大尺度粒子图像测流系统在崇阳水文站的应用研究

Application of a Large-Scale Particle Image Velocimetry System at the Chongyang Hydrological Station

摘要: 大尺度粒子图像测流系统是基于图像识别技术而产生的一种非接触式的测流方式，具有实时在线、无人值守等特点，是在线监测的重要工具。本文通过大尺度粒子图像测流系统在崇阳水文站的应用研究，与流速仪法对比分析，相互关系良好，精度较好。该系统在实际运行中具有较好适用性和可靠性，为大尺度粒子图像测流系统的应用与推广提供了有效的技术支撑。

Abstract: The large-scale particle image velocimetry (PIV) system is a non-contact flow measurement method based on image recognition technology. It features real-time online monitoring and unattended operation, making it an important tool for online monitoring. This paper presents a case study of the application of the large-scale PIV system at the Chongyang Hydrological Station. The results show a good correlation and high accuracy compared with the current meter method. The system demonstrates good applicability and reliability in practical operation, providing effective technical support for the application and promotion of the large-scale PIV system.

1. 引言

近年来，现代水文监测技术高速发展，流量在线监测技术取得了一定的成果，声学多普勒流速剖面仪法、雷达测速法、声学时差法测流得到广泛的应用；特别是基于图像识别技术的在线监测，提高了水文测验的实时性和效率，保障了人员和仪器设备的安全。但这些监测方法对监测环境条件均有一定的要求，需结合实际选择不同的监测方式。其中，大尺度粒子图像识别技术作为一种非接触式的测流方式，可以实时监测水流的表面流速，在有可利用的固定断面，率定水面流速系统后，可求得实时流量。该法安装维护方便，特别适用于中小河流、水文巡测等[1]。大尺度粒子图像测量流速时仪器不接触水体，以可视性和稳定性较差、但分布更均匀的天然漂浮物及水面纹理作为水流示踪物(例如植物碎片、泡沫、细小波纹等天然水面漂浮物及水面纹理等)，更具有野外天然河道表面流速流量监测的能力，实现快速测量，适用断面复杂多变的水流特性，提高测验精度和保障人员的安全[2]。

2. 大尺度粒子图像测流系统工作原理

大尺度粒子图像测流系统的基本原理是通过光学方法，获取河流表面运动图像，遵循“所见即所得”的测量理念。采用机器视觉的图像处理方法，对河流表面运动图像进行分析，计算水流表面流速分布。结合河流断面信息，计算河流断面流量信息。视觉测流技术本质上是一种图像分析技术，该技术通过对流体中不同模态与示踪的有效识别，达到一种全场、动态、非接触的测量目标[3]。

图1是技术应用的简单原理图。通过对流场中的跟随性及反光性良好的示踪或河流表面模态的跟踪，在CCD (CMOS)成像设备进行成像。在相邻的两次测量时间t和第二次时间t'，系统对这两幅图像进行互相关分析，就能得到流场内部的二维速度矢量分布，即图2。

PIV测速是基于最直接的流体速度测量方法。在己知的时间间隔Δt内，流场中某一示踪或者模态在二维平面上运动，它在x、y两个方向的位移是时间t的函数。该示踪粒子所在处流体质点的二维速度可以表示为：

$\begin{array}{l}{v}_x=\frac{\text{d}x\left(t\right)}{\text{d}t}\approx \frac{x\left(t+\Delta t\right)-x\left(t\right)}{\Delta t}=\overline{v_x}\\ v_y=\frac{\text{d}y\left(t\right)}{\text{d}t}\approx \frac{y\left(t+\Delta t\right)-y\left(t\right)}{\Delta t}=\overline{v_y}\end{array}$

式中，$v_x$ ，$v_y$ 为流体质点沿x、y方向的瞬时速度，$\overline{v_x}$ ，$\overline{v_y}$ 为流体质点沿x、y方向的平均速度，Δt为测量的时间间隔。

上式中，当Δt足够小时，$\overline{v_x}$ ，$\overline{v_y}$ 的大小可以精确地反映$v_x$ ，$v_y$ 。PIV技术就是通过测量示踪或者模态的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。

