Towards harmonization of image velocimetry techniques for river surface velocity observations

Since the turn of the 21st Century, image based velocimetry techniques have become an increasingly popular approach for determining open-channel flow in a range of hydrological settings across Europe, and beyond. Simultaneously, a range of large-scale image velocimetry algorithms have been developed, equipped with differing image pre-processing, and analytical capabilities. Yet in operational hydrometry, these techniques are utilised by few competent authorities. Therefore, imagery collected for image velocimetry analysis, along with validation data is required both to enable inter-comparisons between these differing approaches and to test their overall efficacy. Through benchmarking exercises, it will be possible to assess which approaches are best suited for a range of fluvial settings, and to focus future software developments. Here we collate, and describe datasets acquired from six countries across Europe and Asia, consisting of videos that have been subjected to a range of pre-processing, and image velocimetry analysis (Perks et al., 2019, https://doi.org/10.4121/uuid:34764be1-31f9-4626-8b11-705b4f66b95a). Validation data is available for 12 of the 13 case studies presented enabling these data to be used for validation and accuracy assessment

Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par Large-Scale Particle Image Velocimetry

River gauging needs to be modernized to answer the questions of the hydrologists and hydraulic engineers. The intrusive aspect of classic gauging equipment (current-meter, ADCP) makes measurement impossible in lots of situations, including floods or low flows. This study deals with Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) which consists in the identification of surface velocity field by image analysis. Adding a hydraulic model leads to discharge computation. A real-time continuous LSPIV prototype was developed on the Iowa River in Iowa City (USA). The first years of operation show that LSPIV discharge estimates are consistent with the rating curve of the site and with current-meter measurements. The creation of an important database allowed a detailed sensitivity study of the technique. Error sources affecting the measurements were identified and quantified. We also developed a numerical simulator allowing more theoretical sensitivity tests. The mobile aspect of LSPIV was used in a mobile, truck-based unit (truck mounted with a telescopic mast and a camera). This unit showed it reliability for measuring in sites difficult to reach. We also used LSPIV surface velocity fields for validating a hydraulic model of a complex flow area (downstream connection of an abandoned channel on the Ain River, France), and for the study the possibility of estimating the bathymetry of a channel.Les protocoles hydrométriques en rivière ne répondent pas aux besoins des hydrologues et des hydrauliciens. L'appareillage traditionnel de jaugeage (moulinet, ADCP) est limité par son aspect intrusif, particulièrement en crue et en étiage. Cette thèse étudie la technique Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) qui consiste à identifier, par analyse d'images, un champ de vitesses en surface. L'ajout d'un modèle hydraulique permet le calcul du débit.Une station LSPIV de mesure en continu et temps réel a été mise en place sur la rivière Iowa à Iowa City (USA). Les premières années de fonctionnement ont montré des estimations LSPIV de débit en bonne concordance avec la courbe de tarage du site et avec des mesures classiques réalisées au moulinet. L'établissement d'une importante base de données a permis une étude de sensibilité de la technique. Les sources d'erreur affectant la mesure ont été identifiées et quantifiées. L'étude de sensibilité a été affinée grâce à un simulateur numérique de la mesure LSPIV en rivière, outils capitalisant notre connaissance de la mesure et permettant d'évaluer l'importance relative de différentes sources d'erreur pour une situation donnée. Une unité LSPIV motorisée (camionnette équipée d'un bras télescopique et d'une caméra) a été développée pour permettre l'application de la méthode en sites difficiles d'accès. Cette unité s'est montrée efficace, donnant des résultats d'excellentes qualités sur les différents sites testés. Des mesures LSPIV de champ de vitesse de surface ont été utilisées par ailleurs pour la validation de la modélisation hydraulique d'une zone d'écoulement complexe (la lône de Port-Galand sur l'Ain) et pour une étude de reconstitution de formes de fond de chenal en laboratoire

Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par Large-scale particle image velocimetry

Les protocoles hydrométriques en rivière ne répondent pas complètement aux besoins des hydrologues et des hydrauliciens. L'appareillage traditionnel de jaugeage est limité par son aspect intrusif, particulièrement en crue et en étiage. Cet article présente la technique Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) qui consiste à identifier par analyse d'images un champ de vitesse en surface. L'ajout d'un modèle hydraulique permet le calcul du débit. Une station LSPIV de mesure en continu et temps réel a été mise en place sur la rivière Iowa à Iowa City (USA). Les premières années de fonctionnement ont montré des estimations LSPIV de débit en bonne concordance avec la courbe de tarage du site et avec des mesures classiques. L'établissement d'une importante base de données a permis une étude de sensibilité de la technique affinée grâce à un simulateur numérique, outils capitalisant notre connaissance de la mesure et permettant d'évaluer l'importance relative de différentes sources d'erreur pour une situation donnée. Une unité LSPIV motorisée (camionnette équipée d'un bras télescopique et d'une caméra) a été développée pour permettre l'application de la méthode en sites difficiles d'accès. Cette unite s'est montrée efficace, donnant des résultats d'excellentes qualités sur les différents sites testés. Des mesures LSPIV de champ de vitesse de surface ont été utilisées par ailleurs pour la validation de la modélisation hydraulique d'une zone d'écoulement complexe (la lône de Port-Galand sur l'Ain) et pour une étude de reconstitution de formes de fond de chenal en laboratoire

