基于圖像識(shí)別的三峽河段航道水尺智能監(jiān)測(cè)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(zé)任公司，湖北 武漢 430014）

1 引言

三峽通航是長江航運(yùn)的重要組成部分和長江黃金水道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通航環(huán)境復(fù)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(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(gè)長江航運(yùn)生產(chǎn)力發(fā)展的重要因素之一。

在通航管理的整個(gè)過程中，航道作為航運(yùn)服務(wù)的核心環(huán)節(jié)，是航運(yùn)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(zé)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(cè)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(cè)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(shí)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(cè)的硬件條件。

2 基于圖像識(shí)別的水尺智能監(jiān)測(cè)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(cè)領(lǐng)域，越來越多的危險(xiǎn)、枯燥和容易出錯(cuò)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(cè)量方面，電子水尺、水井和超聲波測(cè)量儀的問世，使水位測(cè)量工作有了新的發(fā)展，為水位監(jiān)測(cè)帶來了更多的可能性，隨著計(jì)算機(jī)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(duì)重要水域的水位進(jìn)行測(cè)量已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。圖像處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的快速、準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)不受環(huán)境因素的影響，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高了水位測(cè)量的效率。

3 水尺圖像識(shí)別技術(shù)要點(diǎn)

利用圖像識(shí)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(cè)設(shè)備獲取水尺圖像后，將圖像上傳至智能分析計(jì)算系統(tǒng)。結(jié)合對(duì)水尺圖像的預(yù)處理和橫向投影，再結(jié)合像素特點(diǎn)組成虛擬標(biāo)尺模塊，智能分析計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)所獲得的圖像像素與虛擬標(biāo)尺的關(guān)系，由其確定實(shí)際水面，最后提取水尺刻度，并按照對(duì)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(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)觀讀來獲取數(shù)據(jù)，需要工作人員近距離觀測(cè)，存在以下問題：一是采用人工目測(cè)讀取水位數(shù)據(jù)時(shí)，難免會(huì)存在人為誤差；二是要讀取的水尺數(shù)量多，需要耗費(fèi)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(cè)人員讀取水尺時(shí)，安全存在一定的隱患；四是人工讀取所有水尺需要花費(fèi)較長時(shí)間，不能實(shí)時(shí)獲取水位數(shù)據(jù)。這種傳統(tǒng)的測(cè)報(bào)方法也嚴(yán)重影響了航道管理向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的進(jìn)程。

隨著人工智能技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在信息時(shí)代的到來，得到了迅速的發(fā)展。圖像識(shí)別技術(shù)是一種重要的非接觸測(cè)量方法，它能夠?qū)z像頭采集到的圖像進(jìn)行自動(dòng)處理與分析，在監(jiān)控場(chǎng)景中識(shí)別出目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位與跟蹤，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)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(shí)別等技術(shù)已逐漸被運(yùn)用到水文監(jiān)測(cè)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(gè)可以自動(dòng)檢測(cè)水尺的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)獲取水位，這樣就可以讓人力得到解放，節(jié)約船艇運(yùn)行資源，還可以提升測(cè)量精度和實(shí)時(shí)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(shí)地踏勘等方式分析轄區(qū)固定式水尺現(xiàn)狀，主要對(duì)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(jìn)行評(píng)估，分析存在的主要問題及短板，研究水尺智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)可行性。

5.2 圖像識(shí)別技術(shù)在水尺智能讀數(shù)的應(yīng)用

以建立一個(gè)能實(shí)際投入使用的水尺智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為目的，深入研究視頻幀提取技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的理論與實(shí)踐，并針對(duì)轄區(qū)固定式水尺特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化完善，設(shè)計(jì)出水尺智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心算法。

5.3 選取固定水尺試點(diǎn)應(yīng)用并校核評(píng)估數(shù)據(jù)

制作成熟的水尺智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并聯(lián)合合作單位選取合適的固定式水尺進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。深入研究相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及管理需求，建立數(shù)據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，在試運(yùn)營期間通過比測(cè)周圍水位站水位數(shù)據(jù)、人工校核等方式評(píng)估本監(jiān)測(cè)技術(shù)。

5.4 識(shí)別精準(zhǔn)度影響因素分析及系統(tǒng)優(yōu)化

監(jiān)測(cè)試點(diǎn)建設(shè)后，對(duì)前期校核評(píng)估中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷影響水沫線識(shí)別的影響因素，例如典型航道中浪、霧、行船等。針對(duì)影響因素提出相應(yīng)的解決方式，對(duì)水尺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化以達(dá)到符合管理需求的精準(zhǔn)度。

6 結(jié)論

有必要綜合利用圖像識(shí)別、視頻監(jiān)控和現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)基于圖像識(shí)別的水尺智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以自動(dòng)檢測(cè)代替人工觀測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取及時(shí)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。