1、一、智慧水利？一、智慧水利？二、智慧水利实现技术示例二、智慧水利实现技术示例Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 002002谈两个话题：谈两个话题：灌灌溉溉工工程程灌排泵站工程灌排泵站工程水水利利枢枢纽纽工工程程一一 关于智慧水利关于智慧水利 关于智慧水利，我一下子还讲不清楚，鉴于这个话题关于智慧水利，我一下子还讲不清楚，鉴于这个话题已经是我们水利界上上下下都关心的热点，我以水利部、已经是我们水利界上上下下都关心的热点，我以水利部、地方水利厅（省）和水
2、利局（市）以及一些学者的相关资地方水利厅（省）和水利局（市）以及一些学者的相关资料为基础，并根据自己的研究和实际工作来跟大家试着说料为基础，并根据自己的研究和实际工作来跟大家试着说说我的想法和观点。以引起思考，供交流和讨论。说我的想法和观点。以引起思考，供交流和讨论。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 0030031.11.1 全国水利信息化发展全国水利信息化发展“十三五十三五”规划规划总体思路：深入贯彻总体思路：深入贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理
3、、两手发力节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期水利工作方针，紧紧围绕新时期水利工作方针，紧紧围绕“十三五十三五”水利改革发展目标，以创水利改革发展目标，以创新为动力，以需求为导向，以整合为手段，以应用为核心，以安全为新为动力，以需求为导向，以整合为手段，以应用为核心，以安全为保障，强化信息技术与水利业务深度融合，深化水利信息资源开发利保障，强化信息技术与水利业务深度融合，深化水利信息资源开发利用与共享，坚持公共服务与业务应用协同发展，加强立体化监测、精用与共享，坚持公共服务与业务应用协同发展，加强立体化监测、精细化管理、智能化决策和便捷化服务能力建设，推动细化管理、智能化决策和便捷化
4、服务能力建设，推动“数字水利数字水利”向向“智慧水利智慧水利”转变，推进水治理体系和水治理能力现代化。转变，推进水治理体系和水治理能力现代化。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 004004 规划强调了规划强调了“十三五十三五”要推动要推动“数字水利数字水利”向向“智慧智慧水利水利”转变，但是没有具体说明如何进行转变，但是没有具体说明如何进行“智慧水利智慧水利”的建设，只是笼统地指出要通过物联网、大数据、云计的建设，只是笼统地指出要通过物联网、大数据、
5、云计算等现代信息技术构建基础支撑，建立算等现代信息技术构建基础支撑，建立“智慧水利智慧水利”的的体系架构。体系架构。 水利部水利信息中心主任蔡阳于水利部水利信息中心主任蔡阳于20172017年较为具体的年较为具体的对水利信息化发展对水利信息化发展“十三五十三五”规划中的规划中的“智慧水利智慧水利”进进行了阐述。行了阐述。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 005005 蔡阳对蔡阳对“智慧水利智慧水利”做了如下定义：做了如下定义： 应用云计算、物联网、大
6、数据、移动互联网和人工应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，对水利对象及水利活动进行透智能等新一代信息技术，对水利对象及水利活动进行透彻感知、全面互联、智能应用、泛在服务，促进水治理彻感知、全面互联、智能应用、泛在服务，促进水治理体系和治理能力现代化的新理念和新模式。是体系和治理能力现代化的新理念和新模式。是“智慧地智慧地球球”概念的衍生，是概念的衍生，是“智慧城市智慧城市”概念的拓展，是概念的拓展，是“智智慧水利慧水利”概念的提升。概念的提升。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R
7、. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 006006四川省四川省“智慧水利智慧水利”定位（一核三好）：定位（一核三好）：信息化成为水利厅改革发展的核心驱动力之一信息化成为水利厅改革发展的核心驱动力之一服务好水利厅当前业务运营服务好水利厅当前业务运营支撑好水利厅战略目标实现支撑好水利厅战略目标实现引领好水利厅创新发展实践引领好水利厅创新发展实践1.21.2 四川省水利厅的四川省水利厅的智慧水利顶层设计智慧水利顶层设计 Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧
