基于深度学习的视频观测潮位技术研究——以厦门高崎码头为例

近岸潮位观测是海洋工程应用、海岸防灾减灾、海岸带管理以及海洋有关科研工作中最基础的工作之一。文章基于视频图像深度学习的方法,使用YOLOv5目标检测算法从安装在近岸的固定摄像机拍摄的视频帧中提取潮汐水位特征进行潮位分析。研究采用厦门高崎码头的分辨率为1920×1080的高清摄像头2023年2月的影像数据作为训练集和验证集,2023年3月的影像数据作为测试集,利用岸边验潮井逐时潮位数据进行标注,采用YOLOv5目标检测算法来训练。计算结果显示,通过视频观测潮位在训练集和测试集上的误差分别为3.9cm和5.3cm。视频中1个像素点代表3.8cm,因此潮位观测的平均误差为像素级。研究表明在近岸通过高清摄像头基于图像深度学习进行潮位观测的方法是可行的,观测精度取决于图像目标物的分辨率。

变化环境下的钱塘江河口潮位特性及其影响因素

利用钱塘江河口沿程的闸口、七堡、仓前、盐官、澉浦和乍浦等7个潮位站的实测资料,分析了1953～2007年各站年最高潮位、年平均高潮位、年平均低潮位的不同变化特性,并对主要的影响因素进行了分析。线性拟合结果表明,自20世纪50年代以来,钱塘江河口沿程各潮位站年最高潮位抬升幅度达0.57～1.05m,其中七堡站年最高潮位抬升值最大;年最高潮位显著抬升的时间主要发生在20世纪90年代后,该时段年最高潮位抬升值占年最高潮位总抬升值的70.5%～92.6%,极值潮位出现频率显著增加。分析表明,1990年后钱塘江围垦面积仅占总围垦面积的21.6%,因此河口围垦不是造成年最高潮位抬升的唯一因素,而影响浙江的台风频次增多及围垦造成的潮波反射加剧是造成高潮位抬升的主要原因。钱塘江河口年平均高潮位的沿程变化出现趋势性的抬升现象,各站年平均高潮位抬高幅度接近,为0.43～0.49m,但不同潮位站因与围垦河段的相对位置不同,年平均高潮位抬升的历史过程存在明显差异。河口下游段的澉浦、乍浦站年平均高潮位呈现单一的抬升趋势,且与河口逐年累计围垦面积存在很好的相关关系(相关系数大于0.95);而河口上游段的闸口—盐官河段则以1970年为界,年平均高潮位明显有两次抬升过程,受围涂进程影响的机制比较复杂。钱塘江河口年平均低潮位多年来维持在一个相对稳定的水平上,但沿程年际间平均低潮位的变化却不相同。河口上游段的潮位站受径流丰枯及其引起的江道冲淤影响,年平均低潮位年代际呈现出波动的特性;澉浦以下的潮位站年平均低潮位受潮汐控制为主,年代际变化幅度甚微。钱塘江河口不同河段因受径流、潮流、治江围垦等因素的影响程度不同,其潮位特征值沿程的变化特点也不同,需要在河口工程设计、防洪减灾与河口治理等方面引起重视。

滨海城市雨潮遭遇联合分布模拟与设计

滨海城市河流常常遭受暴雨和潮汐顶托双重影响导致洪涝灾害,需要重视雨潮遭遇联合分布模拟与设计。以深圳市西乡河为例,采用年最大值法(AM)和超定量序列法(POT)两种选样方法,基于Copula方法模拟24 h暴雨遭遇日高潮位的联合分布特征,对比雨潮遭遇传统重现期和二次重现期差异,根据同频法和权函数法反推计算雨潮设计组合值。结果表明:雨潮边缘分布最优模型均为广义正态分布(GNO),不同选样方法雨量分布模型参数差异明显。雨潮之间呈现较弱的正相依性,Archimedean Copulas均能较好地模拟雨潮遭遇联合分布特征,最优模型为Gumbel-Hougaard Copula。同频法反推雨潮设计组合值,二次重现期雨量和潮位均大于传统联合重现期,POT选样的潮位大于AM。权函数法选出的雨潮设计组合值,偏重于较高的潮位,雨量设计值较小。当明确了选样方法、联合分布模型和重现期类型,给定联合重现期的雨潮设计组合值是个此消彼长的过程,若选择较大的雨量设计值,则潮位值变小,反之亦然。从防洪潮设计安全角度考虑,POT选样方法及二次重现期设计更为安全。

乘潮潮位的理论分布探讨

中国《海港水文规范》在确定港口工程设计潮位时,采用手绘累积频率曲线,再摘取设计潮位值的方法,由于缺乏理论曲线,确定的数值存在任意性。本文将改进最大熵分布应用于海岸港的设计高、低潮位的推算,计算精度高,克服了传统方法推算设计潮位值的不足,有重要理论与工程意义。

