视觉测流技术在中小河流洪水流量监测中的应用研究

黄河 邓山

摘 要：基于粒子图像测速技术（PIV）和粒子追踪测速技术（PTV）的河流水面成像测速的视觉测流技术，具有瞬时获取全场流速、湍流特征、流动模式等特点。为分析视觉测流技术在中小河流洪水监测中的可行性和适用性，在西溪河宁桥水文站断面搭建了一套视频测流系统，并开展流量比测试验。结果表明，视觉测流系统能够在短时间内完成一次测量，通过后台处理软件迅速计算出断面流量。比测试验期间流量相关关系较好，校正后与目标流量相对误差较小，能够安全、高效实现非接触自动流量测验，适合高水条件下中小河流洪水监测。

关键词：视觉测流；流量监测；中小河流；洪水

中图分类号：P332                                               文献标志码：A

0 引 言

山溪性中小河流在高洪期水位暴涨暴落，短时内变幅可达数米，加之水流流速快、漂浮杂物多，极易造成接触式仪器损毁并威胁人身安全[1]。传统的流量监测方法如流速仪法主要依靠人工操作，劳动强度大，风险性高，时效性低，自动监测能力不足，不能满足水文现代化发展的要求[2-5]。2019年，水利部要求新建水文站原则上按照自动站建设，实现无人值守和自动测报[6]。为满足新时期建设水文现代化测报系统的要求，水文站要创新水文监测手段和方法，充分利用声、光、电技术及自动化监测手段，推进新技术新仪器应用[7-8]。视觉测流技术是一种基于图像的河流水面成像测速技术[9]，利用该技术开发的视觉测流系统是一种全自动、非接触式测流系统，具有安全、高效、成果直观等特点[10]。目前，基于视频图像的流量在线监测技术已在国外洪水监测方面进行了测试和应用[11-12]，近年来，随著我国水利视频监控系统逐步完善，创新研发、推广视觉测流技术和系统，对推进水文监测自动化建设具有重要意义。

1 视觉测流技术概述

视觉测流技术通过光学方法，获取河流表面运动图像，采用机器视觉的图像处理方法，对河流表面运动图像进行分析，计算河流表面流速分布。视觉测流技术本质上是一种图像分析技术，通过对流体中不同模态与示踪的有效识别，获得测量目标全场、动态的流速。相比声学法和雷达法等其他非接触式测流技术，视觉测流技术具有瞬时全场流速测量的特点，在快速获取瞬时流场、湍流特征、流动模式等方面具有明显优势。根据测量算法的不同，该技术可分为粒子图像测速法（PIV）和粒子追踪测速法（PTV）。

1.1 PIV测速原理

图1是PIV技术应用的简单原理图。通过对流场中的跟随性及反光性良好的示踪或河流表面模态的跟踪，在CCD（CMOS）成像设备进行成像。

系统采用图像处理技术将相邻两次测量时间所得图像分成许多很小的区域，使用自相关或互相关分析区域内粒子位移的大小和方向，从而得到流场内部的二维速度矢量分布。在实测时，对同一位置可拍摄多对曝光图片，能够更全面、更精确地反映出整个流场内部的流动状态。

1.2 PTV测速原理

与PIV类似，PTV同样假设流体中的示踪或者模态运动可以代表其所在流场内相应位置流体运动，使用计算机对连续两帧或者多帧图像进行处理分析，得出各点粒子位移，最后根据粒子位移和曝光时间间隔，计算出流场中各点速度矢量，获得全流场瞬时流速及其他参数。

2 系统与测点

2.1 系统构成

2.1.1 硬件

河道表面流速测量仪是一款集图像识别、PIV算法、PTV算法于一体的高性能测量仪器。其具有30倍光学变焦功能，600万像素分辨率，最高录像分辨率可达2 560×1 920。支持目标追踪、电子透雾、GPS信息存储等功能。相机云台具备高稳定性，抖动小于±0.02°，适用流速范围一般为0.01～10.0 m/s。视觉测流采集终端一般采用三维万向节安装于监控支架上，通过万向节调整安装角度，以确保拍摄范围准确。采集终端供电一般采用市电或太阳能供电。通讯系统适用于公网、物联网、局域网环境，采集终端数据传输一般采用4G网络或宽带。视觉测流系统构成如图2所示。

2.1.2 软件平台

视觉流量系统软件平台是整个测量系统的中控系统，负责对终端系统的控制、视频图像信息的存储、处理、分析和流场计算等，具备远程控制、数据采集、数据传输、数据分析、数据展示等功能，支持手机APP、云平台拓展，同时预留开放接口便于其他监测系统接入。

2.2 测点概况

西溪河宁桥水文站位于重庆市巫溪县宁桥乡青坪村，西溪河属于典型的中小河流，流域面积为685 km2，测验河段顺直长约100 m，河宽约50 m，河床由卵石夹沙组成，岸边为石砌公路，断面冲淤变化较小，历年水位流量关系呈稳定的单一关系。

