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1、水文监测技术创新赋能数字孪生流域建设武汉大学水利水电学院智慧水利系武汉大学水利水电学院智慧水业研究所陈 华Contents/目 录/智慧水利与数字孪生0 1/水文智能感知技术创新发展0 2/展望0 4/水文智能感知监测应用0 3/PART ONE智慧水利与数字孪生智慧社会与智慧城市 十九大报告中,习近平总书记将“科技强国、质量强国、航天强国、网络强国、交通强国、数字中国、智慧社会”作为加强应用基础研究、实施重大科技项目的最终落脚点。智慧社会是对智慧城市外延的扩充和内涵的提升,更是从顶层设计的角度提出了全新的要求和目标:经济发展 公共服务 社会治理智慧水利/水务智慧社会与人工智能在互联网、物联网
2、、大数据、云计算、区块链和5G等信息技术高速发达的今天,“人工智能”已进入实用与普及阶段,而“人工智能”就是“人工的智慧”,在某些方面的确可以比“人的智慧”更为优越,体现在自动性、集思性、实时性和全面性等各项特性上。智慧社会中的“智慧”:“人工的智慧”还是“人的智慧”?“机器人棋手”完胜全世界最好的“真人棋手”Water cycle&Realistic terrain&River智慧社会与人工智能ChatGPT输入:介绍一下智慧水利的概念,以及中国智慧水利的发展情况ChatGPT回答:智慧水利是指利用新一代信息技术、大数据、人工智能等现代科技手段,对水资源的感知、分析、管理、调度和利智慧水利是
3、指利用新一代信息技术、大数据、人工智能等现代科技手段,对水资源的感知、分析、管理、调度和利用进行全面优化和智能化的水利管理模式。用进行全面优化和智能化的水利管理模式。中国智慧水利的发展已经取得了一定的成果。具体表现在以下几个方面:智慧水文监测智慧水文监测。通过各种水文测站、遥感卫星和无人机等技术手段对水文数据进行实时监测和数据采集,使得水文数据的采集更为全面、精准,为水利管理提供更为精细化的数据支撑。智慧水资源管理智慧水资源管理。通过建立水资源管理信息系统,实现水资源的动态监测、预测、调度和优化配置,提高水资源的利用效率,降低浪费率,实现水资源的可持续利用。智慧水灾管理智慧水灾管理。通过遥感、
4、无人机等技术手段进行水灾现场实时监测,利用大数据分析、人工智能等技术手段进行水灾预警和应急响应,提高水灾管理的效率和精度,保障人民群众的生命财产安全。智慧水务服务智慧水务服务。通过建立水务服务平台,实现水务服务的在线化、智能化和个性化,提供更为便捷的水务服务,满足人民群众的不同需求。总的来说,智慧水利是未来水利行业的重要发展方向未来水利行业的重要发展方向,也是实现水资源可持续利用和保障人民群众生命财产安全水资源可持续利用和保障人民群众生命财产安全的重要保障。因而,用“人工的智慧”部分代替“人的智慧”不仅是可行的,更是可取且意义非凡的。智慧社会与智慧水利很多学者已经指出,“智慧社会”是继农业社会
5、、工业社会和信息社会之后的一个更为高级的社会形态。智慧社会智慧社会与智慧水利“智慧社会”可能是继狩猎社会、农业社会、工业社会之后的第四个社会形态,呈现四大趋势:(1 1)进入由人工智能驱动的自动化时代:人工智能、人机物互联、数字社会(2 2)触发形成一个万亿级的市场生态(3 3)智慧能源、建筑、政务、安防、农业、水利将迎来发展新机遇(4 4)数据价值和数据摩擦并存工程水利(水利1.0)环境水利(水利2.0)资源水利(水利3.0)生态水利(水利4.0)智慧水利(水利5.0)水利是国民经济发展的重要基础设施,智慧水利是水利发展的新阶段、新形态国家信息化发展战略纲要强调:信息化进入全面渗透、跨界统合
6、、加速创新、引领发展的新阶段,数字中国10大数字化应用场景-智慧水利十四五规划和二三五年远景目标规划7大数字经济重点产业云计算大数据物联网工业互联网区块链人工智能虚拟现实和增强现实构建智慧水利体系,以流域为单元提升水情测报和智能调度能力10大数字化应用场景智慧水利2021年,水利部出台关于大力推进智慧水利建设的指导意见智慧水利,水利发展的新阶段、新形态,以科学知识创新作基础,治水实践应用为牵引,信息产业技术装备发展为支撑,人才培养支撑和体系制度创新为保障等。数字化场景数字化场景需求牵引应用至上数字赋能提升能力智慧化模拟智慧化模拟精准化决策精准化决策数字化、网络化、智能化数字化、网络化、智能化预
