智慧水務(wù)-智能水利視頻監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

1、智能水利視頻監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用流量在線監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用圖像法表面流速測量技術(shù)智能水利視頻監(jiān)測技術(shù)展望1目錄CONTENTS23圖像法水尺水位測量技術(shù)41圖像法表面流速測量技術(shù)浮標(biāo)法測流技術(shù)傳統(tǒng)浮標(biāo)法測流攝影浮標(biāo)法采用照片代替目測，提取測流浮標(biāo)的方位V=S/t速度的基本定義粒子圖像測速技術(shù)(PIV)PIV是一種定量的流動顯示技術(shù)，通過匹配跟隨流體運動的示蹤粒子圖像獲得流速場，極大提高了實驗室環(huán)境下各種復(fù)雜流動的測量能力。Particle Image Velocimetry分析固定區(qū)域跟蹤流體微團大尺度粒子圖像測速技術(shù)(LSPIV)上世紀(jì)90年代末，PIV技術(shù)被日本神戶大學(xué)Fujita等人改造引入河流的

2、觀測。非接觸式瞬時全場流速測量及斷面流量監(jiān)測低成本設(shè)備小傾角拍攝水位-流速-流量關(guān)系天然示蹤物L(fēng)SPIV的技術(shù)指標(biāo)德國SEBAHydrometrieGmbH的DischargeKeeper測流系統(tǒng)LSPIV的技術(shù)優(yōu)勢可快速獲取瞬時/時均流場、湍流特征、流動模式、渦度等表面流態(tài)信息；依據(jù)河床地形資料、水力學(xué)模型及領(lǐng)域知識可進一步估算斷面流量、率定模型參數(shù)，反映了河流原型觀測技術(shù)的新發(fā)展方向。超大范圍河流表面流場觀測防波堤阻流流態(tài)觀測閘壩出流流態(tài)觀測洪水決堤流態(tài)觀測相關(guān)政策支持研究依托項目國家自然科學(xué)基金：多源監(jiān)測信息融合仿生復(fù)眼系統(tǒng)（No. 60774092）基于超視銳度機理的圖像超分辨率重構(gòu)（

3、No. 60872096）面向高洪期水流成像測速的目標(biāo)運動矢量估計方法及試驗研究（No. 61263029）受蜻蜓視覺機制啟發(fā)的觀測目標(biāo)位移測量方法及應(yīng)用（No. 61374019）面向河道水流實時監(jiān)測的時空圖像測速方法及試驗研究（No. 51709083）國家重點研發(fā)計劃項目江河湖庫水文要素在線監(jiān)測技術(shù)與裝備（2017YFC0405700）非接觸式流量在線檢測技術(shù)與裝備研發(fā)（2017YFC0405703）水利部流域機構(gòu)、?。ㄊ校┑鹊胤娇萍加媱濏椖浚簣D像法測流系統(tǒng)在不同水文情勢下的應(yīng)用（江西省水利廳，2019）基于光譜-偏振成像的免控制點河流水面時均流場量測方法（江蘇省科技廳，2017）歷經(jīng)8

4、年LSPIV的技術(shù)難點水面多波段-偏振成像觀測法基于時空圖像的運動矢量估計錯誤矢量識別修正及時均流場重建免像控水面攝影測量及流場定標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)1：水面多波段-偏振成像觀測法模擬蜻蜓復(fù)眼對水面光譜-偏振的敏感性增強水體和示蹤物的成像信噪比，通過觀測建模的基礎(chǔ)研究確定了不同觀測幾何、水流含沙量和示蹤條件下的最佳成像參數(shù)（波段、偏振態(tài)），為測流儀器專用光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。近紅外可見光關(guān)鍵技術(shù)1：水面多波段-偏振成像觀測法光學(xué)濾鏡多波段濾鏡組成像器件四通道偏振CMOS成像參數(shù)400萬像素25fps成像波段400-1050nm工作電壓AC24V/DC12V工作溫度-10-50多波段-偏振成像光學(xué)