8、水利实现技术探索 007007Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 统一原则：信息化建设遵循四个统一（规划、投资、管理、服务）统一原则：信息化建设遵循四个统一（规划、投资、管理、服务）发展原则：信息化建设依据自然法则采取继承发展得方式推进系统发展原则：信息化建设依据自然法则采取继承发展得方式推进系统 迭代迭代自主原则：水利厅自身紧抓信息化的核心理念和关键环节，避免外自主原则：水利厅自身紧抓信息化的核心理念和关键环节，避免外 部供应商的掣部供应商的掣cheche肘肘快速原则：充分利用信息化新技术，加快推动信息化建设与业
9、务改快速原则：充分利用信息化新技术，加快推动信息化建设与业务改 革发展的深度融合革发展的深度融合全全面面贯贯穿穿四川省四川省“智慧水利智慧水利”原则（四项）：原则（四项）：Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 008008Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 紧紧围绕水利改革发展的中心任务，强化信息技术与紧紧围绕水利改革发展的中心任务，强化信息技术与水利业务的深度融合，以创造为
10、核心，整合信息资源，优水利业务的深度融合，以创造为核心，整合信息资源，优化信息资源配置，深化信息资源利用，打造一套国内领先化信息资源配置，深化信息资源利用，打造一套国内领先的省级水利信息化智慧管理体系，实现四川水利从的省级水利信息化智慧管理体系，实现四川水利从“数字数字水利水利”向向“智慧水利智慧水利”的跃进，为逐步实现善治高效的水的跃进，为逐步实现善治高效的水行政治理体系和水利现代化提供更好的支撑和保障。行政治理体系和水利现代化提供更好的支撑和保障。四川省四川省“智慧水利智慧水利”总体目标：总体目标：Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nan
11、jing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 009009Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 1 1、信息化的治理：理机制、建组织、定制度、抓人才信息化的治理：理机制、建组织、定制度、抓人才2 2、水利业务应用：水利业务全覆盖、业务应用智能化水利业务应用：水利业务全覆盖、业务应用智能化3 3、信息资源整合：水利信息资源的聚集、管理和共享信息资源整合：水利信息资源的聚集、管理和共享4 4、信息基础设施：建设云计算环境、强化物联网应用信息基础设施：建设云计算环境、强化物联网应用
12、5 5、网络信息安全：建立纵深防御、深化信息资源分类网络信息安全：建立纵深防御、深化信息资源分类四川省四川省“智慧水利智慧水利”具体目标：具体目标：Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 010010一些地方的市水利局，如江苏省淮安市水利局和徐州市水务局、河南省一些地方的市水利局，如江苏省淮安市水利局和徐州市水务局、河南省新乡市水利局等也编制了智慧水利规划，我参加讨论后认为基本上还是新乡市水利局等也编制了智慧水利规划，我参加讨论后认为基本上还是处于信息化规
13、划的范畴，并没有体现智慧，更谈不上如何实现？处于信息化规划的范畴，并没有体现智慧，更谈不上如何实现？Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 有人从理解和技术两方面对智慧水利给出了概括有人从理解和技术两方面对智慧水利给出了概括Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China “智慧水利智慧水利”可以理解为：是基于物质基础的，由多个子系统构成的，能够可以理解为：是基于物质基础的，由多个子系统构成的，能够迅速、正确地感知、记忆、理解、计算
14、、分析、判断并解决各种水利问题的迅速、正确地感知、记忆、理解、计算、分析、判断并解决各种水利问题的高级综合能力。高级综合能力。“智慧水利智慧水利”从技术角度可以定义为：是以水利设施设备和设置在其上的传从技术角度可以定义为：是以水利设施设备和设置在其上的传感网、物联网设备以及海量存储器、多媒体设备、计算机集群等实体信息设感网、物联网设备以及海量存储器、多媒体设备、计算机集群等实体信息设备为基础，以水利专网、卫星通讯网、互联网、泛在网等现代通信设施和技备为基础，以水利专网、卫星通讯网、互联网、泛在网等现代通信设施和技术为纽带，运用遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据处理、虚拟现实、术为纽带，运用
