帧差与快速密集光流结合的图像法测流研究

摘要

图像法测流技术因其简便、高效、安全等优点得到了普遍的关注，开始应用于国内外水文站。目前主流的图像法测流技术主要有大尺度粒子图像测速(large-scale particle image velocimetry,LSPIV)和时空图像测速(spatiotemporal image velocimetry,STIV)等，LSPIV方法采用天然粒子作为示踪物，利用空域互相关法处理图像获得流场矢量，STIV方法根据河流的主流向设定测速线，对视频图像中测速线的灰度进行采样形成时空图像，利用时空图像中的纹理角求得流速。LSPIV方法依赖示踪物的可见性，存在稳定性差等缺点，STIV方法存在对断面流态稳定性要求高和仅能测量1维流速等缺点。本文提出一种结合帧间差分与快速密集光流的分组测流方法（frame difference-fast optical flow using dense inverse search-grouping,FD-DIS-G），利用帧差法计算运动显著性图，通过捕捉细微的水面运动处理河流运动在视频中表现不明显的问题，减少对天然示踪物的依赖，使用快速密集光流法(fast optical flow using dense inverse search,DIS)计算运动显著性图中小块区域之间的密集光流位移，提高流量测量的精度和时效性，有效克服流态不稳定的情况。同时，设计一种分组处理奇异值的方法，提高了算法的整体准确性，增强了算法的稳定性。将流速仪测量得到的垂线平均流速、平均流速以及断面流量作为比测标准，利用水文站所拍得的天然河道水流视频进行比测实验，实验结果表明，相比于目前广泛使用的图像测流方法，本文方法在平均流速和断面流量上的精度有明显的提升，垂线平均流速测量的稳定性有显著的增强且实时性好。

关键词

图像法测流 / 密集光流 / 帧差法