CN116737989A - 一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，包括城市地表水文监测站网的选择与分类、地表水文监测站网观测要素确定、水文观测要素视频图像识别计算和水文资料整理整编等步骤。通过本发明，可极大地提高城市水文监测站网的密度，为城市防洪排涝、水资源管理和工程设计提供准确及时的水雨情信息。

Description

一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法
技术领域
本发明涉及水文技术领域，尤其涉及一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法。
背景技术
城市水文实时数据是城市防洪排涝、水资源管理、工程设计的基础。我国城市均设立了大量的地面雨量站、河沟水文站，部分城市还布置了测雨雷达。
然而由于地面雨量站、水文站受基建经费等的影响不可能无限密集，道路、桥涵等又不便于设立实体水文站，导致实时水雨情数据无法满足城市防洪排涝等需求。充分利用城市交通、公共安全、灾害监测等视频监视网络，提高城市水文监测网密度，是一种可行的途径。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，解决了城市水文站网密度。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，包括如下步骤：
S1、城市地表水文监测站网的选择与分类；通过分析城市道路、河沟水系的水流拓扑结构，结合城市视频图像监测网布置，选择主要水流通道、重要汇聚点、桥涵隧道口位置，分类建立虚拟水文站；
S2、地表水文监测站网观测要素确定：根据虚拟水文站的类型，分析不同地形条件、水流特性，确定虚拟水文站的观测要素；
S3、水文观测要素视频图像识别计算：将观测要素视频监测软件，安装于选定的城市虚拟水文站视频监测点，开展各观测要素的实时监测，并同步计算降水、水位、流量的水文过程；
S4、水文资料整理和整编：将实时计算水文过程，进行水文资料整理和整编。
进一步，所述S1中的水流拓扑结构，包括沿道路、河沟、坡地行进的水流路线图。
进一步，所述S1中的城市视频图像监测网，包括用于城市交通、公共安全、灾害监测的各种不同视频监测点构成的网络。
进一步，所述S1中的虚拟水文站，指不进行水文站地面基本建设，将视频图像照射处视为水文站，包括降水站、道路水流站、河沟水文站、桥涵水位站。
进一步，所述S2中的观测要素，包括降水、水位、流速。
进一步，所述S3中的实时计算降水过程，包括基于光散射、图像采集、光强衰减的方法计算的降水过程。
进一步，所述S3中的实时计算水位过程，包括基于水尺、水高和水宽识别的方法计算的水位或水深过程；
其中，推导用于借助参照物的无水尺桥函水深计算公式：
其中，Zt测时桥涵水位；ZT桥涵顶部高程，由设计资料提供；ZB桥涵底部高程，由设计资料提供；L视频安装点至桥涵的水平距离；N桥涵顶部至底部参照物视频像素；n从桥涵顶部至水面参照物视频像素；β视频安装点与桥涵底部的水平夹角；α视频安装点与桥涵顶部的水平夹角。
进一步，所述S3中的实时计算流程过程，包括基于粒子图像识别、光流法和水力因子的流速监测或水力学公式计算的流量过程；
其中，推导用于道路流量计算公式：
其中，V为视频测量流速，单位m/s，由基于粒子图像识别、光流法测量；B为视频测量水面宽，单位m；n为糙率；Sx、Sy为道路横、纵比降，由道路设计资料推求；k为流速改正系数，通过与水面宽的关系确定。
进一步，所述S4中的水文资料整理和整编，指按相关规范、标准、约定规程，将实时水文过程整理成时段整编数据，包括小时、日、月、年。
本发明的有益效果为：极大地提高城市水文监测站网的密度，为城市防洪排涝、水资源管理和工程设计提供准确及时的水雨情信息；极大地减少水文站基本建设投资。
附图说明
图1为本发明一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，包括如下步骤：
S1、城市地表水文监测站网的选择与分类；通过分析城市道路、河沟水系的水流拓扑结构，结合城市视频图像监测网布置，选择主要水流通道、重要汇聚点、桥涵隧道口位置，分类建立虚拟水文站；
S2、地表水文监测站网观测要素确定：根据虚拟水文站的类型，分析不同地形条件、水流特性，确定虚拟水文站的观测要素；
S3、水文观测要素视频图像识别计算：将观测要素视频监测软件，安装于选定的城市虚拟水文站视频监测点，开展各观测要素的实时监测，并同步计算降水、水位、流量的水文过程；
S4、水文资料整理和整编：将实时计算水文过程，进行水文资料整理和整编。
所述S1中的水流拓扑结构，包括沿道路、河沟、坡地行进的水流路线图。
所述S1中的城市视频图像监测网，包括用于城市交通、公共安全、灾害监测的各种不同视频监测点构成的网络。
所述S1中的虚拟水文站，指不进行水文站地面基本建设，将视频图像照射处视为水文站，包括降水站、道路水流站、河沟水文站、桥涵水位站。
所述S2中的观测要素，包括降水、水位、流速。
所述S3中的实时计算降水过程，包括基于光散射、图像采集、光强衰减的方法计算的降水过程。
所述S3中的实时计算水位过程，包括基于水尺、水高和水宽识别的方法计算的水位或水深过程；
其中，推导用于借助参照物的无水尺桥函水深计算公式：
其中，Zt测时桥涵水位；ZT桥涵顶部高程，由设计资料提供；ZB桥涵底部高程，由设计资料提供；L视频安装点至桥涵的水平距离；N桥涵顶部至底部参照物视频像素；n从桥涵顶部至水面参照物视频像素；β视频安装点与桥涵底部的水平夹角；α视频安装点与桥涵顶部的水平夹角。
所述S3中的实时计算流程过程，包括基于粒子图像识别、光流法和水力因子的流速监测或水力学公式计算的流量过程；
其中，推导用于道路流量计算公式：
其中，V为视频测量流速，单位m/s，由基于粒子图像识别、光流法测量；B为视频测量水面宽，单位m；n为糙率；Sx、Sy为道路横、纵比降，由道路设计资料推求；k为流速改正系数，通过与水面宽的关系确定。
所述S4中的水文资料整理和整编，指按相关规范、标准、约定规程，将实时水文过程整理成时段整编数据，包括小时、日、月、年。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。