宁桥水文站视觉测流系统采用侧边集中式安装方式，探头安装在宁桥基本水尺断面下游60 m处右岸测井顶部平台上，采集终端安装于宁桥水文站站房内，数据服务器搭建在水情分中心，现场测量数据通过4G网络传至水情中心服务器。宁桥站视觉测流系统安装见图3。

3 比测试验

3.1 资料收集

视觉测流系统于2020年1月安装，2020年5月调试完成，可采集收集数据，由于山溪性中小河流非洪水期水位一直处于低水条件，流速小，水面追踪物不足，且受其他环境因素干扰，因此选择当年7月15日一次涨洪水位较高时开展流量比测试验，比测试验期间，水位变幅为296.91～298.16 m，比测期流量变幅387～728 m3/s。

3.2 流量比測

视觉测流系统测得流速为断面表面流速，通过借用断面计算出流量。由于宁桥水文站视觉测流系统测验与流速仪测验时间无法完全同步，收集到的流速仪法流量资料样本数量不足，考虑到宁桥水文站测站控制良好，历年水位流量具有较好的单一关系，可认为同时间水位查线流量接近流速仪法流量。因此，采用视觉测流系统实测流量与对应时间水位流量关系线上查得的流量进行对比分析。

结果显示，视觉系统测流流量比查线流量普遍偏大8.1%～19.7%。根据视觉测流系统测流原理，视觉系统流量为测量水面流速乘以断面面积计算得出，根据天然河道水流的一般规律，水面流速一般大于断面平均流速，因此，视觉系统流量偏大是合理的。视觉系统直接计算出的流量为断面虚流量，类似于浮标法，断面虚流量与断面流量真值存在一个小于1.00的流量校正系数，流量校正系数为流量真值与虚流量的比值，根据比测数据计算出视觉测流系统流量校正系数为0.835 4～0.925 1，平均值为0.872 1，与中小河流浮标法浮标系数规范建议值0.85～0.90接近[13]。

为满足后期视觉测流系统测验资料的投产应用，需要建立视觉测流系统测验流量的换算关系。点汇流量关系相关图（见图4），采用直线关系拟合，斜率为0.864 6，与表2各次流量校正系数平均值0.872 1接近，直接取校正系数0.8721还原视觉测流系统流量，并进行误差统计（见表3），可知，视觉流量采用0.872 1流量校正系数还原后与查线流量相对误差为-6.1%～4.2%，相对误差大于±6%的仅占一次。由于比测测次较少，且集中于一次洪水，不能代表普遍情况，未来应扩大比测范围和比测次数，增大比测样本容量。

4 结论与展望

视觉测流系统能在短时间内快速测量并通过系统软件平台分析计算出流量，比测试验期间流量相关关系较好，视觉流量校正后与目标流量相对误差较小。表明基于粒子图像测速技术（PIV）和粒子追踪测速技术（PTV）开发的视觉测流系统能够便捷、高效地实现非接触自动流量测验，适合于高水条件下中小河流洪水监测。

由于此次试验仅发生在一次洪水期间，收集的样本资料有限，率定结果并不能代表总体，未来应收集更多数量的比测样本进行分析。目前该国产视觉测量系统存在低流量、小流速、静水面、夜间等工况使用效果不佳等问题。未来的研发工作应包括：全面采集不同水位、气象和光照条件下的观测数据，在各种工况条件下对软硬件系统进行测试，以水位涨落率控制采集频率优化测验方案；以各水位级多样本开展流量关系的率定分析，将符合规范精度要求的换算关系参数输入软件平台，以期集成可直接使用成果的一体化自动视觉测流系统。

参考文献：

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[13] GB 50179—2015，河流流量测验规范[S].北京：中国计划出版社，2016.

Application of Visual Flow Measurement Technology in Flood Discharge Monitoring of Small and Medium Rivers

HUANG He1，DENG Shan2

（1. Upper Yangtze River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Changjiang Water Resources Commission，Chongqing 400020，China；2. Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430000，China）

Abstract：Visual flow measurement technology based on Particle Image Velocimetry （PIV） and Particle Tracking Velocimetry （PTV） enables the instantaneous acquisition of full-field flow velocities，turbulence characteristics，and flow patterns. To assess the feasibility and applicability of visual flow measurement technology to flood monitoring of small and medium rivers，a visual flow measurement system was built and tested for the Ningqiao hydrographic station section of Xixi River. Findings indicate that the visual flow measurement system is capable of rapidly measuring and accurately calculating sectional flow via background software. A good flow correlation was observed during the test period，and the relative error with respect to target flow was minimized through correction. The proposed system enables non-contact，automatic flow testing that is both safe and efficient，and meanwhile suits the monitoring of floods in small and medium-sized rivers particularly under high water conditions.

Key words：visual flow measurement；water flow monitoring；small and medium rivers；flood