基于图像识别的三峡河段航道水尺智能监测技术可行性探讨

毛玺玺，刘勇

（1.长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443000；2.长江航道工程局有限责任公司，湖北 武汉 430014）

1 引言

三峡通航是长江航运的重要组成部分和长江黄金水道的关键节点，通航环境复杂，助航设施配布密集，船舶密度大，安全敏感度高，具有极其重要的战略、社会和经济价值，三峡河段的通航安全保障能力是影响该河段管理与服务水平乃至整个长江航运生产力发展的重要因素之一。

在通航管理的整个过程中，航道作为航运服务的核心环节，是航运服务可持续发展的必要保证。尺度是航道管理的主责主业，是船舶安全航行的必要保障，也是其合理配载和安全航行的基础。航行水尺是一种用来测量水位高低的工具，在航道水位监控中起着举足轻重的作用。

目前在三峡枢纽河段在通航起控制作用的航段和通航枢纽下游航道已建设20 座固定水尺，连续观测多年水位变化过程，记录相应的下泄流量，分析水位-流量关系，同时布设着大量的视频监控设备，具备建设智能水尺检测的硬件条件。

2 基于图像识别的水尺智能监测技术现状

伴随着5G、大数据、AI 等技术的发展，在水位监测领域，越来越多的危险、枯燥和容易出错的工作被信息化的设备和技术所取代，很多以前需要大量人力才能完成的工作，现在只需要通过信息化的设备和技术就能轻松完成。近年来，在水位测量方面，电子水尺、水井和超声波测量仪的问世，使水位测量工作有了新的发展，为水位监测带来了更多的可能性，随着计算机图像处理技术的发展，利用图像处理技术来替代人眼对重要水域的水位进行测量已经成为一个研究热点。图像处理技术可以实现对水位的快速、准确测量，同时不受环境因素的影响，具有精度高、稳定性强等优点，从而大大提高了水位测量的效率。

3 水尺图像识别技术要点

利用图像识别技术获取航行水尺水位信息中，水尺刻度线提取是核心工作。通过视频监测设备获取水尺图像后，将图像上传至智能分析计算系统。结合对水尺图像的预处理和横向投影，再结合像素特点组成虚拟标尺模块，智能分析计算系统根据所获得的图像像素与虚拟标尺的关系，由其确定实际水面，最后提取水尺刻度，并按照对应的算法得到水尺的水位。

4 智能水尺在三峡枢纽河段建设的必要性

目前，三峡河段共有20 座航行水尺，都是传统水尺，主要通过观测人员现场观读来获取数据，需要工作人员近距离观测，存在以下问题：一是采用人工目测读取水位数据时，难免会存在人为误差；二是要读取的水尺数量多，需要耗费大量的人力物力；三是受到野外恶劣自然环境的影响，观测人员读取水尺时，安全存在一定的隐患；四是人工读取所有水尺需要花费较长时间，不能实时获取水位数据。这种传统的测报方法也严重影响了航道管理向着数字化、智能化方向发展的进程。

随着人工智能技术，计算机视觉技术在信息时代的到来，得到了迅速的发展。图像识别技术是一种重要的非接触测量方法，它能够对摄像头采集到的图像进行自动处理与分析，在监控场景中识别出目标，并对目标进行定位与跟踪，从而达到对目标的分析与判断，为有关人员提供有用的信息。

近几年，人工智能、图像识别等技术已逐渐被运用到水文监测中。借助已有成熟的信息传输技术和图像处理技术，构建出一个可以自动检测水尺的系统，可以实现远程自动获取水位，这样就可以让人力得到解放，节约船艇运行资源，还可以提升测量精度和实时性，还有利于数据资料的保存，这些技术的应用是航道管理智能化、绿色化的有力体现。

5 智能水尺建设路径分析

5.1 梳理三峡河段固定式水尺布设现状

通过资料查询、实地踏勘等方式分析辖区固定式水尺现状，主要对其周边地理环境、摄像设备现状、网络环境、供电设施等进行评估，分析存在的主要问题及短板，研究水尺智能监测系统布设可行性。

5.2 图像识别技术在水尺智能读数的应用

以建立一个能实际投入使用的水尺智能监测系统为目的，深入研究视频帧提取技术、图像识别技术等相关技术的理论与实践，并针对辖区固定式水尺特点进行优化完善，设计出水尺智能监测系统的核心算法。

5.3 选取固定水尺试点应用并校核评估数据

制作成熟的水尺智能监测系统设计方案并联合合作单位选取合适的固定式水尺进行试点应用。深入研究相应规范标准及管理需求，建立数据评估标准，在试运营期间通过比测周围水位站水位数据、人工校核等方式评估本监测技术。

5.4 识别精准度影响因素分析及系统优化

监测试点建设后，对前期校核评估中的异常数据进行分析，判断影响水沫线识别的影响因素，例如典型航道中浪、雾、行船等。针对影响因素提出相应的解决方式，对水尺监测系统进行一定的优化以达到符合管理需求的精准度。

6 结论

有必要综合利用图像识别、视频监控和现代信息技术，开发基于图像识别的水尺智能监测系统，以自动检测代替人工观测的方式实现水位的实时监测，获取及时有效的水位数据，为航道管理部门提供决策信息，保障航道安全畅通。