1、智慧智慧水利视频监测技术及应用水利视频监测技术及应用流量在线监测系统及应用图像法表面流速测量技术智能水利视频监测技术展望1目目 录录CONTENTS23图像法水尺水位测量技术4图像法表面流速测量技术1 浮标法测流技术 传统浮标法测流 摄影浮标法采用照片代替目测，提取测流浮标的方位V=S/t速度的基本定义速度的基本定义 粒子图像测速技术(PIV)PIV是一种定量的流动显示技术，通过 匹配跟随流体运动的示踪粒子图像获得 流速场，极大提高了实验室环境下各种 复杂流动的测量能力。Particle Image Velocimetry分析固定区域跟踪流体微团 大尺度粒子图像测速技术(LSPIV)上世纪90
2、年代末，PIV技术被日本神户大学Fujita等人改造引入河流的观测。非接触式瞬时全场流速非接触式瞬时全场流速测测量及量及断断面流面流量量监监测测低成本设备低成本设备小倾角拍摄小倾角拍摄天然示踪物天然示踪物水位水位-流速流速-流量关系流量关系LSPIV的技术指标德国SEBA Hydrometrie GmbH的Discharge Keeper测流系统LSPIV的技术优势可快速获取瞬时/时均流场、湍流特征、流动模式、涡度等表面流态信息；依据 河床地形资料、水力学模型及领域知识可进一步估算断面流量、率定模型参数，反映了河流原型观测技术的新发展方向。超大范围河流表面流场观测防波堤阻流流态观测闸坝出流流态
3、观测洪水决堤流态观测 相关政策支持 研究依托项目国家自然科学基金国家自然科学基金：历经历经8年年多源监测信息融合仿生复眼系统（No.60774092）基于超视锐度机理的图像超分辨率重构（No.60872096）面向高洪期水流成像测速的目标运动矢量估计方法及试验研究（No.61263029）受蜻蜓视觉机制启发的观测目标位移测量方法及应用（No.61374019）面向河道水流实时监测的时空图像测速方法及试验研究（No.51709083）国家重点研发计划项目国家重点研发计划项目江河湖库水文要素在线监测技术与装备（2017YFC0405700）非接触式流量在线检测技术与装备研发（2017YFC0405
4、703）水利部流域机构、省（市）等地方科技计划项目：水利部流域机构、省（市）等地方科技计划项目：图像法测流系统在不同水文情势下的应用（江西省水利厅，2019）基于光谱-偏振成像的免控制点河流水面时均流场量测方法（江苏省科技厅，2017）LSPIV的技术难点水面多波段水面多波段-偏振成像偏振成像 观测法观测法基于时空图基于时空图 像的运动矢像的运动矢 量估计量估计错误矢量识错误矢量识 别修正及时别修正及时 均流场重建均流场重建免像控水面免像控水面 摄影测量及摄影测量及 流场定标流场定标 关键技术1：水面多波段-偏振成像观测法模拟蜻蜓复眼对水面光谱-偏振的敏感性增强水体和示踪物的成像信噪比，通过
5、观测建模的基础研究确定了不同观测几何、水流含沙量和示踪条件下的最佳成像 参数（波段、偏振态），为测流仪器专用光学系统的设计提供了理论依据。可见光近红外 关键技术1：水面多波段-偏振成像观测法多波多波段段-偏振成像光学系统构造偏振成像光学系统构造多波段多波段-偏振成像水槽流场观测偏振成像水槽流场观测多波段多波段滤光滤光片片+宽光谱宽光谱镜头组镜头组电路系统电路系统0 0、4545、9090、135135四通道偏振透镜四通道偏振透镜光强成像光强成像AOLP成像成像全天候全天候 防防护罩护罩LED补光灯补光灯 三三脚架脚架野外测流系统集成野外测流系统集成四四 通通道道DOLP成像成像偏偏振振 图图