7、报预警预演预案智慧水利体系算法算据算力智慧水利水文时空大数据是数字孪生流域建设的基础数字底座以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动,对物理流域全要素和水文治理管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟,实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。特性全面感知智能推演精准映射动态可视虚实互动协同演进算据时空特性水文特性算法算力水文监测预报预警预演预案数字化映射智能化模拟精准化决策数 字 孪 生 流 域数字孪生流域智能感知:空天地网一体化监测,发现问题卫星云图雷达雨图遥感影像图对各大门户网站、移动手机端等进行有关雨水情信息监控雨量水位流量视频根据需要进行机动无人机摄影、测
8、量和监控空 基天 基地 基网 基舆情监测无人机数字孪生流域水文现代化建设要求遵循自然规律坚持系统观念“推进水利现代化要从水文现代化开始”强化流域治理管理理念要求建立覆盖全面的“空天地”一体化水文监测体系实现水文全要素、全量程自动监测以水文监测技术创新为实现手段智能感知建立测算一体化水文监测体系监测更高效,测算更精确,实现以流域为单元的全量程无间断监测当前水文监测核心是雨量、水位、流速、流量问题大量站点实测数据连续无间断面状水文数据获取智能感知建立测算一体化水文监测体系多站点监测数据由点及面通过专业模型计算流域任意位置实时及预报水情数据流域任意位置水情推算智能感知PART TWO水文监测技术创新
9、发展水文监测痛难点问题技术创新发展背景技术框架:雨纹二值化图雨滴尺寸统计降雨视频/图像雨滴定位雨滴谱拟合监测降雨监测降雨降雨强度计算降雨强度计算雨纹识别雨量计算视频测雨方法 雨纹识别原理:将降雨视频看做背景和雨纹的线性叠加,根据一定假设,对进行雨纹进行求解其中,,m n t O B R为三阶张量,分别表示观测到的降雨视频、不含雨的干净背景视频和降雨条纹视频图像。求解过程可以抽象为:有三种求解方法:视频测雨方法视频测水位方法视频测流方法 根据不同应用场景适配STIV(时空图像测流法)PTV(粒子跟踪测流法)PIV(粒子图像测流法)LSPIV(大尺度粒子图像测流法)SIFT(动态特征匹配法)OP(
10、光流法)视频测流方法水波纹识别河流表面波纹、涟漪等表面流动特征是跟随河面水流速度平移的,即波纹的移动速度几乎等于河流表面流速。表面线流速计算公式:流速测量视频帧提取纹理图合成梯度计算以STIV为核心,融合其他图像识别测流方法,满足不同场景需求流量计算方法适用于简单场景的流速-面积法表示i测线的表面流速;表示i区间的流速换算系数;取值参照国际标准ISO 748-2000,与河道糙率系数有关,默认取值0.85 非常粗糙 粗糙 正常 光滑 m 1-2 3-4 5-7 8-10 s 0.50-0.67 0.75-0.80 0.83-0.88 0.89-0.91 其中,表示测速线河床底部高程;表示某时刻
11、水面高程;表示任一单元格流体的流速;Q表示测流断面的瞬时流量。iiiAVQi视频监测的特点与优势依托前端摄像头即可在线测流,大幅度降低建站建站、运维运维和测验测验成本低成本低水、中水、高洪水低水、中水、高洪水均可实时在线监测全量程获取长序列长序列数据,得到实时动实时动态态水位流量关系曲线大数据低水低水中水中水高水高水PART THREE水文智能监测技术应用基于图像智能识别技术的水文监测体系视频水文站(入库流量监测)视频水文站(排污量监测)基于N个视频(信息采集端)+2个中心(运维中心、监测中心)提供3端服务 前端:基于专用摄像头与边缘计算盒子、提供数据采集与数据分析服务 用户端:基于软件客户端
12、和手机APP监测系统,提供信息展示和监测预警服务运维端:基于云技术,提供数据分析与远程运维服务基于图像智能识别技术的新型流量测算体系山洪监测支流入河流量监测感潮河段流量监测生态流量监测入库流量监测测算+低成本+高精度+全量程+非接触+全天候+少运维支撑水文监测站点合理布局,保障监测精度、高洪监测安全性、低水监测精确性等,满足全流域全过程的水文监测要求解决复杂场景下水文监测精度不高问题,并实现由点及面全流域无间断水文数据获取基于图像智能识别技术的新型服务体系云计算边缘计算全国视频测流云服务中心大数据人工智能5G打 造 全 周 期 云 端 运 维 服 务N人守1站1人管N站新技术赋能,新模式引领互
