占隴水文站智能圖像水位識(shí)別系統(tǒng)率定分析

衛(wèi)唯唯

（廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 揭陽 522000）

1.水文站基本情況

1.1 測(cè)站概況

占隴水位站位于揭陽市普寧市占隴鎮(zhèn)洋美山村，東經(jīng)116°16'27.3"，北緯23°18'27.2"，建立于2012年6月，站點(diǎn)觀測(cè)項(xiàng)目為水位和雨量，站點(diǎn)控制集水面積321km2，該站集水面積占全流域23.8%?；緮嗝嫖挥谒蚕粎R口下游2km，主要控制練江干流及白坑湖水、白馬溪、水尾溪匯合后的水文變化情況。同時(shí)該站位于揭陽、汕頭兩市交界處較近，對(duì)分析兩市出入境水量有重要的參考作用。

練江發(fā)源于普寧市池尾街道高明村，流域面積1236km2，河流長(zhǎng)度77km，河流平均坡降0.000428，流經(jīng)普寧市、汕頭潮南區(qū)、汕頭潮陽區(qū)，最后注入南海。占隴站斷面點(diǎn)下游20米即建有練江占隴水閘和公路大橋，斷面河道右岸為沿河公路，河道斷面為梯形斷面。

測(cè)驗(yàn)河段平面圖見下圖。

圖1 占隴站測(cè)驗(yàn)河段平面圖

1.2 上下游主要水利工程

占隴站基本水尺斷面上游有四宗中型水庫，分別為上三坑水庫、下三坑水庫、白沙溪水庫和湯坑水庫。

下游20m處有占隴練江水閘。該水閘地處占隴鎮(zhèn)洋尾山村，是一宗以防洪、排澇、灌溉的大型水利樞紐工程，該閘始建于1985年5月，至1995年10月重建。工程按十年一遇設(shè)計(jì)，上游集水面積321km2，主要建筑物包括10孔攔河閘。閘上設(shè)交通橋，橋面高程8.68m。水閘具有發(fā)電功能，發(fā)電進(jìn)水口位于水閘右側(cè)，占隴站水位受此水閘調(diào)控影響顯著。

圖2 主要水利工程位置示意圖

1.3 占隴站水文概況

占隴站原為中小河流專用站，于2020年升級(jí)為基本水位站并參與整編，該站水位主要受下游20m處占隴練江水閘調(diào)控影響，本年度水位情況如下表所示：

表1 占隴站最高水位與最低水位表

2.智能圖像水位識(shí)別系統(tǒng)

智能水位圖像識(shí)別系統(tǒng)，通過智能化攝像頭對(duì)測(cè)站的預(yù)置位置配準(zhǔn)，通過圖像對(duì)水尺、水尺同名點(diǎn)及高程的模板制作，以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性；根據(jù)模板匹配算法、SIFT特征點(diǎn)提取、RANSAC隨機(jī)抽樣一致性等算法將原圖與模板進(jìn)行配準(zhǔn)，解決攝像頭抖動(dòng)引起的圖像水尺位置變化時(shí)同名點(diǎn)及水尺位置的查找；根據(jù)圖像二值化算法精準(zhǔn)查找夜間圖像水尺在正常情況及強(qiáng)光下的水位線；根據(jù)底色匹配模板算法及同名點(diǎn)精準(zhǔn)查找白天在正常情況及強(qiáng)光、水尺倒影等的水位線；基于deeplabv3+模型的語義分割技術(shù)，對(duì)識(shí)別誤差較大的圖片用deeplabv3+模型不斷訓(xùn)練提高識(shí)別的精度；根據(jù)智能化攝像頭算法控制預(yù)置點(diǎn)位置，進(jìn)行多水尺實(shí)時(shí)圖像抓拍分析水位，智能化選擇合適水尺分析水位。

該系統(tǒng)打破傳統(tǒng)水位測(cè)量方式的瓶頸，采用AI技術(shù)自動(dòng)處理大量的視頻、圖像文件，通過對(duì)視頻、圖像的處理、分析和理解，實(shí)現(xiàn)對(duì)涉水領(lǐng)域的水位智能識(shí)別和分析，提供了包括自動(dòng)監(jiān)視、 閾值設(shè)置、自動(dòng)判斷多水尺識(shí)別和智能告警等服務(wù)。

智能水位圖像識(shí)別系統(tǒng)主要包括前端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)軟件和顯示終端，采用定時(shí)抓拍和自主抓拍圖像兩種形式，定時(shí)或根據(jù)需要上傳水尺圖片，系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖所示：

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1 前端設(shè)備：視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)高速攝像機(jī)、RTU、4G 路由器、蓄電池、太陽能電池板和水尺。

2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)：攝像頭與遙測(cè)終端機(jī)相連，通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至信息中心。

2.3 平臺(tái)軟件：在信息中心部署一套平臺(tái)軟件系統(tǒng)，通過4G通信網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)。

2.4 顯示終端：通過顯示終端能夠查詢展示圖像數(shù)據(jù)。

3.水位比測(cè)率定

3.1 水位率定方法

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138-2010)要求，比測(cè)采用人工比測(cè)法。考慮到該站已有一套雷達(dá)式自計(jì)水位計(jì)，并已納入該站《測(cè)驗(yàn)方案》運(yùn)行多年，故增加儀器比測(cè)，對(duì)該站水位長(zhǎng)時(shí)序比測(cè)。智能圖像水位識(shí)別系統(tǒng)的水位是通過AI技術(shù)識(shí)別該系統(tǒng)所拍攝圖片中的水尺讀數(shù)加上水尺零點(diǎn)高程所得。雷達(dá)水位計(jì)是利用微波脈沖通過天線發(fā)射并接受。雷達(dá)波以光速運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間可以通過電子部件被轉(zhuǎn)換為水位信號(hào)，再利用水位遙測(cè)終端，將雷達(dá)信號(hào)采集，傳輸，完成對(duì)水位的監(jiān)測(cè)。本報(bào)告中的水位比測(cè)以雷達(dá)式水位計(jì)的水位數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

3.2 率定資料收集與整理分析

本次率定分別選擇平水期與洪水期水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

系統(tǒng)不確定度

隨機(jī)不確定度

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

結(jié)果表明：平水期水位綜合不確定度2.97 cm、系統(tǒng)誤差0.45cm；洪水期綜合不確定度2.88 cm、系統(tǒng)誤差0.20 cm，符合規(guī)范要求。從系統(tǒng)記錄資料和雷達(dá)式水位計(jì)采集水位數(shù)據(jù)的比測(cè)分析結(jié)果可以看出，圖像識(shí)別數(shù)據(jù)完整性、識(shí)別準(zhǔn)確性較好。

本次儀器比測(cè)率定選擇2020年8月24日23時(shí)～8月26日23時(shí)這個(gè)時(shí)間段每小時(shí)智能圖像水位識(shí)別系統(tǒng)水位數(shù)據(jù)與召測(cè)水位進(jìn)行比測(cè)。最終結(jié)果得出：誤差在±2cm以內(nèi)有45組，占93.8%；誤差超±2cm有3組，占6.2%，最大誤差4cm。

可以看出，智能圖像水位識(shí)別系統(tǒng)的水位采集精度是比較高的，水位識(shí)別系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，個(gè)別時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)3～4cm的誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因在于攝像頭由于風(fēng)吹有稍許抖動(dòng)，水尺附近水面有障礙物干擾攝像頭拍攝。