5、系統(tǒng)構(gòu)造多波段-偏振成像水槽流場觀測電路系統(tǒng)0、45、90、135四通道偏振透鏡全天候防護罩LED補光燈三腳架野外測流系統(tǒng)集成多波段濾光片+寬光譜鏡頭組四通道偏振圖像光強成像AOLP成像DOLP成像關(guān)鍵技術(shù)2：基于時空圖像的運動矢量估計技術(shù)tanDVTdStStvS=借鑒復(fù)眼以光流形式對不同目標(biāo)運動檢測過程的統(tǒng)一表征和普適性處理優(yōu)勢，通過理論研究與觀測試驗，揭示了準(zhǔn)剛性（漂浮物）/非剛性（泡漩/波紋）運動目標(biāo)在時空域和頻率域的光流分布特性，直接估計出高空間分辨率的一維時均流速。測速線關(guān)鍵技術(shù)2：基于時空圖像的運動矢量估計技術(shù)圖像序列中設(shè)置測速線時空光流圖像背景抑制時均流速場時空圖像紋理主方向時

6、空圖像頻譜主方向檢測關(guān)鍵技術(shù)3：錯誤矢量識別修正及時均流場重建技術(shù)基于頻域互相關(guān)的運動矢量估計：以流場圖像中劃分的一個固定分析區(qū)域為觀測窗口，假設(shè)窗口內(nèi)存在粒子的流入和流出，進而將t時間內(nèi)通過其所在空間區(qū)域粒子微團的平均位移作為分析區(qū)域中心的瞬時位移，窗口需大于最大位移的兩倍。()()11()2001,FFT2,MNjxuyvMNxyFuvfxyfxyeMN+=C(u,v)=F*(u,v)G(u,v)()()11()200,=IFFT2,MNjuxvyMNxyxycddCuvCuve+=關(guān)鍵技術(shù)3：錯誤矢量識別修正及時均流場重建技術(shù)結(jié)合運動矢量及瞬時流場的特征統(tǒng)計模型識別并修正錯誤矢量，基于時

7、-空聯(lián)合濾波融合瞬時流場形成時均流場，同時反饋時均流場重建結(jié)果并自適應(yīng)調(diào)整觀測窗口和判定閾值，進而有效控制了強環(huán)境擾動下的時均流場重建誤差。關(guān)鍵技術(shù)3：錯誤矢量識別修正及時均流場重建技術(shù)淺水低流速高水波浪破碎水面強耀光干擾夜間小雨夜間暴風(fēng)雨夜間人工補光關(guān)鍵技術(shù)4：免像控水面攝影測量及流場定標(biāo)技術(shù)岸基式河流流場觀測存在傾斜視角、水位變化及畸變像差，基于DLT法解算變高單應(yīng)的水面攝影測量模型至少需要布設(shè)6個不共面且均勻分布的控制點。控制場的布設(shè)及敏感性分析試驗關(guān)鍵技術(shù)4：免像控水面攝影測量及流場定標(biāo)技術(shù)基于無畸變光學(xué)成像系統(tǒng)中像點、光心和物點的共線約束建立變高水面的物像尺度變換攝影測量模型，參數(shù)物

8、理意義明確，可分步精確標(biāo)定。關(guān)鍵技術(shù)4：免像控水面攝影測量及流場定標(biāo)技術(shù)將相機和姿態(tài)傳感器固連構(gòu)成直接定向攝影測量系統(tǒng)，通過集成檢校確定相機內(nèi)參、畸變像差和偏心角，修正相機的非線性畸變和三維姿態(tài)；采用實測水位和相機偏心距修正相機到水面高程；實現(xiàn)水面攝影測量模型參數(shù)精確獲取。關(guān)鍵技術(shù)4：免像控水面攝影測量及流場定標(biāo)技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成一體化和免像控的水面流場定標(biāo)（流速值和起點距的直接定向測量），顯著提高了現(xiàn)場布設(shè)及測量的效率和安全性；流場定標(biāo)精度與傳統(tǒng)DLT方法相當(dāng)，誤差可控在1%以內(nèi)，測量精度不受控制場影響，易于評定。相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)國家發(fā)明專利10余項，軟著4項知識產(chǎn)權(quán)名稱授權(quán)/登記號發(fā)明專

9、利非接觸式河流表面流場成像量測方法ZL201210346488.4模擬復(fù)眼視覺機制和偏振成像的水面目標(biāo)運動檢測ZL201310039792.9基于近紅外智能相機的大尺度粒子圖像測速儀ZL201310593898.3基于特征光流的流體運動矢量估計方法ZL201611167890.0基于時空圖像的流體運動矢量估計方法ZL201410185108.2基于序貫圖像矢量平均的時均流場重建方法ZL201310508543.X一種基于變高單應(yīng)的河流水面攝影測量方法ZL201310432166.6基于傾斜視角下透鏡成像模型的水面流場定標(biāo)方法ZL201610380625.4面向山洪應(yīng)急監(jiān)測的球載式水流成像測速系