13、联网+云端服务模式,高效、专业运营团队远程运维智慧运营服务升级全天候远程化低成本高效率全量程高精度两大转变配置按需定义实时动态更新秒级告警监控故障自动通知买服务买设备全生命周期服务一次性交付1.现代化水文站改造痛难点每个传统水文站至少购买3种不同类型的测流设备,没有任何一种设备能实现流量的全量程测量低水位:转子流速仪中高水位:ADCP超标准洪水位:雷达少数引进的国外自动化设备,但成本高且有信息安全风险、使用条件受限、难以实现实时与全量程监测大多需要人参与,专人值守,全自动化程度不高现代化水文站改造解决方案与应用案例应用案例:贵州省贵阳市所辖25个水文站进行现代化改造全国水文基础设施建设“十四五
14、”规划:基于视频测流方法进行满足“十四五”要求的水文站网建设与现代化水文站改造视频测流技术有效性长江委沌口试验基地测流结果比较起点距(m)转子流速仪(m/s)ADV(m/s)STIV(m/s)1.10.160.070.151.30.210.170.211.50.210.210.211.70.230.200.211.90.230.220.222.10.240.220.222.30.220.210.222.50.210.170.192.70.180.160.172.90.170.180.163.10.140.130.123.30.070.100.123.50.030.010.09流速仪法ADV法测
15、流视频测流表面平均流速(m/s)表面平均流速(m/s)绝对误差(m/s)相对误差表面平均流速(m/s)绝对误差(m/s)相对误差0.180.160.0210.6%0.1800流量(m3/s)流量(m3/s)绝对误差(m3/s)相对误差流量(m3/s)绝对误差(m3/s)相对误差0.090.080.017.9%0.0900小流速试验结果表面流速比测结果对比(小流速)流速流量误差对比分析(小流速)起点距(m)转子流速仪(m/s)ADV(m/s)STIV(m/s)1.10.230.250.281.30.300.260.301.50.330.320.321.70.310.340.321.90.330.
16、310.332.10.320.300.322.30.300.270.302.50.310.270.302.70.320.250.292.90.290.260.253.10.250.250.203.30.160.240.203.50.050.070.14流速仪法ADV法测流视频测流表面平均流速(m/s)表面平均流速(m/s)绝对误差(m/s)相对误差表面平均流速(m/s)绝对误差(m/s)相对误差0.270.260.010.0330.2700流量(m3/s)流量(m3/s)绝对误差(m3/s)相对误差流量(m3/s)绝对误差(m3/s)相对误差0.140.140.010.0420.150.010
17、.014表面流速比测结果对比(大流速)流速流量误差对比分析(大流速)大流速试验结果南水北调中线陶岔渠首水文站ADCP对比试验三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-长委陶岔水文站水文站调度流量:220m/s时差法流量:220.03m/sADCP流量:219.00m/sSTIV法流量:214.24m/s与ADCP法相比较,相对误差-2.2%陶岔测流结果比较三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-长委陶岔水文站比测序列时差法STIV法(表面流速系数0.85)STIV法(表面流速系数0.90)断面流量(m3/s)断面流量(m3/s)绝对误差(m3/s)相对误差断面流量(m
18、3/s)绝对误差(m3/s)相对误差1222.96216.40-6.56-2.94%229.13 6.172.77%2225.02206.13-18.89-8.39%218.25-6.77-3.01%3222.54205.89-16.65-7.48%218.00-4.55-2.04%4220.85209.17-11.69-5.29%221.47 0.620.28%5考虑到该灌区渠道断面非常规整,调整表面流速系数为0.90时,相对测量误差非常的小长江委崇阳水文站试验结果比测时间:2020年5月14日比测方式:转子流速仪、STIV法三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-长委崇阳水文
19、站三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-福建七里街水文站七里街水文站2021年测流结果比较比测时间:2021年5月17日9月20日比测方式:缆道式转子流速仪法、STIV法STIV法实测流量绝对误差 相对误差STIV法实测流量绝对误差相对误差2021/05/18 893.717101549-161-9.42%1622-88-5.16%2021/05/19 894.0119701845-125-6.35%1932-38-1.94%2021/07/01 8100.4394009066-334-3.56%9492920.98%2021/09/09 689.44543532-11-2.0
