视频明渠流量计在水文测验中的应用

魏海涛

洪涝灾害会对群众生命财产安全构成威胁，洪水多发期的河流流速与流量测量工作，对洪水预警具有重要作用，同时对水资源的调度提供重要数据支撑。水文站因选址建站要求往往交通不便且水文测量技术相对落后，采用传统的人工测流方法无法获得长期连续且频次高的数据，在高洪时期缺乏便捷性，同时，无法保证测量人员安全。视频明渠流量计适用于野外无人值守环境下的流量测量方法，对水资源调度及防洪预警工作具有重要意义。

1.应用范围

视频明渠流量计测流是一种全新的测流方法，可用于天然河流、灌渠和废水渠道等。视频明渠流量计可直接测得水位和流速，具有可视又可读的特点，能够使得所有数据有直观化依据。

2.工作原理

设备采用高清视频头，通过识别水边测得水位，再通过拍摄河水流动视频，捕捉河水流动时表面产生的波浪运动，通过计算得到河水表面流速，根据流速在垂向的分布规律，推算得到整个测流断面上的流速。预置大断面录入后，现场通过厂家的模型算法计算出流量。

水位识别：测流现场通过所测断面两岸的固定点高程，对水边进行识别，从而计算出水位数据。

流速测量：利用帧差法计算运动显著性图，凸显视频所拍摄的水面运动图，见图1，提取相邻2帧显著性图的SURF特征点，通过特征点匹配法找出相邻2帧的匹配点，将匹配点间的距离作为特征点在2帧图像间的运动距离，计算了多帧图像间特征点运动距离的直方图，该直方图具有单峰特征，通过对直方图进行曲线拟合，准确地找到峰值对应的距离，将其作为最优运动距离。最后结合帧间时间和根据小孔成像原理导出的速度公式算出河水表面流速，这样可以得出摄像头覆盖河面的流场，见图2。

图1 断面流速分布图

图2 镜头范围内以流场中心线为断面计算流量

3.系统优势

一是安装简单。防风防雨的IP摄像头和传感器控制的红外投影仪可以轻松安装在立杆、混凝土结构建筑物及桥梁上。二是无人值守。视频明渠流量计是一种非接触式测量系统，不受淤积及漂浮物等影响，具有免维护性。三是代表性强。与其他的非接触式传感器（如雷达） 类型不同，视频明渠流量计可以提供图像部分上整个表面的流速，其流速数据图具有代表性和空间性。四是远程遥测。系统具有本地采集和处理所有数据（水位、流速曲线和流量）的功能，同时能够将数据和图像远程发送给测流平台，平台可进行测流控制。五是智能系统。当处于特殊状态（如在电池电压低或传感器漂移时）或超出、低于可定义的水位、流速、流量阈值时，会立即通过SMS和电子邮件等方式通知。六是适应性强。可以在各种环境、天气和照明条件下使用，测流精度不受影响。七是无需流量示踪剂。此流量测量系统的一个特点是不需要添加流量示踪剂来进行流量检测。八是功能多样。不仅能进行测流，视频明渠流量计还可以提供高清校样图像，在有特殊情况时，可以使用当前图像信息来进行测流数据的验证。

4.应用方法

4.1 仪器设备

此视频明渠流量计采用全新方法，用于连续采集存储天然河流、灌渠与废水渠道的流速剖面、水位和流速，具有可视又可读的特点，能够使得所有数据有直观化依据。视频明渠流量系统硬件配由IP红外摄像机、数据计算及传输单元以及交流供电系统组成。

4.2 工作流程

视频采集模块。采用带红外的IP摄像头见图3，支持不同的压缩比和视频大小，每次采集视频约5～10s（时间可调），将视频数据发送至本地数据计算及传输单元中。

图3 视频头安装图

数据计算及传输模块。现场安装机箱，数据计算机传输模块安装于机箱中，前端视频采集摄像头通过有线连接将数据传输至数据计算及传输单元，数据计算及传输单元可直接在现场进行数据计算并发送至远程监控中心平台。

监控中心平台。远程监控中心平台基于WEB浏览器模式设计，采用公网IP服务器，可对现场数据进行展示及存储，同时，也可远程操控临时加测等，见图4。

图4 视频文件截图

5.注意事项

视频明渠流量计是一种非接触式测流设备，测速方法采用表面流速测量，通常在没有特殊环境(例如风等)和人为（例如游泳等）影响下的情况下，表面流速具有代表性，与河流断面平均流速具有相关性，但特殊情况情况下，有的河流并没有流动，但风对水流表面产生影响，视觉下形成水面波纹，此时水流表面流速并不具备代表性，视频明渠流量计将不适用于此种测流环境，具有一定的局限性。