基于Copula函数的设计潮位过程要素组合风险分析

现行推求设计潮位过程大多采用高潮位与潮差同频率放大的方法,未考虑到二者遭遇可能性的大小。采用G-H Copula函数建立了年最高潮位和相应潮差的二维联合分布模型,通过组合风险分析法研究了设计高潮位和设计潮差的组合风险率。以天津港多年实测资料计算分析为例,结果表明:较大重现期的高潮位和潮差同时发生的概率较小,50年一遇高潮位与50年一遇潮差组合的风险率仅为0.05%,同频率设计偏安全,可依据组合风险率适当降低潮差设计标准。所采用的联合分布模型及其应用,在定量分析基础上为设计潮位过程的推求提供了一种新方法。

基于联合分布的珠江口设计潮位过程线方法研究

针对同倍比方法与同频率方法推求设计潮位过程线中的局限性,采用4种边际分布函数对珠江口年最高潮位与年最大潮差序列进行拟合的基础上,选取4种不同的二维Archimedean Copula函数建立珠江口年最高潮位与年最大潮差的联合分布,并分析了高潮位重现期与潮位过程同现重现期的线性关系。结果表明:高潮位与潮差的同现重现期总是大于相应边际分布的重现期,并且随着边际分布重现期的增大,同现重现期增幅也越大,说明较高重现期的高潮位与潮差同时发生的可能性很小;基于高潮位重现期与潮位过程同现重现期的线性关系,采用基于联合分布的方法推求珠江口潮位过程线,推求结果较同频率法更为合理。

唐山丰南海域潮汐特征分析

基于唐山丰南海域三个潮位观测站的周年实测数据,对该海域的潮汐性质、潮位特征值、理论最低潮面、平均海平面、设计高低水位等进行分析计算。结果表明:该海域的潮汐性质属不正规半日潮,三个观测站的年平均潮差分别为234 cm、224 cm、209 cm,各站最高潮位、最低潮位等特征值的出现时刻基本一致,涨潮历时均小于落潮历时,从近岸到离岸的涨落潮历时差逐渐减小;三个观测站的月平均海平面变化趋势基本一致,三个观测站的理论最低潮面分别位于平均海平面下245 cm、238 cm、228 cm;三个观测站的设计高水位分别为205 cm、203 cm、195 cm,设计低水位分别为-135 cm、-129 cm、-120 cm。

乐清湾潮汐时空分布特征

利用乐清湾3个潮位站多年长期观测资料,分析了乐清湾海域潮汐特征值、平均海平面、高潮位的分布特征。分析结果表明:乐清湾海域潮汐呈现明显的时空分布特征:自湾口至湾顶,浅海效应逐渐增强,平均海平面先减小后增大,高潮位值随着深入湾顶依次递增;平均海平面年内分布表现为驼峰特征,主峰出现在秋汛9月份邻近时段,次峰则出现在6月份左右;3个测站相同月份累年月极值出现分别为同一系统影响所致,且相关性较好,这对于在江厦站潮位资料获取受限的情况下,做好乐清湾顶风暴潮预警报发布工作具有重大意义。

海上风电及潮汐电站海洋水文设计浅析

海洋水文为海洋工程规划、设计、施工、管理、运行、决策提供水文依据。海洋水文设计有关参数影响到建筑物类型的选择和结构计算,也影响工程的安全、运行、投资和效益。结合海上风电及潮汐电站水文设计方面的实践,对有关水文设计内涵和水文设计参数对工程的影响,以及设计需要注意的问题进行了分析和总结。

围垦工程群对杭州湾南岸累积水动力影响分析

以杭州湾南岸为研究对象,分别建立1997年、2007年和2015年杭州湾海域二维水动力数值模型,计算并对比各年份水动力场。从高潮位、漫滩流和流速大小三个角度来分析杭州湾大范围、累积的围垦工程对杭州湾南岸的影响。结果显示,特征点高潮位均有不同程度的抬升,自西往东呈降低趋势;围垦工程导致杭州湾南岸漫滩流特性有所减弱;大部分南岸近岸海域涨、落急流速均有不同程度的降低,并且南岸近岸海域涨急流速有较为明显的累积效应。

感潮河段泖甸站高潮位预报方法研究

在分析泖甸站高潮位影响因素的基础上,采用统计法建立了泖甸站高潮位逐步回归和多元门限回归预报模型。实例应用结果表明,与逐步回归模型相比,多元门限回归预报模型精度高、速度快、简便实用、模拟和预报的效果更好,结合BP神经网络方法进行修正预报可大幅提高预报精度,为青浦区进行科学的防洪决策提供了可靠依据。

大连太平湾海域潮位特征分析

根据太平湾海域实测潮位资料,对该海域的潮汐性质、潮位特征值、理论最低潮面、平均海平面、设计高水位、设计低水位等进行了分析计算。结果表明:太平湾海区的潮汐属不正规半日混合潮性质,日潮不等现象明显;平均海平面在国家85基面下0.05 m,理论最低潮面在国家85基面下1.70 m;设计高水位1.62 m,设计低水位-1.36 m(国家85基面)。

