一种基于塔基视频的自然河流生态流量实时监测方法

本发明涉及生态水文和水利工程，尤其涉及无水文资料地区生态流量获取和水资源管理，具体为一种基于塔基视频的自然河流生态流量实时监测方法。

背景技术：

1、生态流量是河流、湿地或河口区为实现一定目标所提供的水量，自然条件下，生态流量是维护其生态系统的流量；在人类活动影响的条件下，是寻求各种水用途之间的最佳平衡，保持区域可持续发展。生态流量是维系河湖生态系统结构和功能，提升河湖生态系统质量和稳定性的基础。

2、目前，获取长序列且连续的河流流量资料的获取途径主要包括模型计算法和监测法。模型法中包括水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法。

3、水文学法基于河流水文过程，选取多年平均流量的一定比例作为最低生态流量，该方法简单，对于缺乏生态资料地区依据水文数据记录资料可快速获取结果，但是该方法未涉及水文变化生态响应机理。

4、水力学法选择简单的水力参数作为依据，如湿周、最大水深等，采用实测资料和水力学公式建立水力参数和流量之间的关系进而得到生态流量，该方法一定程度上考虑了生物栖息地需求，但是计算水力参数时断面的选取对结果有影响。

5、生境模拟法在水力模型基础上，考虑河流流量变化引起的栖息地变化且与目标物种的栖息地倾向性需求相结合，该法能够明确待定物种生态流量需求，但是此方法非常复杂且仅关注某一物种，对河流生态系统整体缺乏考虑。

6、整体分析法利用历史数据和监测数据，通过统计学分析，通过建立水文-生态响应关系经利益相关方决策后综合确定生态流量阈值，该方法具有较强的科学性和综合性，但是需要大量的生态水文数据。

7、监测法中人工建设水文站开展基础流量观测进而获取生态流量是目前较为直接和常用的方法。然而部分地区受制于气候、崎岖道路及恶劣的地理环境等不利因素，缺乏建立水文站的基础条件，成为广泛存在的水文资料匮乏区，这也导致生态流量获取更加困难。世界范围内广泛存在的中、小型河流，流域面积及河道流量都较小，在此类河流上建立水文站的成本大，是水文资料匮乏区的主体部分，但这些地区河流的中、下游往往存在固定的人类聚集地，人类用水和生态流量之间的矛盾突出。因此，亟需一种更加低成本且有效的方法获取河流生态流量。

8、随着科学技术发展，观测塔因其较好的观测视角越来越多的被用于输电线路监测、沉降观测、水质遥感等。但基于塔基对生态流量的监测还十分缺乏，如何将观测铁塔这种耗费较低且环保的无人观测平台应用到生态流量监测是未来生态保护特别是针对生态保护热点区、核心区的监测是需要解决的问题。

技术实现思路

1、基于现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于塔基视频的自然河流生态流量实时监测方法，攻克自然河流断面高时间分辨率高精度生态流量数据获取难题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

2、一种基于塔基视频的自然河流生态流量实时监测方法，包括以下步骤：

3、步骤一、塔基摄像及传输设备架设：架设铁塔观测平台，基于铁塔观测平台架设智能成像与数据传输传感器系统；架设时确保智能成像与数据传输传感器系统能监测整个断面的河流大断面、水面与陆域交界处；

4、步骤二、智能成像与数据传输传感器系统检测及相关参数获得；

5、步骤三、无人机河道断面测量：根据监测断面位置和智能成像与数据传输传感器系统观测范围，开展无人机野外控制飞行；通过无人机河道断面测量，获取监测断面无人机影像数据，所述无人机影像数据包括带有目标河流断面的河道形状、高程及附近地物信息的图像数据；