15、遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据处理、虚拟现实、实景增强、仿真模拟、智能分析以及云计算等技术建立起来的客观感知、实实景增强、仿真模拟、智能分析以及云计算等技术建立起来的客观感知、实时采集、安全传输、海量存储、信息集成、分析处理、科学决策、及时反馈、时采集、安全传输、海量存储、信息集成、分析处理、科学决策、及时反馈、智能控制、信息共享的水利信息服务环境。智能控制、信息共享的水利信息服务环境。智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 011011Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 清华大学王忠静教授在清华大学王忠
16、静教授在发表于水利水电技术发表于水利水电技术20132013年第年第1 1期期上的文章上的文章“基于水联网及智慧水利提高水资源效能基于水联网及智慧水利提高水资源效能”中指出：中指出： 当前，对水联网及智慧水利关键技术的认识集中在五个方面：当前，对水联网及智慧水利关键技术的认识集中在五个方面：一是面向水文预报及需水预测的云计算技术；二是基于水联网及一是面向水文预报及需水预测的云计算技术；二是基于水联网及智慧水利的水资源需求云服务体系；三是基于智慧水利的多水源智慧水利的水资源需求云服务体系；三是基于智慧水利的多水源平衡配置技术；四是保障水资源精准配送的过程控制技术；五是平衡配置技术；四是保障水资源
17、精准配送的过程控制技术；五是不断标准化的水联网与水效能匹配评价技术。不断标准化的水联网与水效能匹配评价技术。1.31.3 智慧水利关键技术智慧水利关键技术 Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 012012Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 水利部原副部长李国英对水利现代化（也可以延水利部原副部长李国英对水利现代化（也可以延伸到水利现代化）建设做出三个阶段（信息化伸到水利现代
18、化）建设做出三个阶段（信息化- -数字化数字化- -智能化）发展的定义。智能化）发展的定义。 - 2011 - 2011年年9 9月月7 7日在水利部三楼会议室召开的日在水利部三楼会议室召开的“引嫩入白工程信息化项目可行性研究报告引嫩入白工程信息化项目可行性研究报告”审查会审查会上的讲话上的讲话1.41.4 李国英对水利现代化发展的定义李国英对水利现代化发展的定义 Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 013013Hohai University 1 X
19、ikang Road, Nanjing 210098P. R. China 信息化是信息化是水利水利现代化发展的第现代化发展的第一阶段一阶段，主要是满足管理者对所有主要是满足管理者对所有信息的查询信息的查询，包括，包括水源工程、输水水源工程、输水工程、调节工程工程、调节工程等。其中，等。其中，信息采信息采集、传输、存储、表达四个系统先集、传输、存储、表达四个系统先做起来。不能只是视频看看做起来。不能只是视频看看，各种，各种第一步：实现信息化第一步：实现信息化（根据李国英副部长讲话录音整理）（根据李国英副部长讲话录音整理）参数反映，都应能查出来参数反映，都应能查出来；水利；水利的信息化要的信息化
20、要能查到能查到所有所有的的特征信息。特征信息。另外，另外，对于对于灌区灌区，渠系分布、作物种植结构、长势等都要能查到。渠系分布、作物种植结构、长势等都要能查到。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 014014Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 对于数字灌区建设对于数字灌区建设要建立一套农作物生长期内对水要建立一套农作物生长期内对水、肥（甚至要考虑气和药）肥（甚至要考虑气和药
21、）需求的模拟系统，需求的模拟系统，包括生长期内包括生长期内数字化的、数字化的、完整的数学模型完整的数学模型并并耦合成决策支持系统耦合成决策支持系统以及计以及计算系统。这算系统。这需要水利工程师、信息化工程师、农业工程师需要水利工程师、信息化工程师、农业工程师等的知识融合。等的知识融合。这一切没有不可攻克的技术，有想法就能这一切没有不可攻克的技术，有想法就能实现。实现。第第二二步：实现步：实现数字数字化化（根据李国英副部长讲话录音整理）（根据李国英副部长讲话录音整理）Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. Ch