Open Source geospatial health symptoms tracker on android using Extreme Programming techniques

During this thesis, we explored the benefits of Extreme Programming, Continuous Delivery and other linked methodologies through the development of a solution that aims to help patients track their symptoms when they happen and share them with their doctors to help refine their diagnosis. We learned about methodologies and practices that allow the production of good quality code. In our opinion this is something that is not enough taught at university where the final result of a project is often evaluated regardless of the quality of the code. The solution is composed of four components. First, a mobile application used by patients to record their symptoms and share them with their doctors. Then, a website used by doctors to consult reports of their patients. Next, a backend to collect symptoms, analyze data, send emails and more. Finally, a utility chatbot used to simulate patients and automatically deploy the backend whenever a new version was available. This master thesis made us experience the whole life cycle of an application, from setting up the deployment infrastructure to regularly pushing code to production.Master [120] en sciences informatiques, Université catholique de Louvain, 201

Récentes évolutions sur les mesures de débit par exploration du champ de vitesse au courantomètre

En hydrométrie, la mesure de débit par exploration du champ de vitesse au courantomètre reste une méthode très largement utilisée. A EDF-DTG, cette méthode représente environ 30% des 900 jaugeages réalisés chaque année. L'exploration du champ de vitesse est réalisée avec différents courantomètres, des historiques moulinets et micro- moulinets mécaniques aux plus récents courantomètres acoustiques ou électromagnétiques. Les courantomètres acoustiques peuvent permettre de mesurer les trois composantes de vitesse, tandis que les courantomètres électromagnétiques sont peu sensibles à la végétation et peu invasifs dans l'écoulement. Alors que les appareils de mesure évoluent, les méthodes de déploiement et le système qualité associé à leur utilisation a subi peu d'évolutions ces dernières décennies. Cet article présente deux évolutions récentes mises en place de façon opérationnelles à EDF-DTG. La première concerne le protocole de réalisation de la mesure, avec ajout de verticales intercalaires où l'on mesure uniquement la hauteur d'eau. Cette évolution permet de diminuer notablement l'incertitude du jaugeage sas pénaliser son temps de réalisation La seconde concerne l'étalonnage et le contrôle qualité des moulinets. On constate qu'un étalonnage périodique en laboratoire avec une équation par hélice n'est pas nécessaire, et qu'une équation unique par type d'hélice avec un contrôle périodique suffit

Velocity profile and depth-averaged to surface velocity in natural streams: A review over alarge sample of rivers

For measuring flood discharge with non-intrusive methods, one should know the depth-averaged to surface velocity ratio α. In this paper, a large sample of gauging (3611 gaugings over 176 sites of EDF-DTG) realized with a current meter are analyzed to compute α with three methods: fitting of a log- and a power-law and using the measured surface velocity. Results show that the three methods give very similar results, with a mean value of α of about 0.8, with few dispersion (5th and 95th percentile values being about 0.7 and 0.9). A link between α and the water depth is established, as α increases with the hydraulic radius. The link between α and the bed roughness, or between α and the relative roughness (Rh/d50) is not clear. Results only shows that the mean value of α is 0.8 for natural rivers (sandy, pebbly or boulders rivers), and 0.9 for artificial concrete channels

Sensitivity study of large-scale particle image velocimetry measurement of river discharge using numerical simulation