6、像像光学滤镜光学滤镜 多波段滤镜组成像器件成像器件 四通道偏振CMOS成像参数成像参数 400万像素 25fps成像波段成像波段 400-1050nm工作电压工作电压 AC24V/DC12V工作温度工作温度-10-50 关键技术2：基于时空图像的运动矢量估计技术 tan St v S借鉴复眼以光流形式对不同目标运动检测过程的统一表征和普适性处理优势，通 过理论研究与观测试验，揭示了准刚性（漂浮物）/非刚性（泡漩/波纹）运动目 标在时空域和频率域的光流分布特性，直接估计出高空间分辨率的一维时均流速。测速线V DT d St 关键技术2：基于时空图像的运动矢量估计技术图像序列中设置测速线图像序列中
7、设置测速线时空光流图像时空光流图像背景抑制背景抑制时空图像频谱主方向检测时空图像频谱主方向检测时空图像纹理主方向时空图像纹理主方向时均流速场时均流速场 关键技术3：错误矢量识别修正及时均流场重建技术基于频域互相关的运动矢量估计：以流场图像中划分的一个固定分析区域为观测 窗口，假设窗口内存在粒子的流入和流出，进而将t时间内通过其所在空间区域 粒子微团的平均位移作为分析区域中心的瞬时位移，窗口需大于最大位移的两倍。1MNM 1 N 1 j 2 xu yv MN F u,v FFT 2 f x,y f x,y ex0 y0C u,v=F*u,v G u,vxyM 1 N 1j 2 ux vy MN
8、x0 y0c d,d=IFFT 2 C u,v C u,v e 关键技术3：错误矢量识别修正及时均流场重建技术结合运动矢量及瞬时 流场的特征统计模型 识别并修正错误矢量，基于时-空联合滤波 融合瞬时流场形成时 均流场，同时反馈时 均流场重建结果并自 适应调整观测窗口和 判定阈值，进而有效 控制了强环境扰动下 的时均流场重建误差。关键技术3：错误矢量识别修正及时均流场重建技术浅水低流速浅水低流速高水波浪破碎高水波浪破碎水面强耀光干扰水面强耀光干扰夜间人工补光夜间人工补光夜间暴风雨夜间暴风雨夜间小雨夜间小雨 关键技术4：免像控水面摄影测量及流场定标技术岸基式河流流场观测存在倾斜视角、水位变化及畸变
9、像差，基于DLT法解算变高单应的水面摄影测量模型至少需要布设6个不共面且均匀分布的控制点。控制场的布设及敏感性分析试验控制场的布设及敏感性分析试验 关键技术4：免像控水面摄影测量及流场定标技术基于无畸变光学成像系统中像点、光心和物点的共线约束建立变高水面的物像尺 度变换摄影测量模型，参数物理意义明确，可分步精确标定。关键技术4：免像控水面摄影测量及流场定标技术将相机和姿态传感器 固连构成直接定向摄 影测量系统，通过集 成检校确定相机内参、畸变像差和偏心角，修正相机的非线性畸 变和三维姿态；采用 实测水位和相机偏心 距修正相机到水面高 程；实现水面摄影测 量模型参数精确获取。关键技术4：免像控水
10、面摄影测量及流场定标技术 实现了系统的集成一体化和免像控的水面流场定标（流速值和起点距的直接定向 测量），显著提高了现场布设及测量的效率和安全性；流场定标精度与传统DLT 方法相当，误差可控在1%以内，测量精度不受控制场影响，易于评定。图像法水尺水位测量技术2 自动水位测量技术 现有的自动水位计主要包括：浮子式压力式超声波式雷达式 现有技术存在的问题主要包括：建站成本高温度、水质敏感需要定期维护强风抖动干扰 图像法的技术优势 近年来视频监控系统逐渐成为水文站的标准配置。图像法利用图像传感器代替人眼获取水尺图像，通 过图像处理技术检测水位线对应的读数，从而自动 获取水位信息。非接触特性适合于污染