22、ina 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 015015Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智能化是相对的，也就是说智能化智能化是相对的，也就是说智能化只是特定的时、空对象只是特定的时、空对象和和过程下的优化过程下的优化与自动化。具体调配时，根据当时、当与自动化。具体调配时，根据当时、当地情况，通过分析算法地情况，通过分析算法从模型库中匹配从模型库中匹配出最适合的模型，并且给定具体参数自出最适合的模型，并且给定具体参数自动执行。动执行。这个阶段不再是人去操作这个阶段不再是人去操作水闸、水闸、泵站，泵站，不需要
23、再不需要再给它给它（水工建筑物）（水工建筑物）设设定什么东西，完全是自动进入模拟、生定什么东西，完全是自动进入模拟、生成成和和建议，建议，也就是也就是说你不管它说你不管它（水工建（水工建筑物）筑物），它，它（水工建筑物）（水工建筑物）完全能自己完全能自己运转运转。第第三三步：实现步：实现智能化智能化（根据李国英副部长讲话录音整理）（根据李国英副部长讲话录音整理） 灌溉水资源闭环控制过程示意灌溉水资源闭环控制过程示意Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 0
24、16016Hohai University 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 对此，我写了对此，我写了一 篇 文 章 ：一 篇 文 章 ：“灌区现代化灌区现代化的发展思路与的发展思路与顶层设计顶层设计”，在在水利信息水利信息化化20132013年第年第6 6期上发表。期上发表。这就是分三步发展的思路：这就是分三步发展的思路：Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 017017Hohai University
25、Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智能化融入信息化、数字化和自动化中智能化融入信息化、数字化和自动化中 从宏观角度看，分步实现是必需的，但是，根据现代信息技术，从宏观角度看，分步实现是必需的，但是，根据现代信息技术，特别是智能技术的发展，三步走不是绝对的，智能技术应该融入每特别是智能技术的发展，三步走不是绝对的，智能技术应该融入每一个阶段中，也就是树立一个阶段中，也就是树立“全域智能全域智能”的思想。的思想。智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 018018二二 智慧水利实现技术示例智慧水利实现技术示例 Hohai Un
26、iversity Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 0190192.1 2.1 智能信息获取智能信息获取 模式识别是智能信息获取的重要手段，也是非常有效的。本节以模式识别是智能信息获取的重要手段，也是非常有效的。本节以模式识别中应用最为广泛的图像识别为例，说明其在模式识别中应用最为广泛的图像识别为例，说明其在水利水利信息获取中信息获取中的智能特性。的智能特性。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R.
27、China 示例示例1 1 一体化智能雷达流量计一体化智能雷达流量计 一体化智能雷达流量计集成了水位计、流速仪、一体化智能雷达流量计集成了水位计、流速仪、RTURTU，固化了针对不同现场边界条件的，固化了针对不同现场边界条件的流量计算模型（表面流速与过水断面平均流速的关系）以及流量计算软件。流量计嵌入了流量计算模型（表面流速与过水断面平均流速的关系）以及流量计算软件。流量计嵌入了智能判断软件，在低流速（小于智能判断软件，在低流速（小于0.15m/s0.15m/s）时自动调整设置以保证流速的获取。）时自动调整设置以保证流速的获取。 同时，利同时，利用大数据技术，得到不同过水断面，不同糙率下的断面
28、平均流速点位置与水位的关系，大用大数据技术，得到不同过水断面，不同糙率下的断面平均流速点位置与水位的关系，大幅度降低了率定的工作量，也提高了一体化智能雷达流量计的量测精度。幅度降低了率定的工作量，也提高了一体化智能雷达流量计的量测精度。智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 020020示例示例2 2 基于图像识别的水位获取基于图像识别的水位获取 基于图像识别的水位获取技术基于图像识别的水位获取技术的硬件的硬件设施只要一杆有刻度的水尺（甚至只需在设施只要一杆有刻度的水尺（甚至只需在河、渠的岸壁上河、渠的岸壁上“绘制绘制”一列水位刻度线一列水位刻度线即可）和一个即可）和一个 CCD CCD 摄