10、統(tǒng)ZL201210361195.3基于視頻圖像的河流流量在線測驗實現(xiàn)方法ZL201110419461.9軟著大尺度粒子圖像測速在線流場分析軟件RTLSPIV-V1.02012SR038240圖像法河流水位-流速-流量在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件2018SR8891432圖像法水尺水位測量技術(shù)自動水位測量技術(shù)現(xiàn)有的自動水位計主要包括：浮子式壓力式超聲波式雷達式現(xiàn)有技術(shù)存在的問題主要包括：建站成本高需要定期維護溫度、水質(zhì)敏感強風(fēng)抖動干擾圖像法的技術(shù)優(yōu)勢圖像法利用圖像傳感器代替人眼獲取水尺圖像，通過圖像處理技術(shù)檢測水位線對應(yīng)的讀數(shù)，從而自動獲取水位信息。非接觸特性適合于污染的水體；測量原理無溫漂；可對測量結(jié)果進

11、行直觀驗證和解釋；可利用已安裝的監(jiān)控攝像機和水尺；無需現(xiàn)場標(biāo)定，除了對相機鏡頭和水尺表面的清潔外幾乎無需現(xiàn)場維護。近年來視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為水文站的標(biāo)準(zhǔn)配置。現(xiàn)場監(jiān)測難點監(jiān)控視場大，非線性畸變嚴(yán)重，有效水尺圖像的分辨率低?，F(xiàn)場監(jiān)測難點攝像機遠高于水面，較大傾角導(dǎo)致圖像透視畸變嚴(yán)重。現(xiàn)場監(jiān)測難點近紅外波段下刻度幾乎不可見，水面存在耀光和倒影。白天可見光夜間近紅外白天可見光夜間近紅外白天可見光夜間近紅外浙江松門水文站河海大學(xué)排洪渠浙江大溪水文站基于機器視覺的水尺水位測量方法近紅外成像增強對比可見光成像近紅外成像基于機器視覺的水尺水位測量方法選取匹配控制點123789456789mxmymumxmy

12、mmxmymvmxmym+=+=+基于機器視覺的水尺水位測量方法自適應(yīng)閾值二值化T=Is(1000)+Iw(3000)/2()()()(),0,255,BuvRuvTBuvRuvT=，基于機器視覺的水尺水位測量方法水位線讀數(shù)坐標(biāo)換算L=l/d=138mm基于機器視覺的水尺水位測量方法無需檢測和識別水尺表面的字符和刻度線；適用于標(biāo)準(zhǔn)雙色水尺；適用于畸變廣角鏡頭；適用于傾斜拍攝視角；適用于低分辨率圖像；適用于日夜光照條件；水面耀光和倒影魯棒；精度1cm，分辨率1mm；算法簡單，易于嵌入?；跈C器視覺的水尺水位測量方法基于雙波段成像的水尺水位測量方法ZL201710841471.93流量在線監(jiān)測系統(tǒng)

13、及應(yīng)用岸基遙測式測流系統(tǒng)的組成及特點易于布設(shè)：系統(tǒng)可快速架設(shè)于河岸上以傾斜視角探測，無需安裝懸臂支架延伸至水面上方，也不依賴于橋梁；采用直接定向攝像測量技術(shù)，現(xiàn)場無需布設(shè)任何地面控制點，可顯著提高野外應(yīng)急監(jiān)測的效率。岸基遙測式測流系統(tǒng)的組成及特點操作安全：系統(tǒng)主體不接觸水體，抗毀性強；系統(tǒng)采用數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，工作人員可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和系統(tǒng)標(biāo)定，現(xiàn)場維護僅限于水尺表面的定期清理等低技術(shù)和低風(fēng)險工作，可極大保障人身安全。岸基遙測式測流系統(tǒng)的組成及特點測量高效：系統(tǒng)能夠在數(shù)分鐘內(nèi)完成一次測量，得到較穩(wěn)定的時均水位測量值和測點密集的表面流速分布，流量計算的子斷面數(shù)可達上百個，使測量具有很高的

