M自适应网口，同时内置4G模块，全网通；支持外接雨量筒，组成水雨情一体站；阈值设置，实现水位/流速阈值告警；自带雨刷；单台设备尺寸：2 2 2（L）2 2 2（W）37 2（H）m m；供电：支持POE、DC12V供电，太阳能板、市电均可供电，最大功率32.6 5 W，最小运行功率0.3W；接口：报警8 人2 出，音频1人1出，内置扬声器，支持1路RS485,1路CVBS；防护等级：IP66；工作温度：-30 +7 0；工作湿度：0 9 5%(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：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；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，按照固定间陕西水利Shaanxi Water Resources隔采集数据，自动通过流速面积法计算出虚流量Q虚；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2 0 2 1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0.02m时，可不予纠正；大于0.0 2 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2 0 2 2 年5 月 7 月的2 5 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19.0 9 m20.79m，水位变幅为1.7 m，流量范围16.6 m/s52.8m/s，流量变幅为36.8m/s，样本容量2 5，符号检验1.6,允许1.6 4（显著性水平a=1.10）；适线检验1.9 4，允许2.0 4（显著性水平a=0.05）；偏离数值检验1.2 0,允许1.7 2（显著性水平a=0.10）；标准差5.4；系统误差1.5 1%，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0.9 9 7,表明两者之间相关性好。率定成果方程式如下：Q实=0.9 18 4 Q虚式中：Q实为传统方法实测流量；Q虚为影像法虚流量。706082010图1四女寺闸水文站影像法和ADCP法流量系数曲线图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（下转第2 8 页）21No.9September,2023=0.9184xR=0.99741020影像法虚流量/（m/s）3040506070第9 期2023年9 月表32 0 12 年至2 0 2 0 年5 月 9 月逐层湖泊平均水温与平均气温线性系数分布表5月6月0cm-0.15550cm-0.143100 cm-0.163150 cm-0.1923结论与讨论3.1结论1）平均气温逐年呈上升趋势，累计降水量逐年呈下降趋势。2）沙湖水温的变化呈夏季高，春末秋初低特征。平均水温和平均气温在5 月均呈下降趋势，6 月、9 月湖泊平均水温与平均气温随着年份的变化均呈上升趋势。7 月、8 月的湖泊平均水温随着年份的增加呈上升趋势，平均气温随着年份的增加呈下降趋势。3）除2 0 18 年6 月水温低于气温值外，其他各月的水温值均高于气温值，在气温剧烈上升或下降的时候，湖泊水温虽有上升或下降的趋势，但其剧烈程度远低于气温，且存在一定的滞后性，大约滞后1个月。这与张月月在“气候变暖背景下滇池表面水温响应过程”研究中得出的“因为全球气候变化的原因，世界范围内的湖泊表面水温呈上升趋势，水陕西水利Shaanxi WaterResources温变化比气温变化约滞后1个月”结论一致。4)0cm、5 0 c m、10 0 c m、15 0 c m 水温在5 月均呈线性7月8月0.3850.1550.350.0620.3530.06670.3350.023No.9September,20239月下降趋势，6 月 9 月均呈线性上升趋势。2 0 2 0 年6 月 9 月0.2130.7870.1950.780.2050.9120.2221各层水温均呈跃增趋势。3.2讨论通过文献的查阅，湖泊水温生态方面的相关研究大多时间序列较长，可满足趋势分析、周期分析和突变分析的相关要求，同时其所采用的数据资料来源于自动观测数据，可精确到小时，便于进行时值、日值、季值等特征分析。本文因资料的时间序列较短，且水温数据来源于人工观测，测量结果值仅限于当前观测时次，而气温观测则是采用自动观测的日平均值，并不能很好地与水温值进行匹配分析；同时沙湖国家气象站于2 0 0 7 年建立，气温、降水资料序列短，不能很好地反映沙湖气候变化的趋势；另外在查阅文献的过程中发现，湖泊水温的变化与其水体大小、气温随时间的变化程度、时间、变化速率等有很大的关系。本文对沙湖水域的水温和气温研究深度上还不够，后续将继续积累更长序列的资料，在研究过程中，考虑与相关部门进行资料共享，获取湖泊水温、pH值等资料，进行更深一步分析。参考文献1张月月.气候变暖背景下滇池表面水温响应过程研究 EB/OL.硕士电子期刊,2 0 2 1（0 1).（上接第2 1页）关关系，分析出系数或数学模型后，将其系数或数模代人视频影像的虚流量计算出断面流量。选取2 5 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R=0.9974，系统误差为1.5 1%，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：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；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；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R*=0.9974，系统误差为1.5 1%，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。（上接第2 4页）平台，打破传统信息难以交互的壁垒，通过信息管理系统，实现降水和径流等数据的高效组织和管理，为管理部门对流域内信息的全面把控和出台一系列操作性措施提供科学依据。1姜仁贵，韩浩，解建仓，等.变化环境下城市暴雨洪涝研究进展J.水资源与水工程学报，2 0 16,2 7（3)：11-17.282马瑞婷，黄领梅，沈冰.秦岭北麓典型流域年径流序列的突变分析 J.水资源与水工程学报，2 0 16,2 7（2）：7 6-7 9.3郭巧玲，陈新华，刘培旺，等.窟野河流域径流变化及人类活动对其的影响率 .水土保持通报，2 0 14,34（4：110-113.参考文献4吴琳娜，杨胜天，刘晓燕，等.19 7 6 年以来北洛河流域土地利用变化对人类活动程度的响应 J.地理学报，2 0 14,6 9（1）5 4-6 3.