29、像机（黑白、彩色均摄像机（黑白、彩色均可）。摄像机连续拍摄水尺处水位的变化可）。摄像机连续拍摄水尺处水位的变化过程，位于后台的软件根据需要，定时从过程，位于后台的软件根据需要，定时从视频流中截取出一帧图像，对该图像施以视频流中截取出一帧图像，对该图像施以边缘检测、灰度拉伸、二值化等处理，再边缘检测、灰度拉伸、二值化等处理，再运用八连通分析法计算出刻度线的根数，运用八连通分析法计算出刻度线的根数，最后换算成水位值。最后换算成水位值。 Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 水尺或水位刻度线水尺或水位
30、刻度线智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 021021基于图像识别的水位基于图像识别的水位获取流程获取流程Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 022022主要算法主要算法Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 023023Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, N
31、anjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 024024式中：式中： L L 为水尺总长度（为水尺总长度（cmcm），）， n n 为求得的水面以上刻度线的条数，为求得的水面以上刻度线的条数， p p 为水尺精度，即一条细刻度代表的长度，如为水尺精度，即一条细刻度代表的长度，如 1 1cm/0.5cmcm/0.5cm。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 025025算法优化算法优化 实际上实际上, ,并不
32、需要计算出水面以上的所有刻度线的并不需要计算出水面以上的所有刻度线的条数，只要计算出粗刻度线的条数，加上离水面最近的条数，只要计算出粗刻度线的条数，加上离水面最近的粗刻度线与水面间细刻度线的条数，即可换算获得水位粗刻度线与水面间细刻度线的条数，即可换算获得水位值值W W： W = L-(N-1) P - n p - 0.5 p 式中：式中： L L 为水尺总长度（为水尺总长度（cmcm），）， N N 为求得的水面以上粗刻度线的条数，为求得的水面以上粗刻度线的条数， P P 为一条粗刻度线代表的水位，如为一条粗刻度线代表的水位，如5cm5cm， n n 为求得的水面以上细刻度线的条数，为求得的
33、水面以上细刻度线的条数， p p 为一条细刻度线代表的水位，如为一条细刻度线代表的水位，如 1 1cm cm 。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 026026 对于有数字的水尺（如水库等水位落差比较大的对于有数字的水尺（如水库等水位落差比较大的水体）可以通过对离水面最近的数字的识别，优化计水体）可以通过对离水面最近的数字的识别，优化计算过程。算过程。 W = d - n p - 0.5 p 式中：式中： d d 为离水面最近的数字，为离水面最近的数字
34、， n n 为求得的水面以上细刻度线的条数，为求得的水面以上细刻度线的条数， p p 为水尺精度，即一条细刻度线代表的为水尺精度，即一条细刻度线代表的 的水位，如的水位，如 1 1cm cm 。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 027027Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 028028示例示例3 3 基于图
35、像识别的流速获取基于图像识别的流速获取 基于视频图像的流速获取方法是利用摄像机对待测基于视频图像的流速获取方法是利用摄像机对待测河流表面实时采集视频并截取帧图像，通过运动目标检河流表面实时采集视频并截取帧图像，通过运动目标检测和定位等图像处理，判断从河流上游投放的随水流一测和定位等图像处理，判断从河流上游投放的随水流一起运动的示踪物体（以漂浮小球为例）是否出现在摄像起运动的示踪物体（以漂浮小球为例）是否出现在摄像机位置处，如果出现，则计算示踪物体投放及到达摄像机位置处，如果出现，则计算示踪物体投放及到达摄像机位置间的时间差，再根据已知的两个指定位置点之间机位置间的时间差，再根据已知的两个指定位