14、時間和空間分辨率，有利于捕獲水位、流量快速變化的洪水過程。岸基遙測式測流系統(tǒng)的組成及特點多要素監(jiān)測：系統(tǒng)基于單臺攝像機即可同時測量河流水位、流速、流量并實現(xiàn)可視化，還可同時輸出現(xiàn)場的視頻片段和單幀圖像，用于測量結(jié)果的直觀驗證、現(xiàn)場工況的實時監(jiān)視、歷史事件的快速檢索和回溯分析。岸基遙測式測流系統(tǒng)的組成及特點全天候適宜：采用同岸和對岸獨立布設(shè)的近紅外、可見光補光燈分別進行定時照明控制，可有效克服攝像機內(nèi)置光源照射角度固定、后向散射弱的問題，通過配備雨刮器和自動恒溫裝置，適用于夜間和陰雨天的持續(xù)監(jiān)測。岸基遙測式測流系統(tǒng)的組成及特點低成本、易升級：系統(tǒng)可基于測站現(xiàn)有的水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造實現(xiàn)，或采用市

15、面上成熟的硬件產(chǎn)品集成構(gòu)建；通過更換部件可方便地提升系統(tǒng)性能，靈活適應(yīng)不同的測量條件，同時可大大降低系統(tǒng)開發(fā)、建設(shè)和維護成本。岸基遙測式測流系統(tǒng)的布設(shè)方法（1）圖像傳感器尺寸為1/3，鏡頭焦距為4mm，查詢得到垂直視場角=44；（2）根據(jù)測量斷面的地形和最高水位確定最大河寬D=27m；（3）迭代攝像機的垂直視場覆蓋最大河寬時的俯仰角為=30，直至攝像機到同側(cè)水邊界點的水平距離d以及距離最高水位線的高程H滿足布設(shè)條件。tan(/2)27tan(3044/2)=3.33mtan(/2)tan(/2)tan(3044/2)tan(3044/2)Dd=+H=dtan(+/2)=3.33tan(30+4

16、4/2)3.74m視頻測流軟件圖像顯示界面視頻測流軟件水位測量界面視頻測流軟件流速測量界面視頻測流軟件流量測量界面應(yīng)用案例浙江慶元縣楊樓溪濛淤橋測流系統(tǒng)(2018.012019.01)應(yīng)用案例浙江慶元縣楊樓溪濛淤橋測流系統(tǒng)(2018.012019.01)不同光照條件下的水位線檢測結(jié)果不同天氣條件下的測量結(jié)果應(yīng)用案例江蘇南京市句容河前垾村水文站測流系統(tǒng)(2018.07至今)應(yīng)用案例江蘇南京市句容河前垾村水文站測流系統(tǒng)(2018.07至今)應(yīng)用案例江蘇南京市句容河前垾村水文站測流系統(tǒng)(2018.07至今)應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站

17、(2019.04至今)日夜光照條件下的表面流場測量無人機表面流場測量應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)水位比測2019年6月30日的洪水過程圖像法和水位計的水位測量結(jié)果對比漂浮物纏繞高速水流使水位線傾斜浮子式水位計管道淤塞引起水位遲滯應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)水位比測2019年6月30日的洪水過程圖像法的水位線檢測結(jié)果應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)表面流速比測2019年6月30日的洪水過程流速儀法、雷達法和圖像法的水面流速對比應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)2019年7月9日的洪水過程

18、觀測水位測量流速測量流速修正流量計算應(yīng)用案例江西遂川縣禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)不同水位級下的斷面流量系數(shù)率定低水位中水位高水位測次12345678910時間9:159:169:179:189:199:209:219:229:239:24流量(m3/s)4.0163.9793.9984.0293.9994.0034.0584.0364.0484.126測次11121314151617181920時間9:259:269:279:289:299:309:319:329:339:34流量(m3/s)3.933.9893.9623.9164.0114.0463.8864.1443.982

19、3.959測次21222324252627282930時間9:359:369:379:389:399:409:419:429:439:44流量(m3/s)3.9894.0814.114.0954.044.0574.033.9024.0613.832測次31323334353637383940時間9:459:469:479:489:499:509:519:529:539:54流量(m3/s)4.0484.0834.0543.9293.9964.1093.924.0074.0374.067測次41424344454647484950時間9:559:569:579:589:5910:0010:0110:0210:0310:04流量(m3/s)4.0754.0254.0374.0143.8884.0614.0994.0863.9813.936統(tǒng)計均值標(biāo)準(zhǔn)差相對標(biāo)準(zhǔn)差流量(m3/s)4.0150.0681.69%低水條件下流量測量的重復(fù)性精度分析應(yīng)用案例湖北仙桃市漢江仙桃水文站測流系統(tǒng)(2019.10至今)雨夜