基于圖像識(shí)別技術(shù)的水位測(cè)量誤差分析

鄒洪波

（廣東省水文局廣州分局，廣州 510150）

[關(guān)鍵字] 圖像識(shí)別；水位；誤差分析；太平場(chǎng)水文站

水位數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是水文監(jiān)測(cè)當(dāng)中重要的、常規(guī)的觀測(cè)參數(shù)，人們對(duì)此進(jìn)行了大量研究，發(fā)展了眾多的監(jiān)測(cè)方式，如浮子水位計(jì)、超聲波水位傳感器、雷達(dá)水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、激光水位計(jì)，振玄水位計(jì)等。其中一些監(jiān)測(cè)手段需要大量的前期基建工作或安裝較為復(fù)雜，使得監(jiān)測(cè)成本較高。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于高性能視頻方式的水位監(jiān)測(cè)。基于視頻圖像識(shí)別的水位監(jiān)測(cè)，是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來分析圖像，既能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，又能得到第一手的視頻監(jiān)控資料。有基礎(chǔ)建設(shè)投入小，建設(shè)周期快，安裝方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于圖像識(shí)別技術(shù)的水位測(cè)量原理

圖像識(shí)別技術(shù)的水位測(cè)量是指通過安裝固定好的攝像機(jī)獲得水尺原始圖像后，進(jìn)行射影變換，采用Otsu 法（最大類間方差法）計(jì)算得到二值圖像，再采用形態(tài)學(xué)處理后通過Canny 算子得到一個(gè)有效邊緣值，確定水位坐標(biāo)值，最終利用平滑算法去除隨機(jī)差值[1]，得到準(zhǔn)確的水位值，并通過4G網(wǎng)絡(luò)把計(jì)算的水位值和視頻圖像一同上傳到中心服務(wù)器。

圖像識(shí)別技術(shù)在水位測(cè)量中需要解決許多復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，如水面倒影和水體透明度對(duì)水面線識(shí)別的影響，逆光條件和夜晚無光對(duì)視頻圖像的影響，水尺污染和漂浮物遮擋影響水尺讀數(shù)，由于相機(jī)安裝時(shí)位置和角度相對(duì)固定，水位上漲有可能超出相機(jī)拍攝范圍等問題。

2 試驗(yàn)資料分析

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)站點(diǎn)選擇于太平場(chǎng)鎮(zhèn)水文站，位于廣州市從化區(qū)太平鎮(zhèn)太平場(chǎng)，設(shè)立于1975 年1 月，由原牛心嶺水文站下遷而來，屬珠江三角洲河口區(qū)流溪河中游控制站，集水面積1641 km2，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、雨量、水質(zhì)和蒸發(fā)等。

2.2 比測(cè)設(shè)備選取

采用浮子式機(jī)械編碼器作為比測(cè)設(shè)備，由于該設(shè)備安裝于專用設(shè)備房的自記井內(nèi)，受外界風(fēng)浪等不良條件影響小，每天08：00、18:00 有專人校準(zhǔn)水位，水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。水位數(shù)據(jù)采用頻率為5 min，由遙測(cè)設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至中心服務(wù)器。

2.3 數(shù)據(jù)選取

選取水位數(shù)據(jù)連續(xù)和具有代表性的時(shí)段。①選取水位變幅較大的時(shí)間段，所選取時(shí)段水位從10.60～12.06 m，變幅為1.46 m；②選擇白天光線較好共200 個(gè)數(shù)據(jù)，晚上無光線數(shù)據(jù)138 個(gè)；③其中56 個(gè)數(shù)據(jù)受漂浮物影響。白天、晚上、漂浮物遮擋水尺場(chǎng)景分別見圖1～圖3。

圖1 白天水尺場(chǎng)景

圖2 晚上水尺場(chǎng)景

圖3 漂浮物遮擋場(chǎng)景

在白天的場(chǎng)景下，選取從2020 年3 月27 日11：50～2020 年3 月27 日18：55 和2020 年3 月28 月06：05～2020 年3 月28 日11：15 每5 min 一個(gè)數(shù)據(jù)，共148個(gè)水位數(shù)據(jù)。水位從10.59～11.54 m。

在夜晚的場(chǎng)景下，選取從2020 年3 月27 日19：00～2020 年3 月28 日06：00 和每5 min 一個(gè)數(shù)據(jù)，共72個(gè)水位數(shù)據(jù)。水位從11.17～11.74 m。