36、置点之间的距离即可获取目标物体的运动速度（流速）。的距离即可获取目标物体的运动速度（流速）。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 029029基于图像识别的流速获取原理基于图像识别的流速获取原理Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 030030基于图像识别的流速获取流程基于图像识别的流速获取流程Hohai Univ
37、ersity Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 031031主要算法主要算法Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 032032Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 033033当用当用Hough圆圆检测到
38、完整的检测到完整的圆时，以圆的圆时，以圆的垂直中心线为垂直中心线为界，不断统计界，不断统计中心线两侧白中心线两侧白色的像素数，色的像素数，当像素数当像素数“相相等等”时即说明时即说明目标物到达摄目标物到达摄像机的中心位像机的中心位置。置。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 034034 （1 1）在实际应用中可能会遇到雨、雾、阴天、夜晚等光照不足的情况，）在实际应用中可能会遇到雨、雾、阴天、夜晚等光照不足的情况，使得获取的图像清晰度不高，导致识别困难或
39、错误；使得获取的图像清晰度不高，导致识别困难或错误； （2 2）目标物背景污染较严重的情况下去噪处理能否干净，还有待继续）目标物背景污染较严重的情况下去噪处理能否干净，还有待继续研究；研究； （3 3）示踪物投放机制和方式的研究；）示踪物投放机制和方式的研究； （4 4）本研究适合于较平静的水面，但是实际水面可能存在波浪，摄像）本研究适合于较平静的水面，但是实际水面可能存在波浪，摄像机在某一时刻获取的水面可能是波谷，也可能是波峰，如何确定合理的水机在某一时刻获取的水面可能是波谷，也可能是波峰，如何确定合理的水面还要研究具体的处理方法；面还要研究具体的处理方法； （5 5）因为图像处理和识别的算
40、法较复杂，对计算机设备要求较高，远）因为图像处理和识别的算法较复杂，对计算机设备要求较高，远程传输视频或图像到后台处理没问题，但是现场如何处理？算法如何改进？程传输视频或图像到后台处理没问题，但是现场如何处理？算法如何改进？以便降低硬件开销等，都必须进一步考虑；以便降低硬件开销等，都必须进一步考虑； 。基于图像识别的水位和流速监测的实用化问题基于图像识别的水位和流速监测的实用化问题Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 035035示例示例4 4 水质卫星
41、遥感监测水质卫星遥感监测 全国现代灌溉发展规划明确提出现代化灌区要对灌溉来水和全国现代灌溉发展规划明确提出现代化灌区要对灌溉来水和灌溉退水进行水质监测。针对水质在线监测投资大的问题，可以灌溉退水进行水质监测。针对水质在线监测投资大的问题，可以通过对卫星遥感（也可以通过无人机或定点摄像机）获取的影像通过对卫星遥感（也可以通过无人机或定点摄像机）获取的影像的分析，识别出污染物。水体被污染后，水体对电磁辐射的吸收的分析，识别出污染物。水体被污染后，水体对电磁辐射的吸收和散射性质发生改变，导致传感器接收到的反射光谱发生变化，和散射性质发生改变，导致传感器接收到的反射光谱发生变化，从而在遥感数据中得到反
42、映。因此，只要建立适当的遥感从而在遥感数据中得到反映。因此，只要建立适当的遥感“反演反演”模型，就可以根据遥感数据确定水中的污染物，并计算出污染物模型，就可以根据遥感数据确定水中的污染物，并计算出污染物的浓度和覆盖面积。的浓度和覆盖面积。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 036036 如图所示，卫星传感器去如图所示，卫星传感器去除了大气影响后，来自水除了大气影响后，来自水体的光谱就由水面镜面反体的光谱就由水面镜面反射光、水体散射光和水底射光、水体散射
43、光和水底反射光三部分组成。反射光三部分组成。其中，水面反射光基本无其中，水面反射光基本无水质信息，当水深达到一水质信息，当水深达到一定程度时，水底反射光极定程度时，水底反射光极弱，因此均可去除，则到弱，因此均可去除，则到达传感器的光谱中的就只达传感器的光谱中的就只有水体散射光。有水体散射光。水体光谱组成水体光谱组成Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 037037 一般情况下，在光学遥感波段，以悬浮泥沙为主的悬浮物使一般情况下，在光学遥感波段，以悬浮泥沙