20、7%557142.53%2021/09/23 1388.41255241-14-5.61%252-3-1.17%2021/09/24 1288.15199190-9-4.43%19900.07%2021/09/26 1188.03176164-12-6.82%172-4-2.44%2021/10/05 1287.4692.288-5-4.91%920-0.43%2021/10/06 1387.59107103-4-3.74%10810.79%表面流速换算系数0.85表面流速换算系数0.89测流时间水位转子流速仪实测流量8889909979899000
21、4000600080001000012000水位(m)流量(m)福建南平七里街水文站测流数据分布情况转子流速仪实测数据视频测流数据(表面流速系数0.89)三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-福建七里街水文站下图为福建省闽江七里街水文站监测的2022年6月17日-22日洪水过程,从图中可以看出,武大Aiflow视频监测的流量数据与七里街实测流量基本上完全吻合,说明在本次洪水期间,武大Aiflow视频测流结果精度高、稳定且可靠。三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-福建武夷山“虚拟水尺”水位实验三 主要研究成果武
22、大AiFlow视频测流产品应用实例-贵阳市水文局贵州省贵阳市各水文站测流结果四川红旗水文站,建于1958年3月,属于大渡河支流防洪控制站红旗站点2022年2月22日08时-4月28日15时水位流量过程曲线:639639.2639.4639.6639.8640640.2640.42022/2/192022/3/112022/3/312022/4/20流量(m/s)水位(m)时间四川乐山红旗站点水位流量过程曲线水位(m)流量(m/s)638.8639639.2639.4639.6639.8640640.2640.4101301501
23、70水位(m)流量(m/s)四川乐山红旗站水位流量曲线视频测流实测数据编号测流时间水文站实测断面流量(m/s)武大AiFlow视频测流产品测量流量(m/s)绝对误差(m/s)相对误差12022/2/13 8:0021.4 20.97 0.43-2.01%22022/2/15 8:0030.1 29.76 0.34-1.12%32022/2/16 8:0032.4 32.15 0.25-0.77%42022/2/17 8:0031.7 31.12 0.58-1.83%52022/2/22 8:0024.7 24.94 0.24 0.98%62022/2/26 8:0023.0 22.85 0.1
24、5-0.63%72022/2/27 8:0023.3 23.32 0.02 0.07%武大AiFlow视频测流产品应用实例-四川红旗水文站安徽黄山三口镇水文站武大AiFlow视频测流产品应用实例-安徽黄山三口镇水文站2.山洪监测痛难点与解决方案国家重大自然灾害监测预警与防范重点专项研发课题.武汉大学采用图像视频识别的水位、流速、流量方法进行山洪监测解决施测风险高和水位解决施测风险高和水位暴涨暴落时测量不准等暴涨暴落时测量不准等问题问题解决测算适用性差,测解决测算适用性差,测量不精准等问题量不精准等问题解决实时性不够,实测解决实时性不够,实测有风险等问题有风险等问题接入视频测流实时视频画接入视频
25、测流实时视频画面和成果数据,实现山洪面和成果数据,实现山洪在线监测、预报、预警、在线监测、预报、预警、预案、预演一体化预案、预演一体化试点应用成果:国家山洪灾害实验基地-河南栾川实验基地2.山洪监测应用案例三 主要研究成果山洪灾害实验基地试点成果展示桦树坪站点7月11日05时-7月12日23时流速/流量过程曲线:0.000.200.400.600.801.001.201.400.005.0010.0015.0020.0025.00水位(m)流量(m3/s)桦树坪水位流量曲线0.03.06.09.012.015.018.021.024.027.030.00.00.51.01.52.02.53.0