图1. PIV原理图

图2. PIV测速原理图

3. 研究区域与系统安装

3.1. 研究区域应用站点概况

试验研究站点设于陆水河崇阳水文站，测验项目有水位、流量、降水量。崇阳(二)站始建于1983年，是大型水库陆水水库上游入库站。集水域面积为2200 km³。为典型的山溪性河流小河站，属国家基本水文站。该站测验断面河段顺直，顺长约800 m，主槽宽约170 m，断面呈U形，较为稳定，测站控制良好。断面主泓居中，流速分布与主泓相应，高水时主泓略有摆动。断面上游700 m处有径流式电站；断面上游300 m、下游120 m、下游900 m处分别建有崇阳公路一桥、三桥、四桥。水位在59.50 m (冻结基面)以上时右岸出现漫滩。当不受下游水库顶托时，Z~Q关系曲线一般为单一线，当顶托较为明显时，Z~Q关系曲线簇左偏并形成绳套[4]。

3.2. 安装位置

大尺度粒子图像测流系统的测验设备布置在崇阳水文站上游约300 m的崇阳一桥上，在崇阳一桥布置了5个摄像头进行水面流速测验，具体情况见图3~5。

图3. 大尺度粒子图像测流系统位置图

图4. 现场照片

图5. 测流点位分布图

4. 系统的应用与分析

4.1. 系统数据采集

由于崇阳站测流断面与大尺度粒子图像测流断面相隔300 m，两个断面面积存在一定差异，由于河段顺直，两者关系近乎固定，分析比较时，其差异可在计算虚流量系数中反映。故此只对流量数据进行比测分析。本文选取同一时间大尺度粒子图像测流系统采集计算的虚流量与流速仪法实测流量进行对比分析。

4.2. 原始资料整理

流速仪法实测流量：在流速仪测流断面上采用缆道流速仪法施测，通过面积流速法推算出断面实测流量。大尺度粒子图像测流系统虚流量：在崇阳公路一桥上布设了5个视频探头，设置了5条测速垂线，每1小时自动测量各垂线的表面流速，并根据水位变幅增加测量次数，通过面积流速法推算出断面虚流量。

4.3. 比测资料分析

2022年1月1日至2023年8月1日，崇阳站流量变幅107~1510 m³/s，水位变幅51.16~54.58 m，同步测流成果35份。将35份实测资料与同时间大尺度粒子图像测流系统采集计算的虚流量进行回归分析，拟合回归方程式。即K = Q/Qf式中，K为流量系数；Q为断面实测流量(流速仪法实测流量)；Qf为断面虚流量(大尺度粒子图像测流虚流量)，断面流量Q和虚流量Qf点绘散点图(见图6)。

图6. 断面流量Q和虚流量Qf点绘散点图

经回归计算，水面流速系数按0.7425，效率系数R² = 0.9946，两者相互关系很好。误差分析表明虚流量乘以该系数后与流速仪实测流量比较，相对误差 ≤ 10%的共30份，占有效测流35份的比例为94.59%；相对误差 ≤ 5%的共22份，占有效测流35份的比例为54.05% (见表1)。系统误差0.8%，标准差6.7%，相对随机不确定度13.4%，满足水文资料整编规范要求[5]。

表1. 图像测流系统与流速仪测流水位一流量关系线比测数据

序号	时间	水位(m)	视频虚流量(m^3/s)	视频流量(m^3/s)	流速仪实测流量(m^3/s)	误差(%)
1	2022年06月03日11时50分	52.32	762	566	517	9.44
2	2022年06月03日15时48分	53.22	1160	861	840	2.54
3	2022年06月03日19时52分	53.02	998	741	728	1.79
4	2022年06月05日06时29分	53.36	1020	757	717	5.63
5	2022年06月05日11时14分	53.10	879	653	635	2.78
6	2022年06月06日16时30分	52.21	282	209	224	−6.52
7	2022年07月05日17时22分	51.90	506	376	350	7.34
8	2022年07月24日12时07分	51.82	360	267	268	−0.26
9	2023年04月14日06时59分	52.58	627	466	479	−2.81
10	2023年04月14日08时40分	51.90	402	298	269	10.96
11	2023年04月14日10时24分	51.96	444	330	331	−0.40
12	2023年04月14日11时40分	51.92	435	323	319	1.25
13	2023年04月14日15时26分	51.70	352	261	252	3.71
14	2023年04月14日16时38分	51.68	338	251	225	11.54
15	2023年04月14日17时42分	51.68	332	247	248	−0.60
16	2023年04月19日10时41分	51.23	150	111	117	−4.81
17	2023年05月05日15时24分	51.22	147	109	114	−4.26
18	2023年05月06日12时10分	51.75	378	281	263	6.72
19	2023年05月06日15时18分	52.09	517	384	393	−2.32
20	2023年05月07日15时55分	51.29	178	132	114	15.93
21	2023年05月17日09时54分	51.18	139	103	107	−3.54
22	2023年05月21日13时58分	51.18	147	109	106	2.97
23	2023年05月21日16时30分	52.68	901	669	644	3.88
24	2023年05月21日17时33分	53.77	1600	1188	1200	−1.00
25	2023年05月21日19时30分	54.58	1950	1448	1510	−4.11
26	2023年05月22日05时26分	52.82	801	595	607	−2.02
27	2023年05月22日06时56分	52.10	424	315	325	−3.13
28	2023年05月22日08时04分	52.40	640	475	481	−1.21
29	2023年05月22日09时30分	52.57	627	466	491	−5.18
30	2023年05月22日11时12分	51.76	262	195	246	−20.92
31	2023年05月22日12时06分	52.12	534	396	382	3.79
32	2023年05月22日15时04分	51.88	350	260	279	−6.85
33	2023年05月22日16时11分	51.88	380	282	278	1.49
34	2023年05月22日18时06分	51.90	370	275	274	0.26
35	2023年05月22日18时42分	51.88	374	278	262	5.99