11、的水体；测量原理无温漂；可对测量结果进行直观验证和解释；可利用已安装的监控摄像机和水尺；无需现场标定，除了对相机镜头和水尺表面的清洁外几乎无需现场维护。现场监测难点 监控视场大，非线性畸变严重，有效水尺图像的分辨率低。现场监测难点 摄像机远高于水面，较大倾角导致图像透视畸变严重。现场监测难点 近红外波段下刻度几乎不可见，水面存在耀光和倒影。白天可见光夜间近红外白天可见光夜间近红外河海大学排洪渠浙江松门水文站白天可见光夜间近红外浙江大溪水文站 基于机器视觉的水尺水位测量方法 近红外成像增强对比可见光成像近红外成像 基于机器视觉的水尺水位测量方法 选取匹配控制点u m1 x m2 y m3 m7
12、x m8 y m9v m4 x m5 y m6 m7 x m8 y m9 基于机器视觉的水尺水位测量方法 自适应阈值二值化T Is(1000)Iw(3000)/2R u,v T B u,v 0,B u,v 255，R u,v T 基于机器视觉的水尺水位测量方法 水位线读数坐标换算L l/d=138 mm 基于机器视觉的水尺水位测量方法 无需检测和识别水尺表面的字符和刻度线；适用于标准双色水尺；适用于畸变广角镜头；适用于倾斜拍摄视角；适用于低分辨率图像；适用于日夜光照条件；水面耀光和倒影鲁棒；精度1cm，分辨率1mm；算法简单，易于嵌入。基于机器视觉的水尺水位测量方法流量在线监测系统及应用3 岸
13、基遥测式测流系统的组成及特点 易于布设：系统可快速架设于河岸上以倾斜视角探测，无需安装悬臂支架延 伸至水面上方，也不依赖于桥梁；采用直接定向摄像测量技术，现场无需布 设任何地面控制点，可显著提高野外应急监测的效率。岸基遥测式测流系统的组成及特点 操作安全：系统主体不接触水体，抗毁性强；系统采用数字化和网络化设计，工作人员可通过网络实现远程监控和系统标定，现场维护仅限于水尺表面的 定期清理等低技术和低风险工作，可极大保障人身安全。岸基遥测式测流系统的组成及特点 测量高效：系统能够在数分钟内完成一次测量，得到较稳定的时均水位测量 值和测点密集的表面流速分布，流量计算的子断面数可达上百个，使测量具
14、有很高的时间和空间分辨率，有利于捕获水位、流量快速变化的洪水过程。岸基遥测式测流系统的组成及特点 多要素监测：系统基于单台摄像机即可同时测量河流水位、流速、流量并实 现可视化，还可同时输出现场的视频片段和单帧图像，用于测量结果的直观 验证、现场工况的实时监视、历史事件的快速检索和回溯分析。岸基遥测式测流系统的组成及特点 全天候适宜：采用同岸和对岸独立布设的近红外、可见光补光灯分别进行定 时照明控制，可有效克服摄像机内置光源照射角度固定、后向散射弱的问题，通过配备雨刮器和自动恒温装置，适用于夜间和阴雨天的持续监测。岸基遥测式测流系统的组成及特点 低成本、易升级：系统可基于测站现有的水利视频监控系
15、统改造实现，或采 用市面上成熟的硬件产品集成构建；通过更换部件可方便地提升系统性能，灵活适应不同的测量条件，同时可大大降低系统开发、建设和维护成本。岸基遥测式测流系统的布设方法1图像传感器尺寸为1/3，镜头焦距为4mm，查询得到垂直视场角=44；2根据测量断面的地形和最高水位确定最大河宽D=27m；3迭代摄像机的垂直视场覆盖最大河宽时的俯仰角为=30，直至摄像机到 同侧水边界点的水平距离d以及距离最高水位线的高程H满足布设条件。3.33md D tan(/2)=27 tan(30 44/2)tan(/2)tan(/2)tan(30 44/2)tan(30 44/2)H d tan(/2)=3.
