九條嶺水文站AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)與人工觀測水位比測分析

梁 捷

（甘肅省武威水文水資料勘測局，甘肅 武威 733000）

1 AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)簡介

AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)是一套利用智能化攝像頭，采用計算機(jī)圖像處理識別技術(shù)和深度學(xué)習(xí)模型，依托海量的、高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，為防汛減災(zāi)、水情信息采集提供一套完整的解決方案。

該系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的水位測量方式，采用AI技術(shù)自動處理視頻、圖像文件，通過對視頻、圖像的處理、分析和理解，實(shí)現(xiàn)水位智能識別和分析，提供了包括自動監(jiān)視、閾值設(shè)置、自動判斷多水尺識別和智能告警等服務(wù)。

AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)采用了定時識別和根據(jù)水位變幅加測識別相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)時水位識別。九條嶺水文站基本水尺斷面布設(shè)多支水尺監(jiān)測水位，該系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前圖像中水位情況自動切換水尺識別水位。系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)監(jiān)控管理軟件平臺，可利用網(wǎng)頁、手機(jī)APP 進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢，并能以Excel 文件導(dǎo)出水位數(shù)據(jù)。

2 AI 智能圖像識別水位與人工觀測水位比測分析

為保證AI 智能圖像識別水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50138-2010）》規(guī)定，巡測隊成員對AI 智能圖像識別水位與人工觀測水位進(jìn)行了比測，對比測過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了整改。

2.1 比測方法

根據(jù)水位觀測標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50138-2010），計算綜合不確定度，判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)6.2.3 比測結(jié)果應(yīng)符合下列規(guī)定：

一般水位站，置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1cm；波浪問題突出的近海地區(qū)水位站，綜合不確定度可放寬至±5cm。

計算方法：

1）E.0.3 水位觀測總隨機(jī)不確定度和總系統(tǒng)不確定度分別按照下式計算：

（1）當(dāng)水位觀測隨機(jī)誤差有相互獨(dú)立的若干項E′1、E′2……E′n時，水位觀測總隨機(jī)不確定度按下式計算：

式中：X′1、X′2、……X′n—E′1、E′2……E′n的各單項隨機(jī)不確定度。

（2）當(dāng)水位觀測的不定系統(tǒng)誤差有相互獨(dú)立若干項E′′1、E′′2……E′′時，水位觀測總系統(tǒng)不確定度應(yīng)按下式計算：

式中：X′′1、X′′2、……X′′n—E′′1、E′′2……E′′n、的各單項系統(tǒng)隨機(jī)不確定度。

2）E.0.6 采用自動監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測水位時，其不確定度需按下列方法計算：

（1）系統(tǒng)不確定度按下式計算：

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(jī)不確定度按下式計算：

（3）綜合不確定度應(yīng)按下式計算：

2.2 第一階段比測

2.2.1 比測過程

首先分別對6 月、7 月AI 智能圖像識別水位與人工觀測水位進(jìn)行了比測。AI 智能圖像識別水位按6 段制挑選出與人工觀測水位相對應(yīng)的時間段次（水位對比過程線如圖1、圖2 所示）。

圖1 6 月AI 智能識別水位與人工觀測水位對比

圖2 7 月AI 智能識別水位與人工觀測水位對比

第一階段比測結(jié)果(見表1）。

表1 第一階段比測結(jié)果

2.2.2 第一階段比測結(jié)論

通過計算，6 月、7 月綜合不確定度均超出3cm，不符合規(guī)定。

2.2.3 原因分析

通過6 月、7 月AI 智能圖像識別水位與人工觀測水位對比圖，可以看出AI 智能圖像識別水位整體高于人工觀測水位。從網(wǎng)頁中調(diào)取AI 智能識別水位圖片可以看出，水尺雍水及波浪是產(chǎn)生誤差的主要原因。

AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)首選靠近河心水尺進(jìn)行識別，水尺完全淹沒后才會選取上一支水尺進(jìn)行識別。由于河心流速較大，產(chǎn)生的雍水及波浪的問題同樣較大。

2.2.4 解決方案

對每支水尺設(shè)置最高觀測水位，解決系統(tǒng)識別水尺完全被淹沒后才會選取上一支水尺進(jìn)行識別的弊端。通過計算分析，對九條嶺水文站基本水尺斷面每支水尺設(shè)置了最高讀數(shù)（見表2）。

表2 水尺最高讀數(shù)統(tǒng)計表

經(jīng)與廠家技術(shù)人員溝通后，此方案可以實(shí)施。

2.3 第二階段比測

2.3.1 比測過程

對AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)按照方案整改后，我們對8 月18 日至9 月18 日的智能圖像識別水位與人工觀測水位再次進(jìn)行了比測（水位對比過程線如圖3 所示）。

圖3 8 月18 日～9 月18 日AI 智能識別水位與人工觀測水位對比

第二階段比測結(jié)果(見表3）：

表3 水尺最高讀數(shù)統(tǒng)計表

2.3.2 第二階段比測結(jié)論

通過8 月18 日至9 月18 日智能圖像識別水位與人工觀測水位對比圖，可以看出AI 智能圖像識別水位和人工觀測水位過程一致。經(jīng)計算，綜合不確定度未超出3cm，符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138-2010）規(guī)定。

3 結(jié)論

通過對九條嶺水文站AI 智能水位圖像識別系統(tǒng)的比測與分析，得出此系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。建議在其他水文站安裝運(yùn)行，為水文巡測工作提供保障。