陳 華，黃 煜，黃凱霖，劉維高，項(xiàng)伍林，劉德地，王 俊，劉炳義，劉昌軍，關(guān) 亮

我國(guó)是自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，山洪災(zāi)害呈頻發(fā)重發(fā)趨勢(shì)，已成為防洪減災(zāi)工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。流量數(shù)據(jù)作為一種基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，在山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前國(guó)內(nèi)流量監(jiān)測(cè)多采用傳統(tǒng)接觸式流量測(cè)量方法，該方法不僅需人員值守，且存在效率低、時(shí)效性差和洪水期測(cè)驗(yàn)困難等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)山洪流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，也難以滿(mǎn)足山洪應(yīng)急動(dòng)態(tài)化管理的需求?，F(xiàn)階段，山洪預(yù)警普遍采用雨量監(jiān)測(cè)預(yù)警方式，依靠降雨徑流相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算，但該種方法較為單一，空?qǐng)?bào)誤報(bào)遲報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，預(yù)警精準(zhǔn)度有待提升。

近十幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于圖像識(shí)別的非接觸式測(cè)流技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了全新思路。與接觸式測(cè)流技術(shù)和現(xiàn)有山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)相比，圖像法山洪流速流量監(jiān)測(cè)技術(shù)具有安全高效、適用范圍廣、及時(shí)準(zhǔn)確和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。2019年水利部辦公廳發(fā)布的關(guān)于印發(fā)水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求的通知以及全國(guó)水文工作會(huì)議均明確提出衛(wèi)星遙感和高分辨率圖像測(cè)流，這將是今后流量測(cè)量研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。因此，亟需探索研究基于圖像智能識(shí)別的山洪流量監(jiān)測(cè)技術(shù)，強(qiáng)化山洪預(yù)報(bào)預(yù)警。

斷面流速計(jì)算是山洪流量計(jì)算的核心與關(guān)鍵技術(shù)，因此研究基于圖像智能識(shí)別的表面流速計(jì)算和河道斷面流量計(jì)算方法，建立非接觸式圖像識(shí)別流量計(jì)算過(guò)程，將為我國(guó)河流流量監(jiān)測(cè)工作提供全新的解決方案，是實(shí)現(xiàn)山洪流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和滿(mǎn)足山洪應(yīng)急動(dòng)態(tài)化管理的重要路徑。本文主要研究了基于視頻時(shí)空影像的表面流速計(jì)算方法和流量計(jì)算方法，并在國(guó)家山洪災(zāi)害試驗(yàn)基地河南欒川流域進(jìn)行了示范應(yīng)用。

＞圖1 時(shí)空影像法原理示意

基于時(shí)空影像法的河流流速流量計(jì)算方法

1.時(shí)空影像法

水體流動(dòng)（稱(chēng)為水流）在較短的時(shí)間內(nèi)通?？梢哉J(rèn)為滿(mǎn)足連續(xù)性，水流表面的漣漪、波紋等流動(dòng)特征的亮度變化可以看作天然水流示蹤物，在忽略風(fēng)的影響下，其運(yùn)動(dòng)速度近似等于水流表面流速。在三維時(shí)空域x-y-t（x-y代表水流運(yùn)動(dòng)所處的平面坐標(biāo)系統(tǒng)，t代表運(yùn)動(dòng)時(shí)間）中，水流示蹤物的二維空間平面運(yùn)動(dòng)往往隨時(shí)間t表現(xiàn)出某種相關(guān)性，如圖1（a）、圖1（b）所示。這種相關(guān)性在x方向和時(shí)間t所組成的二維x-t平面中表現(xiàn)為較為顯著的帶有紋理的圖像，如圖1（c）所示。圖1（c）中的紋理是由水流示蹤物在某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)所形成的，可以反映出水流沿x方向的運(yùn)動(dòng)速度。由于該圖像中既包含了時(shí)間信息，又包含了空間信息，因此稱(chēng)為時(shí)空?qǐng)D像。