44、为主的悬浮物使水体的散射光显著加强。耗氧性有机污染物和重金属使水体吸收水体的散射光显著加强。耗氧性有机污染物和重金属使水体吸收率显著增强，叶绿素使水体在可见光波段吸收率增大，而在红外率显著增强，叶绿素使水体在可见光波段吸收率增大，而在红外波段则出现反射峰，并存在特殊的荧光峰。这种在不同波段上散波段则出现反射峰，并存在特殊的荧光峰。这种在不同波段上散射和吸收性质的差异使得根据遥感资料定量反演几种主要杂质的射和吸收性质的差异使得根据遥感资料定量反演几种主要杂质的种类和浓度成为可能。种类和浓度成为可能。 因此，可以建立水体反射率与水质成分含量的函数关系，求因此，可以建立水体反射率与水质成分含量的函数
45、关系，求解后可得每个像素点的水质成分和浓度。解后可得每个像素点的水质成分和浓度。杂质对水体光谱的影响杂质对水体光谱的影响Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 038038 水质遥感可提取的参数取决于所采用的遥感数据的光学波段水质遥感可提取的参数取决于所采用的遥感数据的光学波段数以及水体各成分的散射系数和吸收系数。反演精度则取决于遥数以及水体各成分的散射系数和吸收系数。反演精度则取决于遥感数据的质量、大气纠正精度、出水辐射反射率的计算精度。目感数据的质量、
46、大气纠正精度、出水辐射反射率的计算精度。目前，采用中高分辨率的卫星数据，可以定量反演出的水质参数为：前，采用中高分辨率的卫星数据，可以定量反演出的水质参数为：混浊度、耗氧性有机物（混浊度、耗氧性有机物（CODCOD）+ + 重金属、叶绿素浓度、油污含重金属、叶绿素浓度、油污含量等。其他参数则可以从这些参数中得到间接反映，如氮、磷增量等。其他参数则可以从这些参数中得到间接反映，如氮、磷增加会导致叶绿素的增加等。加会导致叶绿素的增加等。水质遥感可提取的参数及其精度水质遥感可提取的参数及其精度Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210
47、098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 039039 如上所述，水面反射光和水底反射光可以不考虑，则所测水体的如上所述，水面反射光和水底反射光可以不考虑，则所测水体的反射光谱主要来自水体中的水分子和水中悬浮颗粒物的散射光，则水反射光谱主要来自水体中的水分子和水中悬浮颗粒物的散射光，则水体每个像素点的出水光谱反射率为：体每个像素点的出水光谱反射率为：水质遥感模型水质遥感模型 式中，只有污染浓度式中，只有污染浓度DuDu和泥沙浑浊度和泥沙浑浊度DsDs为未知量，为未知量，光入射角光入射角为为已知量，所有的吸收率已知量，所有的吸收率和散射率和散射率（水、泥沙、污染物）
48、均可通过测（水、泥沙、污染物）均可通过测试获得。因此，将两个波段的遥感数据代入试获得。因此，将两个波段的遥感数据代入上上式，即得到一个二元一式，即得到一个二元一次方程组，对其求解就可计算出污染物浓度和泥沙浑浊度次方程组，对其求解就可计算出污染物浓度和泥沙浑浊度。Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 040040 卫星遥感技术发展非常快，其中，光卫星遥感技术发展非常快，其中，光谱分辨率和空间分辨率是卫星遥感技术的谱分辨率和空间分辨率是卫星遥感技术的两项重要
49、指标，随着这两项指标的提高，两项重要指标，随着这两项指标的提高，该技术在智慧水利的应用必然迅速发展。该技术在智慧水利的应用必然迅速发展。以以“高分二号高分二号”遥感卫星（我国遥感卫星（我国20142014年年8 8月月1 18 8日发射）为例，其几何分辨率为日发射）为例，其几何分辨率为1 1米米（20132013年年4 4月月2626日发射的高分一号卫星的日发射的高分一号卫星的几何分辨率为几何分辨率为2 2米、多光谱分辨率为米、多光谱分辨率为8 8米），米），美国美国 Digital Globe Digital Globe 公司公司20142014年年8 8月月1414日日发射的发射的Worl
50、d View-3World View-3 卫星的几何分辨率卫星的几何分辨率为为0.310.31米，多光谱分辨率为米，多光谱分辨率为。 位于太原卫星发射中心位于太原卫星发射中心准备发射的高分二号卫星准备发射的高分二号卫星 Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 智慧水利实现技术探索智慧水利实现技术探索 041041Hohai University Since 1915 1 Xikang Road, Nanjing 210098P. R. China 2.2 2.2 智能灌溉智能灌溉水资源配置与调度水