6、步骤四、河道断面水下地形测量：野外数据采集与实地测量，获取河道断面水文和水力参数包括水深测量、流速测量、坡降测量和糙率测量数据；

7、步骤五、三维数字河道模型构建及生态流量计算方法生成：对步骤三获得的无人机影像数据进行处理，输出数字表面模型和数字正射影像，获得水面上基础地形数据；结合步骤四获得的河道断面水下地形测量数据，从而将水面以上的高程变化和水下地形进行拟合，合并生成完整的三维数字河道模型；对于每个三维数字河道模型，指定的每个河宽对应着相应的水位、过流面积、水力半径和湿周长；所述过流面积、水力半径和湿周长为流量计算的关键参数，进而获得流量公式计算断面流量，基于三维数字河道模通过流量公式计算断面流量，并构建湿周长-流量之间的关系，如公式(8)所示：

8、

9、其中，q为当河宽为rd时的河流流量，m3/s；n为糙率系数；j为水力梯度；l为监测断面湿周，m；a为过流面积，m2；k为转换常数，可设为1。

10、利用湿周长-流量之间的关系，求取湿周长-流量曲线的曲率，曲率最大的点对应于曲率对流量的倒数为0的点，也就是说曲率对流量的倒数为0的点即曲率最大的点，得到湿周长-流量曲线曲率最大的点对应的流量即为生态流量：

11、

12、其中，r曲为湿周长-流量曲线曲率；q为当河宽为rd时的河流流量，m3/s；l为监测断面湿周，m；

13、步骤六、基于塔基视频的水面宽度提取：

14、6-1基于视频数据的帧影像数据提取与质量检测；

15、6-2水面宽度与水体像元数量间转换系数率定；

16、在视频影像中垂直于监测河道确定监测断面的位置，利用最大似然分类法将监测断面的视频影像划分为水体和非水体两部分，统计获得监测断面中的水体像元数量；最大似然分类法的分类原理为：对于待分类的变量x，首先计算其从属于某个分类类别gi的后验概率，如下式所示：

17、

18、式中，x表示待分类像元，p(gi/x)为待分类像元属于类别gi的条件概率，p(gi)为类别gi的先验概率,p(x)为所有数据中出现该数据x的概率，p(x/gi)为类别gi的正态分布密度(概率密度)函数。由此，待分类像元x在类别gi的条件概率可表示为：

19、

20、式中，si为第i类用地类型可见光三波段的协方差矩阵，μi为地物类别gi的平均向量，n为影像的波段数。然后，根据待分类像元x在各地物类型中的概率，将其归类到概率最大的地物类别中。

21、结合视频影像，在数字正射影像数据中查找监测断面，得到监测断面在数字正射影像数据中的实际距离，率定该监测断面的水面宽度与水体像元数量间的转换系数，如下式所示：

22、f＝w/n                                (12)

23、式中，f为转换系数；w为基于数字正射影像数据获取的监测断面的实际河宽，m；n为监测断面的水体像元数量；

24、在监测河道中以1m为间隔，布设k个监测断面，k为8～15之间的自然数，将k个监测断面率定的转换系数平均值作为整个监测河道的水面宽度与水体像元数量的转换系数，其公式如下所示：

25、

26、式中，f河道为监测河道的水面宽度与水体像元数量的转换系数，fn为第n个监测断面的转换系f；

27、6-3监测河道水面宽度提取：

28、对于新输入的视频影像，通过最大似然法分类并统计影像中k个监测断面的水体像元数量，并基于f河道计算得到监控河道的平均水面宽度，其计算公式如下所示：

29、

30、式中，w河道为监测河道的水面宽度，nn为第n个监测断面的水体像元数。

31、步骤七、生态流量计算与可视化：基于步骤六获得的监测河道的水面宽度及步骤五的生态流量计算方法计算得到生态流量并实现其可视化展示。

32、数据质量检测：

33、基于生态流量计算结果的监测间隔短、数值波动不大的特点，结合统计学中的区间估计，利用置信水平为95％的置信区间生态流量结果进行质量检测，判断是否因为视频影像质量问题而导致了较大的生态流量结果波动，区间估计的公式如下式所示：

