基于圖像識別的三峽河段航道水尺智能監(jiān)測技術(shù)可行性探討

毛璽璽，劉勇

（1.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000；2.長江航道工程局有限責任公司，湖北 武漢 430014）

1 引言

三峽通航是長江航運的重要組成部分和長江黃金水道的關(guān)鍵節(jié)點，通航環(huán)境復雜，助航設(shè)施配布密集，船舶密度大，安全敏感度高，具有極其重要的戰(zhàn)略、社會和經(jīng)濟價值，三峽河段的通航安全保障能力是影響該河段管理與服務(wù)水平乃至整個長江航運生產(chǎn)力發(fā)展的重要因素之一。

在通航管理的整個過程中，航道作為航運服務(wù)的核心環(huán)節(jié)，是航運服務(wù)可持續(xù)發(fā)展的必要保證。尺度是航道管理的主責主業(yè)，是船舶安全航行的必要保障，也是其合理配載和安全航行的基礎(chǔ)。航行水尺是一種用來測量水位高低的工具，在航道水位監(jiān)控中起著舉足輕重的作用。

目前在三峽樞紐河段在通航起控制作用的航段和通航樞紐下游航道已建設(shè)20 座固定水尺，連續(xù)觀測多年水位變化過程，記錄相應(yīng)的下泄流量，分析水位-流量關(guān)系，同時布設(shè)著大量的視頻監(jiān)控設(shè)備，具備建設(shè)智能水尺檢測的硬件條件。

2 基于圖像識別的水尺智能監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

伴隨著5G、大數(shù)據(jù)、AI 等技術(shù)的發(fā)展，在水位監(jiān)測領(lǐng)域，越來越多的危險、枯燥和容易出錯的工作被信息化的設(shè)備和技術(shù)所取代，很多以前需要大量人力才能完成的工作，現(xiàn)在只需要通過信息化的設(shè)備和技術(shù)就能輕松完成。近年來，在水位測量方面，電子水尺、水井和超聲波測量儀的問世，使水位測量工作有了新的發(fā)展，為水位監(jiān)測帶來了更多的可能性，隨著計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用圖像處理技術(shù)來替代人眼對重要水域的水位進行測量已經(jīng)成為一個研究熱點。圖像處理技術(shù)可以實現(xiàn)對水位的快速、準確測量，同時不受環(huán)境因素的影響，具有精度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，從而大大提高了水位測量的效率。

3 水尺圖像識別技術(shù)要點

利用圖像識別技術(shù)獲取航行水尺水位信息中，水尺刻度線提取是核心工作。通過視頻監(jiān)測設(shè)備獲取水尺圖像后，將圖像上傳至智能分析計算系統(tǒng)。結(jié)合對水尺圖像的預處理和橫向投影，再結(jié)合像素特點組成虛擬標尺模塊，智能分析計算系統(tǒng)根據(jù)所獲得的圖像像素與虛擬標尺的關(guān)系，由其確定實際水面，最后提取水尺刻度，并按照對應(yīng)的算法得到水尺的水位。

4 智能水尺在三峽樞紐河段建設(shè)的必要性

目前，三峽河段共有20 座航行水尺，都是傳統(tǒng)水尺，主要通過觀測人員現(xiàn)場觀讀來獲取數(shù)據(jù)，需要工作人員近距離觀測，存在以下問題：一是采用人工目測讀取水位數(shù)據(jù)時，難免會存在人為誤差；二是要讀取的水尺數(shù)量多，需要耗費大量的人力物力；三是受到野外惡劣自然環(huán)境的影響，觀測人員讀取水尺時，安全存在一定的隱患；四是人工讀取所有水尺需要花費較長時間，不能實時獲取水位數(shù)據(jù)。這種傳統(tǒng)的測報方法也嚴重影響了航道管理向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的進程。

隨著人工智能技術(shù)，計算機視覺技術(shù)在信息時代的到來，得到了迅速的發(fā)展。圖像識別技術(shù)是一種重要的非接觸測量方法，它能夠?qū)z像頭采集到的圖像進行自動處理與分析，在監(jiān)控場景中識別出目標，并對目標進行定位與跟蹤，從而達到對目標的分析與判斷，為有關(guān)人員提供有用的信息。

近幾年，人工智能、圖像識別等技術(shù)已逐漸被運用到水文監(jiān)測中。借助已有成熟的信息傳輸技術(shù)和圖像處理技術(shù)，構(gòu)建出一個可以自動檢測水尺的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠程自動獲取水位，這樣就可以讓人力得到解放，節(jié)約船艇運行資源，還可以提升測量精度和實時性，還有利于數(shù)據(jù)資料的保存，這些技術(shù)的應(yīng)用是航道管理智能化、綠色化的有力體現(xiàn)。

5 智能水尺建設(shè)路徑分析

5.1 梳理三峽河段固定式水尺布設(shè)現(xiàn)狀

通過資料查詢、實地踏勘等方式分析轄區(qū)固定式水尺現(xiàn)狀，主要對其周邊地理環(huán)境、攝像設(shè)備現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、供電設(shè)施等進行評估，分析存在的主要問題及短板，研究水尺智能監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)可行性。

5.2 圖像識別技術(shù)在水尺智能讀數(shù)的應(yīng)用

以建立一個能實際投入使用的水尺智能監(jiān)測系統(tǒng)為目的，深入研究視頻幀提取技術(shù)、圖像識別技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的理論與實踐，并針對轄區(qū)固定式水尺特點進行優(yōu)化完善，設(shè)計出水尺智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心算法。

5.3 選取固定水尺試點應(yīng)用并校核評估數(shù)據(jù)

制作成熟的水尺智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案并聯(lián)合合作單位選取合適的固定式水尺進行試點應(yīng)用。深入研究相應(yīng)規(guī)范標準及管理需求，建立數(shù)據(jù)評估標準，在試運營期間通過比測周圍水位站水位數(shù)據(jù)、人工校核等方式評估本監(jiān)測技術(shù)。

5.4 識別精準度影響因素分析及系統(tǒng)優(yōu)化

監(jiān)測試點建設(shè)后，對前期校核評估中的異常數(shù)據(jù)進行分析，判斷影響水沫線識別的影響因素，例如典型航道中浪、霧、行船等。針對影響因素提出相應(yīng)的解決方式，對水尺監(jiān)測系統(tǒng)進行一定的優(yōu)化以達到符合管理需求的精準度。

6 結(jié)論

有必要綜合利用圖像識別、視頻監(jiān)控和現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)基于圖像識別的水尺智能監(jiān)測系統(tǒng)，以自動檢測代替人工觀測的方式實現(xiàn)水位的實時監(jiān)測，獲取及時有效的水位數(shù)據(jù)，為航道管理部門提供決策信息，保障航道安全暢通。