鄒洪波

（廣東省水文局廣州分局，廣州 510150）

[關(guān)鍵字] 圖像識別；水位；誤差分析；太平場水文站

水位數(shù)據(jù)監(jiān)測是水文監(jiān)測當中重要的、常規(guī)的觀測參數(shù)，人們對此進行了大量研究，發(fā)展了眾多的監(jiān)測方式，如浮子水位計、超聲波水位傳感器、雷達水位計、壓力式水位計、激光水位計，振玄水位計等。其中一些監(jiān)測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?；谝曨l圖像識別的水位監(jiān)測，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。

1 基于圖像識別技術(shù)的水位測量原理

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

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

2 試驗資料分析

2.1 試驗點概況

試驗站點選擇于太平場鎮(zhèn)水文站，位于廣州市從化區(qū)太平鎮(zhèn)太平場，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，測驗項目有水位、雨量、水質(zhì)和蒸發(fā)等。

2.2 比測設(shè)備選取

采用浮子式機械編碼器作為比測設(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 有專人校準水位，水位數(shù)據(jù)準確。水位數(shù)據(jù)采用頻率為5 min，由遙測設(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)和具有代表性的時段。①選取水位變幅較大的時間段，所選取時段水位從10.60～12.06 m，變幅為1.46 m；②選擇白天光線較好共200 個數(shù)據(jù)，晚上無光線數(shù)據(jù)138 個；③其中56 個數(shù)據(jù)受漂浮物影響。白天、晚上、漂浮物遮擋水尺場景分別見圖1～圖3。

圖1 白天水尺場景

圖2 晚上水尺場景

圖3 漂浮物遮擋場景

在白天的場景下，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 一個數(shù)據(jù)，共148個水位數(shù)據(jù)。水位從10.59～11.54 m。

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

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

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

圖4 浮子水位～圖像識別水位關(guān)系圖

2.4 誤差分析

誤差分析依據(jù)《水位觀測標準》（GB/T50138-2010），采用自動監(jiān)測設(shè)備檢測水位時，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自動監(jiān)測水位；Pi人工校測水位；N 校測次數(shù)。

（2）隨機不確定度X′計算公式：

（3）綜合不確定度Xz計算公式：

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

條件 白天樣本數(shù)誤差/m 0點數(shù) 3 7系統(tǒng)不確定度/m隨機不確定度/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 不同場景下的誤差占比圖

從數(shù)據(jù)統(tǒng)計看，在白天，圖像識別系統(tǒng)的誤差大于5 cm 共5 個點，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，圖像識別系統(tǒng)的誤差大于5 cm 共27個點，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，圖像識別系統(tǒng)誤差大于5 cm 的共38 個點，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。

對夜晚和漂浮物遮擋場景誤差較大的問題，有以下改進方案。

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

（2）對漂浮物等場景的測量誤差較大的情況，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）在安裝相機時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量）又要能測得最低、最高水位，避免水位漲落超出測量范圍的問題。

3 結(jié)語

對所有樣本進行綜合分析，其測量精度基本符合應(yīng)用要求，光線較好的情況下準確率較高。雖然在夜晚和漂浮物遮擋的場景誤差較大，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，水位識別精度將進一步提高。