宁波沿海设计高潮位分析及查算图绘制

选取宁波沿海16个潮位站作为代表站,采用年最高潮位极值Ⅰ型分布法、年最高潮位P-Ⅲ型分布法、极值同步差比法、高潮同步相关法四种方法进行频率计算,根据计算结果绘制不同海域设计高潮位查算图,为宁波市沿海地区工程建设提供参考和依据,也便于查求无资料地区的设计高潮位。

瓯江口及东部海区潮差沿程变化分析

利用瓯江河口及东部近岸海区11个验潮站的实测大潮和小潮潮位过程进行统计,并探讨了潮波由外海向瓯江河口及上游传播过程中潮差的沿程变化。结果表明,受水下地形摩阻、岛屿阻隔及岸线束窄作用,潮波由外海向河口内传播过程中,潮差逐渐减小,且低潮位逐渐抬高;同时,越靠近河口及上游,潮差沿程变化越为显著。

基于Copula函数的瓯江设计潮位过程研究

在推求设计潮位过程中,同频率法因高潮位与潮差为独立分布的假定存在主观性和随意性。针对这一问题,以瓯江为研究对象,根据温州站1970—2018年的潮位,利用Copula函数构建年最高潮位和同期潮差的二元联合分布,分析不同频率高潮位和潮差的组合风险,构造给定频率设计高潮位下,条件最可能潮差模型,并首次利用遗传算法求解,然后按高潮位和条件最可能潮差组合双重控制求得设计潮位过程线。结果表明:瓯江高潮位与潮差不具备同频率的特性,低频率的高潮位与高频率的潮差遭遇概率更高;应用遗传算法求解的条件最可能模型是可行的。2~200 a重现期的设计高潮位下,条件最可能潮差为1.90~2.34 a一遇,基于该方法推求的设计潮位过程线较同频率法统计基础更强、更合理,用于防洪排涝工程设计计算安全裕度更大。

海燕台风与冷高压共同作用对温台沿海潮位的影响及成因探讨

2001年10月产生的台风海燕引起了温台沿海较高潮位。本文通过对台风与冷高压共同作用机制的探讨,主要从沿海梯度风的变化分析这次风暴潮造成的高水位,从而为秋季冷空气影响期间的风暴潮预报积累经验。

高标准海堤潮位与波浪设计标准组合研究

针对高标准海堤设计波浪是否应采用与设计潮位相同重现期的问题,结合三门县洋市涂围垦工程实例分析不同潮位与波浪设计标准组合下海堤的经济性,并分析实测潮位与波浪遭遇情况,总结提出高海堤潮位与波浪设计标准组合的建议。

长航道乘潮水位计算新方法研究及应用

随着航道建设规模和航道里程增加,长航道乘潮水位的计算成为航道设计遇到的新技术难题之一。针对多潮位站控制长航道乘潮水位计算问题,提出了乘潮水位计算的多站联合典型潮曲线法。通过构建典型潮曲线,使乘潮累积频率、乘潮历时、潮波传播延时和潮波变形等关键要素同时呈现。基于构建的典型潮曲线,进一步探讨了长航道全程同一乘潮水位、分段变乘潮水位,以及进港、出港等不同情况下乘潮水位的设计取值方法,并以珠江崖门航道为例进行了实例分析,进一步说明了本方法的实用可行。

基于多元逐步回归及实时修正的长江南京站高潮位预报

南京潮水位站是长江进入江苏的“第一站”,提高潮位预报精度对于南京市防洪减灾具有重要意义。利用南京潮水位站2010~2020年高潮位超过8.50 m年份的实测资料,采用多元回归分析建立南京潮水位站高潮位预报模型。为消除多重共线性的影响,采用逐步回归对变量进行筛选,并对预报模型进行实时修正以提高预报精度。结果表明:根据GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》,该模型预报精度可达甲等。该预报方法简单、实用,对于提高受潮汐影响站点的潮位预报精度具有一定的参考价值。

GNSS-IR潮位反演中高仰角数据质量控制方法

全球导航卫星系统干涉反射测量(global navigation satellite system-interferometric reflectometry,GNSS-IR)技术可利用信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)数据包含的多路径信息反演潮位,但通常需限制仰角范围,导致可用数据量少以及时间分辨率不足。针对上述问题,提出一种数据质量控制方法,重构SNR残差序列获得仅受多路径影响的SNR序列,再设计并训练Transformer神经网络模型对数据进行分类,在潮位反演前筛除无效SNR数据,将高仰角数据纳入可用范围。实验表明,该方法可大幅度提升高仰角数据有效率,将反演站点的可用数据仰角范围扩展至5°~30°,从而显著提升可用数据量和潮位反演值的时间分辨率,对利用GNSS-IR技术的海啸、风暴潮实时监测等应用和长期海平面变化等海洋研究具有重要意义。