大尺度河川水面影像觀測技術研究與水文分析儀器本土化

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過大尺度質點影像測速法(Particle image velocimetry, PIV)作為河川水面流速影像 觀測技術。 能，選擇具有五百萬畫素相機模組之樹莓派(Raspberry Pi)嵌入式系統。雖然 Raspberry Pi 之硬體加速功能能達成 30fps 預覽，但仍然無法使流速公式能同時 順暢運作。因此本計畫提出解決方式為先錄製一段即時影像並將該影像進行暫 存，隨後再透過流速公式計算表面流速。該計算結果可儲存至系統中且重複上 述動作，便可使得此系統形成一近似即時之影像流速系統，圖 1 則為此影像流 速系統之操作流程與時序。

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圖 1、影像流速系統操作時序

此外，由於影像流速系統多半安裝場合屬於戶外環境，因此必須選用工業等 級之網路路由器，下圖 2 是此嵌入式系統所使用的路由器，路由器含有兩個射頻 連接器，分別外接 3G 天線及 WIFI 天線，再搭配可提供固定 IP 之 3G SIM 卡就 可構成流速系統之網路模組。

圖 2、3G 路由器

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表面流速計算程式主要需處理兩個部分，首先為提高程式計算穩定度與可靠 度，每一次執行結束後皆會終止程式，釋放佔用之系統資源，以降低程式佔用記 憶體導致系統不穩定之不確定因素。再者為座標點設定，為了使座標點與距離設 定能降低程式重新編譯之情形，此流速計算程式將把設定參數儲存於外部設定檔。

因此，每次調整流速計位置或其他方向時，若需要重新取得座標與距離資料，將 可直接由外部檔案進行變更。下圖 3 為 2014 年麥德姆颱風期間於宜蘭河流域所 拍攝之現場實際流域圖，其中四點參考點屬於人為標示，因此在颱風來臨前，必 須先前往現地進行安裝與取景，找到合適取景角度後，再標示此四點人為參考 點。

圖 3、參考點設定示意圖

取得流速量測結果與標定參考點後，最重要的便是如何判讀量測結果。但 PIV 演算法中因含有大量矩陣運算，容易使得運算過程造成溢位，進而導致向量 紊亂使得判讀量測結果更加不易，如下圖 4 所示。

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圖 4、向量紊亂圖

由圖 4 得知該流速向量圖與河流實際流動狀況並不符合，因此需針對量測地 點設定相對應之距離資料，將可得到較為合理之流速向量圖如圖 5 所示，由此可 知若不當設定參考點數值將易造成流速計算錯誤與過大之誤差值。

圖 5、合理流速向量圖

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透過上述反覆確認參考點設定後，所計算出之流速結果如下圖 6 所示，由此 圖得知根據 PIV 演算法計算之流速向量圖與河流實際流動方向是相符的。

圖 6、表面流速向量圖

由於此影像流速系統最終應用範圍多半屬於戶外應用，因此參考常見戶外設備 之機構，將此嵌入式影像流速系統透過防水機構予以組裝，內部機構組裝如下圖 7 所示。

圖 7、機構內部圖 最終完成之機構圖則如下圖 8 所示。

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圖 8、流速計最終機構圖

透過此嵌入式影像流速系統將可建立一即時流速分析系統，未來仍須精進與 持續驗證，以期日後能更廣泛應用於各式水文分析與現場量測，並建立水文儀器 本土化之開端。