在飄浮物遮擋的場(chǎng)景下，選取從2020年3月28日11：20～2020 年3 月28 日15：55 每5 min 一個(gè)數(shù)據(jù)，共56個(gè)水位數(shù)據(jù)。水位從10.54～10.98 m。

分別對(duì)以上3 種情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制浮子水位圖像識(shí)別水位關(guān)系圖見圖4。

圖4 浮子水位～圖像識(shí)別水位關(guān)系圖

2.4 誤差分析

誤差分析依據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010），采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)水位時(shí)，其不確定度應(yīng)按下列方法估算：

（1）系統(tǒng)不確定度X"公式：

式中：Pyi自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位；Pi人工校測(cè)水位；N 校測(cè)次數(shù)。

（2）隨機(jī)不確定度X′計(jì)算公式：

（3）綜合不確定度Xz計(jì)算公式：

依據(jù)以上公式分別對(duì)白天、晚上、有漂浮物遮擋的場(chǎng)景進(jìn)行誤差分析（見表1、圖5）。

條件 白天樣本數(shù)誤差/m 0點(diǎn)數(shù) 3 7系統(tǒng)不確定度/m隨機(jī)不確定度/m綜合不確定度/m 5305 41 2 148 57 41 0.01 0.01 0.02 12晚上72 6742 0.04 0.01 0.04漂浮物56±0.01±0.02±0.03±0.04±0.05＞±0.05 0±0.01±0.02±0.03±0.04±0.05＞±0.05 0±0.01±0.02±0.03±0.04±0.05＞±0.05 71343253 8占比/%25.0 38.5 27.7 3.4 2.0 0.0 3.4 5.6 16.7 16.7 8.3 9.7 5.6 37.5 1.8 5.4 7.1 5.4 3.6 8.9 67.8-0.04 0.02 0.05

圖5 不同場(chǎng)景下的誤差占比圖

從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)看，在白天，圖像識(shí)別系統(tǒng)的誤差大于5 cm 共5 個(gè)點(diǎn)，占3.4%；誤差為0 的數(shù)據(jù)占24.8%；誤差小于等于2 cm 的數(shù)據(jù)占91.2%；誤差小于等于3 cm 的數(shù)據(jù)占94.6%。其系統(tǒng)不確定度為1 cm、綜合不確定度為2 cm，符合規(guī)范要求。

在夜晚，圖像識(shí)別系統(tǒng)的誤差大于5 cm 共27個(gè)點(diǎn)，占37.5%；誤差為0 的數(shù)據(jù)占5.6%；誤差小于等于2 cm的數(shù)據(jù)占44.4%；誤差小于等于3 cm的數(shù)據(jù)占52.8%。系統(tǒng)不確定度4 cm、綜合不確定度4 cm，不符合規(guī)范要求。

在漂浮物遮擋的情況下，圖像識(shí)別系統(tǒng)誤差大于5 cm 的共38 個(gè)點(diǎn)，占67.8%；誤差為0 的數(shù)據(jù)占1.8%；誤差小于等于2 cm 的數(shù)據(jù)占14.3%；誤差小于等于3 cm 的數(shù)據(jù)占19.6%。系統(tǒng)不確定度4 cm、綜合不確定度5 cm，不符合規(guī)范要求。

對(duì)夜晚和漂浮物遮擋場(chǎng)景誤差較大的問題，有以下改進(jìn)方案。

（1）對(duì)夜晚無光條件下測(cè)量不準(zhǔn)的問題，可以安裝具有紅外反光涂層的水尺，提高暗光場(chǎng)景的測(cè)量精度。

（2）對(duì)漂浮物等場(chǎng)景的測(cè)量誤差較大的情況，建議在中心服務(wù)器增加學(xué)習(xí)和訓(xùn)練功能模塊。或由在站人員清理遮擋水尺的漂浮物。

（3）在安裝相機(jī)時(shí)需要綜合考慮安裝水平角度，即要放平角度（角度越平越有利于測(cè)量）又要能測(cè)得最低、最高水位，避免水位漲落超出測(cè)量范圍的問題。

3 結(jié)語

對(duì)所有樣本進(jìn)行綜合分析，其測(cè)量精度基本符合應(yīng)用要求，光線較好的情況下準(zhǔn)確率較高。雖然在夜晚和漂浮物遮擋的場(chǎng)景誤差較大，但可以通過安裝紅外反光涂層的水尺和人工清理遮擋水尺的漂浮物等方式解決。圖像識(shí)別技術(shù)屬于新技術(shù)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，水位識(shí)別精度將進(jìn)一步提高。