基于视频影像AI技术的河道表面流场测验分析_覃壮权.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）视频影像AI技术监测水面流速的方法具有较高的环境适应性，同时具备非接触、可视化、全天候、无人值守等优点。其通过对水面图像进行处理，提取水面纹理特征并进行匹配，根据相机成像原理计算出特征点的物理距离以及帧间时间，计算出水面流速值。经过大量试验证明，该方法所得到的水面流速具有一定可靠性。本文通过邹圩（二）水文站安装的视频影像AI测流系统监测清水河表面流场来分析研究视频影像AI技术在水文站中的应用。1测站及断面概况邹圩水文站建于1954年，位于广西南宁市宾阳县邹圩镇西北约1.5 km处，1958年上迁3.5 km，更名为邹圩（二）水文站。该站距离河口94 km，是红水河下游南岸主要支流清水河的控制站，属国家基本水文站，集雨面积1896 km2，流量测验属于二类精度水文站。水文站测验河段顺直，基本水尺上游800 m有弯道。河床由粗沙石组成，断面呈U型。两岸均为沙质土壤，右岸坡间有岩石，无冲淤坍塌情况。水道断面有水生植物，生长较短，不影响测流。洪水期流量测验受水草、竹木等漂浮物影响，流速仪和走航ADCP测验困难。水面宽80120 m，河道坡降0.878，高水时左岸有漫滩现象，宽度大约25 m，水位达101 m以上时有死水。水文站洪水主要集中在49月的汛期，洪水主要以暴雨洪水为主，涨退水较快，涨洪历时28 h，峰型多为单峰型，水位流量关系线低水为临时曲线，中高水位为绳套线。中高水时有水葫芦及水流柴等漂浮物，洪水含沙量大，水沙峰型基本相应。2视频影像AI测流技术引进和工作原理2.1设备引进来由邹圩（二）水文站流量测验方式多年来一直采用较为传统的流速仪法和走航式ADCP，测验效率不高且洪水期受漂浮物影响存在安全隐患。为创新水文技术应用，实现邹圩（二）水文站全天候可视化实时在线的流速流量智能化采集，引进天地伟业技术有限公司的视频影像AI测流系统。2.2视频影像AI测流原理视频测流，基于图像识别和人工AI智能技术，视频测流系统采用摄影成像测量水体表面流速，即通过对视频分析来获取流速数据，采用传统浮标法原理，通过对水面图像进行处理，提取画面中的刚性漂浮物或波纹、气泡等水面纹理特征并进行跟踪匹配（见图1），计算出特征点的物理距离以及帧间时间，从而得出水体表面实时流速值。系统采用非接触式AI影像测流技术，测量河流表面多个单元流速，经流速面积法计算得到分断面流量，各分断面收稿日期2022-12-12作者简介覃壮权（1987-），男（壮族），广西环江人，广西壮族自治区水文中心一级主任科员，主要从事水文测验分析和水文仪器检测工作。新技术研究与应用 基于视频影像AI技术的河道表面流场测验分析覃壮权（广西壮族自治区水文中心，南宁530023）摘要为解决邹圩（二）水文站流量在线监测问题，通过对视频影像AI测流与常规缆道流速仪法比测成果进行分析研究，率定断面虚流量与实测流量之间符合水文规范要求的相关关系。研究结果表明，视频影像AI测流技术在邹圩（二）水文站进行流量在线监测是可行的。关键词视频影像AI测流技术；流量；率定分析；邹圩（二）水文站中图分类号P332.4文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0017-0517DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.026覃壮权:基于视频影像AI技术的河道表面流场测验分析图1视频影像AI技术逐帧提取每条测速线的时空图像流量相加得到整个断面的流量。视频影像AI测流系统安装位置示意图见图2。图2视频影像AI测流系统安装位置示意图2.3视频影像AI测流表面流速与流量计算视频影像AI测流技术是利用涟漪、波纹、气泡等河流表面流动特征在时间T内沿测速线运动的距离为L，相应地，在相平面坐标系下则对应于在k帧内运动了i个像素，则测速线上的流速大小为：v=LT=iSxkSt=tan-SxSt=tan-Sxfps（1）式中：-表示纹理角大小；Sx表示每个像素所代表的实际距离，m/像素；fps表示相机的帧速率，帧/s。根据流速面积法，按照以下公式计算流量Q大小为：Q=iViAi（2）式中：表示表面流速系数；Vi表示区间表面流速，m/s；Ai表示区间面积，m2。3比测率定方案根据 河流流量测验规范（GB 50179-2015）规范要求，各种方法使用的仪器在测站正式投入使用前，应与流速仪进行比测，并应符合相关规定。通过比测率定出视频影像AI测流计算的河道表面流场的水面虚流量与断面实测流量相关关系，建立率定计算公式，推算出断面流量，研究确定视频影像AI测流技术在水文站流量测验和流量在线监测的可行性、适用性、准确性和稳定性。在邹圩水文站流速仪测流断面通过流速仪常测法施测河道断面流量，同步摘取安装在该断面的视频影像AI测流系统相应时段内的视频影像AI测流计算的水面虚流量，运用数理统计方法建立两组数据的相关关系，通过符号检验、偏离检验和适线检验对相关关系进行分析、评价，最终确定视频影像AI测流表面流场水面虚流量和断面流量的相关系数K。4比测率定分析4.1比测情况邹圩（二）水文站视频影像AI测流系统于2022年5月19日安装完毕并开始调试，5月24日设备正式投入运行，6月1日起视频影像AI测流系统开始平稳运行，6 月 127 日系统以 15 min 频率采集数据，6月27日后以5 min频率采集数据。截至9月初，视频影像AI测流水面虚流量与流速仪法测验流量比测共23组数据（见表1），分布于低、中高水位级，比测最高水位89.33 m，比测最低水位84.06 m，实测最大流量656 m3/s（视频影像AI测流水面虚流量708 m3/s），实测最小流量28.3 m3/s（视频影像AI测流水面虚流量27.8 m3/s）。