為了獲取沿水流方向x的一維表面流速，需沿水流方向采集圖像，并繪制測(cè)速線(xiàn)。從水流視頻的第一幀（T=0）開(kāi)始，至視頻最后一幀（T=m）結(jié)束，逐幀提取測(cè)速線(xiàn)上的灰度信息，并按照時(shí)間的先后順序進(jìn)行排列，即可得到帶有條紋的時(shí)空?qǐng)D像。水流表面測(cè)速線(xiàn)對(duì)應(yīng)的時(shí)空?qǐng)D像具有顯著的紋理特征，表現(xiàn)為具有特定方向性的明暗條帶，將紋理主要走向和縱坐標(biāo)軸y之間的夾角定義為時(shí)空?qǐng)D像的紋理主方向，其反映了測(cè)速線(xiàn)上時(shí)均光流運(yùn)動(dòng)矢量的大小，因此，時(shí)空影像測(cè)速方法的關(guān)鍵在于識(shí)別時(shí)空?qǐng)D像中的紋理角度大小。Fujita及張振等研究者先后提出了梯度張量法(GTM)、二維自相關(guān)函數(shù)法(QESTA)和頻譜法(FFT)三種角度識(shí)別方法，并得到廣泛應(yīng)用。

＞圖2 山洪流速流量監(jiān)測(cè)設(shè)備示意

2.基于時(shí)空影像法的流量計(jì)算

斷面流速通常用指標(biāo)率定法以及表面流速系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，即在由時(shí)空影像測(cè)速技術(shù)獲得表面流速后，用指標(biāo)率定法或表面流速系數(shù)法推算出垂線(xiàn)平均流速或者斷面平均流速，再由流速面積法確定出斷面的流量。

3.基于視頻的山洪流速流量監(jiān)測(cè)裝置與示范

圖2為河南欒川養(yǎng)子溝上游山洪流速流量監(jiān)測(cè)裝置示意簡(jiǎn)圖。從示意簡(jiǎn)圖可以看出，裝置主要由視頻圖像采集設(shè)備（高清紅外攝像頭）、流速計(jì)算算法盒子和物聯(lián)網(wǎng)通信單元組成。其中，攝像頭為200萬(wàn)像素，分辨率1920×1080，焦距范圍為2.5～12mm，幀率25fps。視頻數(shù)據(jù)由攝像頭采集，隨后輸入算法盒子中進(jìn)行流速流量計(jì)算。算法盒子配備高性能硬件，集成了時(shí)空影像法測(cè)流模塊，支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速和圖像處理加速。流速的測(cè)量范圍為0.1～20m/s，中高水流流量測(cè)量誤差＜5%。經(jīng)算法盒子計(jì)算得到流速流量數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)將通過(guò)遠(yuǎn)程終端單元進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用。

＞圖3 水位—流量關(guān)系曲線(xiàn)

圖3為2021年7月19日15時(shí)57分至23日7時(shí)15分河南欒川養(yǎng)子溝上游的水位—流量關(guān)系曲線(xiàn)，其中水位數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)水尺讀取，流量數(shù)據(jù)由時(shí)空影像法計(jì)算流速并通過(guò)表面流速系數(shù)法推求。從圖中可以看出，水位和流量之間存在較好的單一相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.9462，表明數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性較好，基于視頻的山洪流速流量監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)且較可靠地進(jìn)行山洪流量監(jiān)測(cè)。

結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)山洪流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與山洪應(yīng)急動(dòng)態(tài)化管理，創(chuàng)新性地提出和建立了基于圖像識(shí)別的山洪流速流量計(jì)算方法與裝置，并于2021年7月在國(guó)家山洪災(zāi)害試驗(yàn)基地河南欒川流域進(jìn)行了示范應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法能夠較快速、可靠地對(duì)洪水期間河流表面流速和流量進(jìn)行計(jì)算，所計(jì)算的流量與實(shí)測(cè)水位間具有較好的單一相關(guān)關(guān)系，研究成果可為山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，對(duì)提升山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警能力具有重要意義。