International audienceThis study deals with the uncertainty of large-scale particle image velocimetry (LSPIV) measurements in rivers. LSPIV belongs to the methods of local remote sensing of rivers, like Radar- and Lidar-based techniques. These methods have many potential advantages, in comparison with classical river gauging, but they have a fundamental drawback: they are indirect measurements. As such they need to be assessed in reference to direct measurements. A first validation method consists in the comparison of LSPIV measurements with classic gauging results, in field and laboratory experiments. Unfortunately, in both cases, it is impossible in practice to control all the parameters and to distinguish the impact of the various error sources. In the present study we propose a more theoretical assessment of LSPIV potential through numerical simulation. The idea is simply to mathematically formulate the present state of knowledge of the measurement including both the physics of the phenomenon (the illuminated river) and the physics of the sensor (the camera and the PIV tracking). The dilemma about when to start this type of simulation is the following: – The simulation is satisfactory if we can validate it which means to be able to compare simulations and observations over a wide range of conditions. – The simulation is useful to get preliminary insights about the most important measurement conditions to organize validation studies. Our simulator is composed of three blocks: (1) The river block represents the unidirectional river flow by the association of the EDM model and a theoretical vertical velocity profile giving a 3D velocity distribution. This hydraulic model is complemented by features representing free surface tracers, the illumination of the free-surface (shadows and sun reflection) and the effect of the wind. (2) The camera block transforms the river state parameters into raster images according to the intrinsic and extrinsic parameters of the camera. (3) The LSPIV analysis block performs a classical LSPIV analysis, including geometric transformation of the images, PIV analysis to obtain a surface velocity field, and discharge computation. We tried to keep a good balance between the different blocks of the simulator (i.e. not to make one component much more sophisticated than the others). The simulator was partly tested during the development of its different blocks, and then globally validated. It reproduced well the variability observed in the field LSPIV experiments conducted with the real-time continuous system of Hauet et al. [Hauet, A., Kruger, A., Krajewski, W., Bradley, A., Muste, M., Creutin, J.D., Wilson, M., 2008. Experimental system for real-time discharge estimation using an image-based method. Journal of Hydrologic Engineering]. The simulator can also be used to check different scenarios and to assess relative importance of the different sources of error. With two examples, we illustrate this capability of the simulator to assess the relative weight of a given error source and to test a new configuration of measurement

Estimation de débit et mesure de vitesse en rivière par large-scale particle image velocimetry

Les protocoles hydrométriques en rivière ne répondent pas aux besoins des hydrologues et des hydrauliciens. L'appareillage traditionnel de jaugeage (moulinet, ADCP) est limité par son aspect intrusif, particulièrement en crue et en étiage. Cette thèse étudie la technique Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) qui consiste à identifier, par analyse d'images, un champ de vitesses en surface. L'ajout d'un modèle hydraulique permet le calcul du débit. Une station LSPIV de mesure en continu et temps réel a été mise en place sur la rivière Iowa à Iowa City (USA). Les premières années de fonctionnement ont montré des estimations LSPIV de débit en bonne concordance avec la courbe de tarage du site et avec des mesures classiques réalisées au moulinet. L'établissement d'une importante base de données a permis une étude de sensibilité de la technique. Les sources d'erreur affectant la mesure ont été identifiées et quantifiées. L'étude de sensibilité a été affinée grâce à un simulateur numérique de la mesure LSPIV en rivière, outils capitalisant notre connaissance de la mesure et permettant d'évaluer l'importance relative de différentes sources d'erreur pour une situation donnée. Une unité LSPIV motorisée (camionnette équipée d'un bras télescopique et d'une caméra) a été développée pour permettre l'application de la méthode en sites difficiles d'accès. Cette unité s'est montrée efficace, donnant des résultats d'excellentes qualités sur les différents sites testés. Des mesures LSPIV de champ de vitesse de surface ont été utilisées par ailleurs pour la validation de la modélisation hydraulique d'une zone d'écoulement complexe (la lône de Port-Galand sur l'Ain) et pour une étude de reconstitution de formes de fond de chenal en laboratoire.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Recalculation of historical streamflow series. Impact assessment and valorization

Rating curves used to calculate discharge from water level must be extrapolated beyond the range of measured discharges, due to the difficulty of measuring flood discharge. This induces large uncertainties and the flood discharge series can be unreliable. This paper presents a methodology to update and correct historical flood flows, so as to propose homogeneous and less biased data. The benefit of using hydraulic modeling is discussed. This methodology is applied to a large sample of hydrometric stations of the EDF (Electricité De France) network, and the impact on peak flows deviations is analyzed

Mesure du flux de sable en suspension dans le fleuve Congo – Compte rendu de la mission de janvier 2024: Contribution au projet « Contribution à la modélisation du transport sédimentaire dans le fleuve Congo »

This report presents the measurements made on the Congo River in January 2024. We focused on measuring the suspended-sand discharge in the Congolese branch of the Congo River, measuring the flood discharge on January 10th during the flood peak and using these data to update the Congo hydrological serie at the Brazzaville-Kinshasa hydrometric station.Ce rapport présente les mesures effectués sur le fleuve Congo lors d'une mission en janvier 2024. Notamment la mesure du transport en suspension de sable dans le bras Congolais du Congo, la mesure du débit de la pointe de crue du 10 janvier 2024 et l'utilisation de ces données pour actualiser la série hydrologique du Congo au niveau de la station hydrométrique Brazzaville-Kinshasa