表1视频影像AI测流与流速仪实测流量成果表123456789106月4日16：006月7日11：456月7日20：306月8日18：306月8日08：306月10日16：306月10日09：006月14日14：006月15日09：006月16日08：3084.7886.9387.7885.7786.6084.9787.9989.3389.1387.6477.337243212824683.548970863735471.634740814022387.8457656600325序号施测时间水位/m视频影像AI测流水面虚流量/（m3/s）实测流量/（m3/s）18广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）111213141516171819202122236月17日09：306月20日09：006月29日17：006月30日10：457月1日07：307月5日10：007月7日09：157月11日08：307月25日08：308月9日19：308月12日08：308月27日11：459月1日10：0086.4185.2684.5386.2085.2884.7385.4084.4984.0684.1284.8484.8284.06225.0125.064.0228.0126.067.2123.055.830.027.877.779.733.8210.0117.059.6227.0118.063.8128.052.628.328.383.481.530.8序号施测时间水位/m视频影像AI测流水面虚流量/（m3/s）实测流量/（m3/s）4.2数据分析4.2.1水面流速代表性分析根据水面浮标法计算断面虚流量原理，视频影像AI测流系统以测速垂线为界将断面划分为多个子断面计算断面流量。视频影像AI测流系统测到的水面流速与流速仪法测得垂线平均流速沿河道断面分部情况见图3，因水面流速不大，易受风力等因素影响，视频影像AI测得水面流速代表性不佳，尤其是远端左岸部分与流速仪垂线平均流速相差明显。图3视频影像AI水面流速与垂线平均流速（流速仪）沿断面分布图4.2.2同步性与一致性分析根据邹圩（二）水文站洪水水文要素摘录表中6月1日7月31日的时间水位数据为依据，将视频影像AI测流系统中摘取对应时间水位的流量数据进行异常值筛选后，绘制水位流量过程线图（见图4）。从图4可以看出，邹圩（二）水文站水位和视频影像AI测流计算流量过程同步性和一致性吻合较好。图4水位与视频影像AI流量过程线图4.2.3相关关系将视频影像AI测量水面虚流量Q虚与流速仪常测法实测流量Q实共23组数据绘制散点图（见图5），由图5可以看出，视频影像AI虚流量Q虚与实测流量Q实点子密集分部呈直线趋势，无异常突出点。通过建立实测流量Q实对视频影像AI虚流量Q虚的回归直线方程为Q实=0.9 258Q虚+4.7 458，两者的相关系数R为0.9 993，说明两者之间相关关系非常密切。19覃壮权:基于视频影像AI技术的河道表面流场测验分析图5视频影像AI虚流量与流速仪实测流量关系图4.2.4精度评定根据率定成果推算相应流量，经过计算，视频影像AI测流Q虚与流速仪常测法Q实的标准差Se=1.41%，随机不确定度XQ=2Se=2.82%14%，达到规范规定的精度要求。（1）符号检验：n=23，K=11（K为正号个数），u=01.15，认为合理，符号检验通过。（2）适线检验：n=23，不变换符号“0”次数为15，变换符号“1”次数为7，不变换符号次数大于变换符号次数，需作检验。通过计算得u=1.491.64，认为合理，适线检验通过。（3）偏离数值检验：n=23，平均相对偏离值p=-1.09，p 的标准差=1.41%，统计量t=0.78，t=0.781.75，认为合理，偏离数值检验通过。上述3种方法对视频影像AI测流Q虚流速仪常测法Q实关系曲线的检验，均达到规范要求，认为定线合理。表2视频影像AI测流Q虚流速仪常测法Q实关系曲线检验统计表施测号数1234567891011121314151617181920212223施测时间7月25日08：309月1日10：008月9日19：307月11日08：306月29日17：007月5日10：006月4日16：008月27日11：458月12日08：306月10日16：306月20日09：007月1日07：307月7日09：156月8日18：306月30日10：456月17日09：306月8日08：306月7日11：456月16日08：306月7日20：306月10日09：006月15日09：006月14日14：00水位/m84.0684.0684.1284.4984.5384.7384.7884.8284.8484.9785.2685.2885.4085.7786.2086.4186.6086.9387.6487.7887.9989.1389.33流量/（m3/s）断面流量Qi28.330.828.352.659.663.871.681.583.487.8117.0118.0128.0140.0227.0210.0223.0347.0325.0408.0457.0600.0656.0视频影像推算流量Qci32.536.030.556.464.067.076.378.576.782.1120.0121.0119.0123.0216.0213.0232.0349.0332.0405.0458.0594.0660.0偏差Pi/%-12.92-14.44-7.21-6.74-6.88-4.78-6.163.828.746.94-2.50-2.487.5613.825.09-1.41-3.88-0.57-2.110.74-0.221.01-0.61适线检验方法0000001001010010111000（Pi）2167.01208.6452.0345.4047.2722.8137.9414.6176.3148.206.256.1557.20191.0225.931.9815.050.334.450.550.051.020.37Pi-P