4.4. 大尺度粒子图像测流系统与流速仪测验方式的比较分析

通过上述数据处理过程及成果，整理出大尺度粒子图像测流系统与流速仪测验方式的比较分析[6]，见表2。

表2. 大尺度粒子图像测流系统与流速仪测验方式的比较分析

	大尺度粒子图像测流系统	流速仪法
原理	视频图像识别、动态测速	机械识别、单点测速
启用时间	21世纪10年代	20世纪40年代
工作时间	实时在线监测	人工现场测验
安装环境	安装在桥梁上	安装在铅鱼或测深杆上，断面较宽较深另需缆道或船只等
作业环境	非接触测量	入水测验
后期维护	简单便捷	到使用时间或次数定期检查
测验范围	捕捉区域流场数据	测验断面垂线数据
数据整理	原始数据为视频数据，可以随时通过 优化算法对测验数据进行还原	前期需断面资料，后期数据处理无法还原现场情况
应用场景	固定断面、中高水流、光线较好的情况下	不受场地光线水流速度限制

4.5. 大尺度粒子图像测流系统的特点

1) 大尺度粒子图像测流系统安装简单，安全可靠、维护成本低、不受泥沙影响等。

2) 原始数据为视频数据，可以随时通过优化算法对测验数据进行还原，便于现场河流流态观察、参数优化调整。

3) 收集大尺度粒子图像测流系统测验有效测流成果约5000份，占全部成果15,000份的比例为33.33%，有效占比低，其因为一是夜间测验精度低，二是低水小流速条件下测验精度不高。

4) 试验测次安排基本涵盖了比测试验期间出现的各种水流流态，试验数据基本能够满足分析的要求，符合规范规定的相应条款。试验期间流量变幅107~1510 m³/s，水位变幅51.16~54.58 m，有效测流成果35份。经回归计算，流速系数按0.7425，R² = 0.9946，虚流量乘以该系数后与流速仪实测流量比较，相对误差 ≤ 10%的共30份，占有效测流35份的比例为94.59%；相对误差 ≤ 5%的共22份，占有效测流35份的比例为54.05%。系统误差0.8%，标准差6.7%，相对随机不确定度13.4%。

5) 可实时在线监测，无人值守。

6) 与流速仪法对比分析，相互关系良好，精度较好。该系统在实际运行中具有较好适用性和可靠性。

5. 结论

大尺度粒子图像测流系统运行情况良好，设备采集数据正常，在线实时监测，无需人力专门操作，与流速仪法对比相互关系良好，精度较高。在高水期白天可以作为常规测流的辅助手段。大尺度粒子图像测流系统在低水小流速条件下测验精度不高，夜间测量计算方法稳定性还需要进一步加强，其应用前景广阔，但在全面推广前还需要持续改进。下一步可以考虑加装辅助照明设备提高夜间测量的精度。在水位流量关系稳定的河流断面进一步验证该系统的稳定性。

NOTES

作者简介：饶淼，出生于1998年7月6日，籍贯：湖北武穴，助理工程师，研究方向为水文与水资源工程，Email: [e-mail]