26、3.54.04.55.0桦树坪视频测流站点水位流速/流量过程曲线水位(m)平均流速(m/s)流量(m3/s)三 主要研究成果山洪灾害实验基地试点成果展示桦树坪站点7月11日洪峰前后测量部分成果展示编号起点距(m)7月11日9:15水位0.8(m)7月11日10:00水位1.0(m)7月11日 10点45水位1.2(m)7月11日11:30水位1.15(m)7月11日12:15水位1.1(m)7月11日13:00水位1.0(m)流速(m/s)流速(m/s)流速(m/s)流速(m/s)流速(m/s)流速(m/s)10.30.83 0.77 0.97 0.82 1.04 1.09 20.82.21
27、1.96 2.02 0.70 1.23 1.10 31.32.28 1.81 2.02 3.372.36 2.28 41.92.36 2.44 2.08 2.83 2.83 1.9152.32.72 3.72 2.36 3.54 2.28 1.33 62.92.95 2.72 3.22 3.08 2.72 1.72 73.52.95 2.83 2.363.72 2.28 1.9184.0 2.83 3.22 3.22 2.622.21 2.36 94.52.44 2.44 3.22 2.53 2.53 2.02 105.0 2.02 2.62 3.54 2.72 2.62 2.44 115.6
28、1.96 2.72 3.08 2.62 2.02 2.62 126.22.53 2.14 2.62 1.96 2.53 2.36 136.71.81 2.28 2.14 2.622.21 1.72 147.21.4121.96 2.53 1.77 0.95 1.57157.80.54 0.98 0.81 1.04 0.74 0.463灌区量测水解决方案与应用案例采用视频测流方法对灌区渠道水位和流量进行非接触测量,测验精度高、可实时在线监测且几乎不需要后期维护,支撑现代化灌区改造与水资源精细化管理工作安徽淠史杭灌区横排头水文站贵州羊昌河总干渠湖北漳河灌区渠首3.灌区量测水痛难点分布广、站点多监测
29、成本高电网基础设施落后监测精度难以满足精细化管理要求比测时间:2020年11月25日比测方式:水位流量曲线计算法、STIV法水位值:50.09m淠史杭灌区横排头水文站试验结果默认取表面流速系数为0.85时相对测量误差为2.5%。调整表面流速系数为0.87时与测量误差为0。三 主要研究成果武大AiFlow视频测流产品应用实例-安徽淠史杭灌区横排头水文站4.生态流量监测痛难点生态流量监测是开展生态流量保障工作的重要一环4.生态流量监测解决方案基于图像视频识别的生态流量监测在高中低水时期均可监测生态流量全量程成本低,可满足建站数量要求低成本实时在线监测,保证生态流量监测数据的时效性时效性5.生态流量
30、监测应用案例浙江省开化县马金溪流域生态流量监测视频测站视频测站监测站点分布监测站点分布生态流量智能监管系统生态流量智能监管系统5.入库流量监测痛难点区间陆面汇流库面降雨产流回水末端干支流的汇流入库流量组成由于入库流量的特殊性,其真实值难以采用传统测流方法直接监测得到入库流量监测解决方案卫星遥感卫星遥感(空空)雷达雷达(天天)数值产品数值产品(天天)气象站气象站(地地)视频测流干支流的汇入区间陆面汇流多源数据校正与融合库面降雨产流入库流量监测应用案例天生桥一级电站湖北王英水库济宁市泗河流域引滦局大黑汀水库5.复杂流态流量监测痛难点复杂流态下,受回水顶托,水位流量无稳定的对应关系,基于水位流量关系
31、曲线的流量监测方法失去其有效性感潮河道闸坝控制河道干支流交汇口复杂流态流量监测解决方案传统水文测量+视频测流水动力学模型适用于复杂流态的“测+算”新型流量测算技术基于实际监测的水位、表面流速、流量数据,计算断面实时流量获取水动力模型边界断面和验证位置的水位、表面流速及边界断面流量数据,支撑水动力模型参数率定与验证模型的参数率定需要大量的实测数据进行支撑仅依靠监测手段获取流量所需成本过高PART FOUR展望水文监测智能化是水文现代化的核心空间降雨洪水耦合预报系统时空一体化气象水 文 融 合 技 术“视频测流+无人机+卫星遥感”的天空地协同监测技术以流域为单元的测算一体化水情监测体系气象+水文数据的多层次粒度融合模型雨洪耦合预报模型测(满足水文现代化发展要求的水文站网)+算(由点及面全流域无间断水文数据获取)随着无人机与遥感技术随着无人机与遥感技术的成熟,监测仪器(如的成熟,监测仪器(如专用摄像头、高光谱仪专用摄像头、高光谱仪等)的体积日益减小,等)的体积日益减小,机载遥感、卫星遥感与机载遥感、卫星遥感与地面监测协同成为可能地面监测协同成为可能谢谢敬请批评指正