Claims (9)

1.一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、城市地表水文监测站网的选择与分类；通过分析城市道路、河沟水系的水流拓扑结构，结合城市视频图像监测网布置，选择主要水流通道、重要汇聚点、桥涵隧道口位置，分类建立虚拟水文站；
S2、地表水文监测站网观测要素确定：根据虚拟水文站的类型，分析不同地形条件、水流特性，确定虚拟水文站的观测要素；
S3、水文观测要素视频图像识别计算：将观测要素视频监测软件，安装于选定的城市虚拟水文站视频监测点，开展各观测要素的实时监测，并同步计算降水、水位、流量的水文过程；
S4、水文资料整理和整编：将实时计算水文过程，进行水文资料整理和整编。
2.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S1中的水流拓扑结构，包括沿道路、河沟、坡地行进的水流路线图。
3.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S1中的城市视频图像监测网，包括用于城市交通、公共安全、灾害监测的各种不同视频监测点构成的网络。
4.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S1中的虚拟水文站，指不进行水文站地面基本建设，将视频图像照射处视为水文站，包括降水站、道路水流站、河沟水文站、桥涵水位站。
5.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S2中的观测要素，包括降水、水位、流速。
6.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S3中的实时计算降水过程，包括基于光散射、图像采集、光强衰减的方法计算的降水过程。
7.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S3中的实时计算水位过程，包括基于水尺、水高和水宽识别的方法计算的水位或水深过程；
其中，推导用于借助参照物的无水尺桥函水深计算公式：
(基于视频安装参数)
(基于桥隧设计参数)
其中，Zt测时桥涵水位；ZT桥涵顶部高程，由设计资料提供；ZB桥涵底部高程，由设计资料提供；L视频安装点至桥涵的水平距离；N桥涵顶部至底部参照物视频像素；n从桥涵顶部至水面参照物视频像素；β视频安装点与桥涵底部的水平夹角；α视频安装点与桥涵顶部的水平夹角。
8.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S3中的实时计算流程过程，包括基于粒子图像识别、光流法和水力因子的流速监测或水力学公式计算的流量过程；
其中，推导用于道路流量计算公式：
(基于视频测量水面宽)
(基于视频测量水面宽和流速)
其中，V为视频测量流速，单位m/s，由基于粒子图像识别、光流法测量；B为视频测量水面宽，单位m；n为糙率；Sx、Sy为道路横、纵比降，由道路设计资料推求；k为流速改正系数，通过与水面宽的关系确定。
9.根据权利要求1所述的一种基于视频图像的城市地表水文监测网构建方法，其特征在于：所述S4中的水文资料整理和整编，指按相关规范、标准、约定规程，将实时水文过程整理成时段整编数据，包括小时、日、月、年。
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