16、33 tan(30 44/2)3.74m 视频测流软件图像显示界面 视频测流软件水位测量界面 视频测流软件流速测量界面 视频测流软件流量测量界面 应用案例浙江庆元县杨楼溪濛淤桥测流系统(2018.012019.01)应用案例浙江庆元县杨楼溪濛淤桥测流系统(2018.012019.01)不同天气条件下的测量结果不同天气条件下的测量结果不同光照条件下的水位线检测结不同光照条件下的水位线检测结果果 应用案例江苏南京市句容河前垾村水文站测流系统(2018.07至今)应用案例江苏南京市句容河前垾村水文站测流系统(2018.07至今)应用案例江苏南京市句容河前垾村水文站测流系统(2018.07至今)应用案
17、例江西遂川县禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)应用案例江西遂川县禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)日夜光照条件下的表面流场测日夜光照条件下的表面流场测量量无人机表面流场测量无人机表面流场测量 应用案例江西遂川县禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)图像法和水位计的水位测量结果对比漂浮物漂浮物缠缠绕绕 水位比测2019年6月30日的洪水过程高速水高速水流流使水使水位线位线倾斜倾斜浮子式浮子式水水位计位计管管道道 淤塞引淤塞引起起水位水位迟迟滞滞 应用案例江西遂川县禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)水位比测2019年6月30日的洪水过程图像法的水位线检测结果 应用案例江西遂川县
18、禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)表面流速比测2019年6月30日的洪水过程流速仪法、雷达法和图像法的水面流速对比 应用案例江西遂川县禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)2019年7月9日的洪水过程观测水位水位测量测量流速流速 测量测量流速流速 修正修正流量流量 计算计算 应用案例江西遂川县禾源水坳下坪水文站(2019.04至今)中水位高水位测次测次12345678910时间时间9:159:169:179:189:199:209:219:229:239:24流量流量(m3/s)4.0163.9793.9984.0293.9994.0034.0584.0364.0484.126测次测次
19、11121314151617181920时间时间9:259:269:279:289:299:309:319:329:339:34流量流量(m3/s)3.933.9893.9623.9164.0114.0463.8864.1443.9823.959测次测次21222324252627282930时间时间9:359:369:379:389:399:409:419:429:439:44流量流量(m3/s)3.9894.0814.114.0954.044.0574.033.9024.0613.832测次测次31323334353637383940时间时间9:459:469:479:489:499:50
20、9:519:529:539:54流量流量(m3/s)4.0484.0834.0543.9293.9964.1093.924.0074.0374.067测次测次41424344454647484950时间时间9:559:569:579:589:5910:0010:0110:0210:0310:04流量流量(m3/s)4.0754.0254.0374.0143.8884.0614.0994.0863.9813.936统计统计均值均值标准差标准差相对标准差相对标准差流量流量(m3/s)4.0150.0681.69%不同水位级下的断面流量系数率定 低水条件下流量测量的重复性精度分析低水位 应用案例湖北
21、仙桃市汉江仙桃水文站测流系统(2019.10至今)雨夜增强型图像法测流雨夜增强型图像法测流系系统统不同尺度下天然漂浮物不同尺度下天然漂浮物及及表面表面模模式观测式观测水面粗糙度对人工光源水面粗糙度对人工光源散散射作射作用用观测观测大尺度大尺度(米米)重力波重力波中尺度中尺度(分米分米)小尺度小尺度(厘米厘米)毛细波毛细波植物碎片植物碎片 图像法测流技术的适用条件 表面流速测量：测量断面无遮挡，满足通视性。断面流量测量：河段的流速分布关系均匀、稳定；河面较窄、水面可近似为平面；横断面较单一、受风浪影响较小；夜间补光测量时水面需具有一定粗糙度，满足光散射条件。示踪物跟随表层水流运动；可同步获取现场
22、水位数据；水尺水位测量：水域漂浮物较少，水尺不易被缠绕；哑光白底平面型双色水尺片；水尺图像的分辨率应高于5mm/pixel，使系统误差小于1cm；水尺与摄像机间的倾角宜大于30，避免严重透视畸变。智能水利视频监测技术展望4 潮涌运动监测潮头线到相机水平距离平均速度 潮头线检测及运动速度测量 水面漂浮物检测识别 闸前漂浮物检测 水面漂浮物面积测量水面区域检测序号序号水面漂浮物面积水面漂浮物面积漂浮物面积占漂浮物面积占 水面比例水面比例是否是否 报警报警样图样图1 1711.79215.39%是样图样图2 2290.4526.28%否样图样图3 3237.7325.14%否样图样图4 4451.4129.76%否样图样图5 5778.85216.84%是样图样图6 6698.84215.11%是样图样图7 7369.3628.57%否样图样图8 8873.66218.89%是样图样图9 9201.6524.36%否样图样图1010354.7427.67%否样图样图1111806.62217.44%是漂浮物图像分割漂浮物面积超限预警 水域入侵目标检测及识别 水面降雨检测及识别水面视频水面视频ROI图像对图像对灰度残差灰度残差残差谱特征残差谱特征无雨无雨小雨小雨大雨大雨THANKS!
