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水 利 学 报

2022 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2022）01-0068-10

基于无人机低空遥感和 OTSU 算法的黑龙江开江流凌密度研究

汪恩良 ，胡胜博 ，韩红卫 ，刘承前 1
1
1，2
1，2
（1. 东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030；
2. 黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030）

摘要：为提高流凌期冰凌变化信息获取的时效性和准确性，本文提出了基于无人机可见光遥感影像和 OTSU 算法
的冰凌变化信息提取方法。以黑龙江漠河段河流断面为研究对象，首先，利用无人机遥感平台获取流凌期的高分
辨率俯拍影像，对比 4 种图像阈值分割法，根据原始冰凌图像的灰度特征，以 OTSU 算法为基础，结合顶帽变化
算法实现冰凌的识别和分割；同时，采用面积除噪法去除部分时间段存在阳光反射导致的误差；最终，基于冰凌
的二值化图像提取冰凌变化信息，并绘制冰凌分布密度随时间变化曲线图。结果表明：OTSU 算法运行速度快，
图像分割精度高，适用于冰凌图像分割领域。期间监测到的冰凌分布密度最大为 81.05%，且在上游发生冰塞
后，从监测结果可以发现冰凌分布密度迅速下降，直至上游冰塞解除，冰凌分布密度回升至 60%，符合现场实际
情况。本文提出的冰凌拍摄及分析方法准确有效，为监测大范围冰凌变化信息提供了新的技术手段。
关键词：无人机；OTSU 算法；流凌分布密度；阈值分割；顶帽变化
中图分类号： P332.8；V279 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210645

1 研究背景

［1］
冬季封河和春季开河阶段，我国北纬 30°以北的河流普遍存在冰情危害 ，随着河流断面冰凌分
布密度的增大，冰凌撞击水工建筑物的概率增大，且大量流凌在特定河段，如河道束窄处、浅滩、
急弯、连续弯道、尚未解冻冰盖的前缘等处受阻，形成冰凌阻水体，往往严重阻塞过水断面，使上
游水位显著壅高，造成凌汛灾害 ［2-3］ 。在冰情严重的年份，春季流凌的撞击会对桥墩等水工建筑物造
成不同程度的破坏，每年国家和沿海各省区都要投入巨大的人力物力和财力专门用于凌汛灾害的预
防和处理，故监测河流断面的冰凌变化信息，掌握冰凌分布密度数据是冰凌灾害预防的关键 ［4-5］ 。
河流断面冰凌分布密度是在指定断面内，冰凌分布面积占河流单位面积的百分比，可以反映出
［6］
河流断面上不同时间冰凌流量的大小，是预测冰凌灾害的重要指标 。目前获得冰凌分布密度常用的
［7］
方法有人工望远镜目估法和卫星遥感监测法：（1）人工望远镜目估法 ，通过人为观测，估算河流断
面冰凌分布密度。这种方式操作简单，但对观测人员要求较高，需要有比较丰富的经验，既要保持
眼睛的健康，也要保持清醒的头脑，但无法对冰凌分布密度进行准确地量化，缺乏客观性；（2）卫星
［8］
遥感监测技术 ，使用卫星拍摄的冰凌图像提取冰凌分布密度，由于卫星遥感方式的时间间隔大，空
间分辨率较低等因素的影响，导致冰凌分布密度监测存在较大误差。国内外学者对海冰分布密度展
开了大量的研究，提出了使用船载摄像机作为观测工具，对航行途径海域的海冰状况进行观测，Mu⁃
［9］
ramoto 等 在 1993 年将摄像技术首次应用到海冰观测的实践中；Hall 等 ［10］ 使用船载摄像设备对海冰进
行观测，基于阈值技术提取海冰分布密度，并使用 SSM/I 的数据进行验证；Worby 等 ［11］ 使用多种卫星

收稿日期：2021-07-16；网络首发时间：2022-01-11
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220110.1250.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（41876213）；“十三五”国家重点研发计划项目（2018YFC0407301)
作者简介：汪恩良（1971-），博士，教授，主要从事冻土及水工建筑物冻害防治技术研究。E-mail：HLJWEL@126.com
通讯作者：韩红卫（1984-），博士，讲师，主要从事冰力学及冰工程研究。E-mail：hanhongwei@neau.edu.cn
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