34、在95％(a＝0.05)的置信水平下：

35、

36、式中，z0.025正态分布曲线右侧面积为a/2时的z值，z0.975正态分布曲线左侧面积为1-a/2时的z值。那么，即可得到样本均值的置信区间为：

37、

38、应用塔基传感器的数据传输功能，将监测视频、提取的视频影像以及计算得到的流量数据建立vpn通道，将数据接入到后端的显示设备中，即可实时地查看监测河道断面的生态流量大小，以及水位变化、水面宽度变化、生态流量数据变化等回传信息。

39、进一步的，步骤一中，智能成像与数据传输传感器系统具有蓝绿红和热红外成像通道且具备无线传输的功能。

40、进一步的，步骤二中，包括检测视频影像是否能观测监测断面的河流大断面、成像具体范围、成像数据质量、无线传输效果、进行数据存储能力和位置设定并获取摄像头参数，所述摄像头参数包括镜头焦距、摄像头倾斜角、摄像头距地面高度差及像素相关参数。

41、进一步的，步骤二中，对呈像数据质量进行检查；将塔基传感器视频每隔1秒提取一帧监测断面影像，并对相邻两帧影像进行相似度判断，以监测传感器本身是否有移动或晃动，便于后期进行影像处理和质量控制，影像相似度判断通过两幅影像的灰度矩阵计算求解，公式下所示：

42、

43、

44、式中，为第一景影像像元矩阵方差，为相邻第二景影像像元矩阵方差；相邻两景影像之间的协方差；r为相邻两帧影像的相关系数，m和n为灰度矩阵的总行数和总列数，e(i1)为第一景影像灰度矩阵灰度平均值，e(i2)为第二景影像灰度矩阵灰度平均值，i1(i,j)为第一景影像灰度矩阵i行j列的灰度值；i2(i,j)为第二景影像灰度矩阵i行j列的灰度值。

45、进一步的，步骤四中，水深测量采用涉水测量和测船测量，侧深仪器采用声纳；多点流速测量采用表面流速测量方法，每间隔1米测量一个流速值，测量仪器为电波流速仪和转子流速仪；河道坡降采用单站rtk卫星定位测量方法。

46、进一步的，步骤五中，所述流量计算公式如下所示：

47、z＝zint                            (2)

48、

49、

50、rh＝a/l                            (5)

51、

52、q＝v×a                           (7)

53、其中，z为当河宽为rd时的水位，m；zint为水面线与三维数字河道模型交点处的高程，m；a为过流面积，m2；zi和zi+1分别为三维数字河道模型第i个点和第i+1的高程，m；a和b分别为水面线与三维数字河道模型左右交点的点序号；l为湿周长，m；vdi和vdi+1为三维数字河道模型第i个点和第i+1的水平距离，m；rh为当河宽为rd时的水力半径，m；v为当河宽为rd时的河流流速，m/s；k为转换常数，可设为1；n为糙率系数；j为水力梯度；q为当河宽为rd时的河流流量，m3/s；rd为任意河宽数值。

54、进一步的，步骤六中，步骤六中，6-2水面宽度与水体像元数量间转换系数率定中，k为10。

55、本发明的优点和有益效果是：

56、1)本发明耦合智能成像与数据传输传感器系统、无人机和监测设备，构建了适用于获取高频自然河流生态流量的监测方法。

57、2)本发明利用塔基智能成像与数据传输传感器系统获取水面宽度数据，驱动无人机和地面实测得到的三维数字河道模型和生态流量计算公式，计算得到高时间分辨率生态流量数据。

58、3)本发明显著提升现有生态流量监测的时间频率，降低后台运算压力，实现基于生态流量目标的快速数据获取、数据传输和数据可视化。

59、4)本发明降低无资料区河流流量数据获取成本，从仪器设备成上减少资金投入，从方法构成上增加其适用性。