基于道路監(jiān)控視頻分析的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曠丞吉，譚文斌，蒙 勇

（銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300）

0 引言

針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)路段交通事故頻發(fā)的問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)道路地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，通過對(duì)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)路段的監(jiān)控視頻分析，從中獲取視頻路段地質(zhì)信息變化情況，根據(jù)圖像幀的變化情況來判斷對(duì)應(yīng)路段是否發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。在分析視頻幀信息變化的研究方面，當(dāng)前主要集中在計(jì)算圖像幀之間的相似度研究上。針對(duì)圖像相似度計(jì)算，崔建良等［1］提出了基于圖像互信息方法計(jì)算兩張圖像的相似度；楊先義等［2－4］提出了基于結(jié)構(gòu)相似性的計(jì)算方法；丘展春等［5］提出通過余弦相似度計(jì)算掌紋圖像相似度；顧廣華等［6－9］提出了一種基于深度多相似性哈希方法；阮承治等［10－11］提出了基于顏色直方圖計(jì)算圖像相似度。經(jīng)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算圖像相似度方面，顏色直方圖具有計(jì)算簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高、旋轉(zhuǎn)不變性、對(duì)圖像的大小沒有限制等諸多優(yōu)良特點(diǎn)。本文利用顏色直方圖計(jì)算新的圖像幀與非地質(zhì)災(zāi)害情況下目標(biāo)圖像幀(以下簡(jiǎn)稱目標(biāo)圖像幀）之間的相似度。

1 地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)模型構(gòu)建

本算法模型通過將監(jiān)控視頻接入系統(tǒng)后臺(tái)，系統(tǒng)后臺(tái)接收到視頻數(shù)據(jù)后，按照給定頻率對(duì)視頻進(jìn)行切割，對(duì)切割后的圖像幀按照一定頻率進(jìn)行采樣并送入模型中進(jìn)行相似度計(jì)算，如果輸入圖像與目標(biāo)圖像相似度值低于閾值，則視為輸入圖像幀發(fā)生了異常，或有障礙物進(jìn)入了監(jiān)控視頻，即視為被監(jiān)控路段發(fā)生了地質(zhì)變化，算法執(zhí)行過程如圖1所示。

圖1 檢測(cè)模型執(zhí)行過程

在模型的執(zhí)行過程中，相似度的閾值根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。本系統(tǒng)中觸發(fā)報(bào)警功能采用向道路管理員下發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提示短信的方式實(shí)現(xiàn)，管理員接收到風(fēng)險(xiǎn)提示后，進(jìn)入系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)預(yù)警進(jìn)行核實(shí)，如果確定已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，則做出相應(yīng)處理，避免交通事故發(fā)生。

2 算法模型評(píng)估與實(shí)現(xiàn)

2.1 模型評(píng)估

當(dāng)模型構(gòu)建好后，為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)不同尺寸障礙物預(yù)警的靈敏性和準(zhǔn)確性，本算法通過在視頻監(jiān)控區(qū)放入不同大小的障礙物來測(cè)試模型的有效性和靈敏性，模型評(píng)估的計(jì)算如式(1）所示。

設(shè)評(píng)估函數(shù)為

其中E表示模型識(shí)別的準(zhǔn)確率，N為對(duì)應(yīng)物體尺寸實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)試總次數(shù)，δ為相似度閾值，f(θ）表示輸入視頻幀與目標(biāo)圖像的相似度值，相似度計(jì)算方法采用鄒承明等［11］提出的灰度直方圖方法。

在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)N＝20，δ＝0.9，通過設(shè)置不同大小的物體模擬障礙物進(jìn)入監(jiān)控視頻區(qū)，獲得如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 算法模型驗(yàn)證結(jié)果

為了更直觀地判斷準(zhǔn)確率與物體尺寸大小的變化關(guān)系，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了如圖2所示的變化關(guān)系圖。由圖2可知，本系統(tǒng)圖像識(shí)別模型對(duì)較大物體進(jìn)入道路監(jiān)控具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖2 障礙物尺寸與準(zhǔn)確率變化關(guān)系

通過讓不同尺寸障礙物進(jìn)入監(jiān)控區(qū)來做系統(tǒng)是否觸發(fā)預(yù)警的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)障礙物尺寸變化時(shí)，判斷系統(tǒng)是否觸發(fā)預(yù)警提示，根據(jù)預(yù)警提示情況來判斷系統(tǒng)模型對(duì)障礙物預(yù)警的靈敏性。實(shí)驗(yàn)后得出，當(dāng)物體尺寸大于75 cm×75 cm×75 cm時(shí)，系統(tǒng)模型具有較高的準(zhǔn)確率。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了將本檢測(cè)模型用于實(shí)踐，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于B/S模式的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行流程

在預(yù)警系統(tǒng)中，為了加強(qiáng)對(duì)道路監(jiān)控設(shè)備、道路管理員、預(yù)警信息及記錄等信息的管理，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)3個(gè)總體功能模塊，系統(tǒng)總體框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體框架

本檢測(cè)系統(tǒng)中，設(shè)備管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)道路監(jiān)控視頻的管理，包括相關(guān)的增刪等常規(guī)操作；安全監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控查看，以及相似度閾值管理等，方便用戶查看預(yù)警信息和核實(shí)預(yù)警情況；用戶管理模塊主要負(fù)責(zé)用戶增加、刪除、權(quán)限管理、角色管理等功能項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路管理員信息和角色權(quán)限的管理，便于上一級(jí)管理員更好地管理系統(tǒng)及用戶。

3 結(jié)語

在系統(tǒng)上線運(yùn)行后，通過設(shè)計(jì)障礙物并拋入視頻監(jiān)控區(qū)，當(dāng)障礙物較小時(shí)，判斷檢測(cè)系統(tǒng)是否會(huì)觸發(fā)預(yù)警，根據(jù)檢測(cè)情況再調(diào)整障礙物大小，以檢測(cè)系統(tǒng)預(yù)警的有效性和靈敏性。經(jīng)系統(tǒng)上線測(cè)試，系統(tǒng)對(duì)小目標(biāo)識(shí)別效果不明顯，下一步將對(duì)算法模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高識(shí)別的覆蓋范圍。當(dāng)較大障礙物進(jìn)入監(jiān)控區(qū)時(shí)，本系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和自動(dòng)預(yù)警，對(duì)提升地質(zhì)多發(fā)路段的交通安全具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，本系統(tǒng)能有效提高道路險(xiǎn)情預(yù)警效率，避免因地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的道路交通事故，對(duì)保障通行車輛的安全具有重要意義。