基于AR 視頻水文測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

白石，蔡國(guó)成

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水文水資源中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010000；2.安徽沃特水務(wù)科技有限公司，安徽 合肥 230000）

1 現(xiàn)狀與需求

近年來(lái)，各省的水文部門(mén)都在積極推進(jìn)水文監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的迅猛發(fā)展，水文監(jiān)測(cè)的信息化程度得到了大幅提高。然而，與水利部“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”的要求相比，仍存在一定的差距。其中，一個(gè)重要的制約因素就是缺乏一個(gè)統(tǒng)一視頻監(jiān)控載體作為整個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的連接器。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在監(jiān)控實(shí)景可視化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以在視頻監(jiān)控的“現(xiàn)實(shí)”基礎(chǔ)上進(jìn)行“增強(qiáng)”。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算攝像機(jī)視頻物體位置及角度進(jìn)行建模，AR 技術(shù)可以在監(jiān)控畫(huà)面中添加各種視頻標(biāo)簽，如實(shí)時(shí)水位、警戒水位、重點(diǎn)區(qū)域、視頻名稱(chēng)、時(shí)間等重要信息。這些信息可以直觀(guān)、有效地輔助用戶(hù)遠(yuǎn)程處理水文測(cè)站的異常和突發(fā)情況，從而提高水文監(jiān)測(cè)的效率和精度。

AR 技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算攝像機(jī)視頻物體位置及角度進(jìn)行建模，增加虛擬圖像（如虛擬水尺）、視頻或三維模型與之疊加，將現(xiàn)實(shí)世界通過(guò)虛擬技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)深度交互。用戶(hù)可以實(shí)時(shí)執(zhí)行操作并獲取信息反饋，從而實(shí)現(xiàn)全新用戶(hù)體驗(yàn)維度。AR 技術(shù)將極大地推動(dòng)水文監(jiān)測(cè)體系的進(jìn)一步發(fā)展和完善，為實(shí)現(xiàn)水利部的“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”要求提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。同時(shí)，也為水利行業(yè)的預(yù)警和決策提供了更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法和人工智能技術(shù)的結(jié)合，AR 技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)化和智能化監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提升水文監(jiān)測(cè)的效率和精度，為用戶(hù)提供更加精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和決策支持。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 AR 技術(shù)原理

AR 技術(shù)具有虛擬現(xiàn)實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互等特征，從技術(shù)手段和表現(xiàn)形式上可以分為基于視覺(jué)的AR（VisionbasedAR）和基于地理位置信息的AR（LBSbasedAR）。在這里主要使用的技術(shù)是基于視覺(jué)的AR。Marker-LessA 的實(shí)現(xiàn)方法是在屏幕中找到一個(gè)具有足夠特征點(diǎn)的物體作為平面基準(zhǔn)，然后通過(guò)攝像頭對(duì)該物體進(jìn)行識(shí)別和姿態(tài)評(píng)估，并確定其位置，將該物體的中心作為原點(diǎn)坐標(biāo)系，并與屏幕坐標(biāo)系建立映射關(guān)系，當(dāng)攝像頭掃描周?chē)鷪?chǎng)景的時(shí)候，會(huì)提取周?chē)鷪?chǎng)景的特征點(diǎn)并與之前選定物的特征點(diǎn)進(jìn)行比較，如果特征點(diǎn)的匹配度大于閾值，則確定為該物體，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)確定當(dāng)前的屏幕坐標(biāo)，從而可以將想要繪制的圖形或者是3D 模型如同依附在現(xiàn)實(shí)物體上一樣展現(xiàn)在屏幕上。

2.2 視頻像素與地理坐標(biāo)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

世界坐標(biāo)系：其坐標(biāo)原點(diǎn)可視情況而定，關(guān)鍵在于方便表達(dá)物體在三維空間中的位置，單位為長(zhǎng)度單位，比如mm，用矩陣W=[XW，YW，ZW]T表示。

相機(jī)坐標(biāo)系：以攝像機(jī)光心為原點(diǎn)（在針孔模型中也就是針孔為中心），z 軸與光軸重合，也就是z 軸指向相機(jī)的前方（與成像平面垂直），x 軸與y 軸的正方向與世界坐標(biāo)系平行，單位為長(zhǎng)度單位，比如mm，用矩陣C=[XC，YC，ZC]T來(lái)表示。

圖像物理坐標(biāo)系（也叫成像平面坐標(biāo)系）：用物理長(zhǎng)度單位表示像素的位置，坐標(biāo)原點(diǎn)為攝像機(jī)光軸與圖像物理坐標(biāo)系的交點(diǎn)位置。坐標(biāo)系為圖上o-xy，單位為長(zhǎng)度單位，比如mm，用矩陣F=[x,y]T表示。

像素坐標(biāo)系如圖1，坐標(biāo)原點(diǎn)在左上角，以像素為單位，有明顯的范圍限制，即用于表示全畫(huà)面的像素長(zhǎng)和像素長(zhǎng)寬，用矩陣P=[u,v]T表示。

圖1 像素坐標(biāo)系圖

以下公式描述了W，C，F(xiàn)，P 之間的關(guān)系：

式中：dx 和dy 表示1 個(gè)像素有多少長(zhǎng)度，即用傳感器的尺寸除以像素?cái)?shù)量，比如2928.384um×2205.216um 的傳感的分辨率為2592×1944，每個(gè)像素的大小即約1.12um。

f 表示焦距，在上圖中根據(jù)相似三角形，世界坐標(biāo)中的P 點(diǎn)和圖像坐標(biāo)中的p 點(diǎn)具有以下關(guān)系：

cx和cy表示中心點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的位置。

要求像素坐標(biāo)系中某像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)在世界坐標(biāo)系中的位置，需要知道相機(jī)的內(nèi)參、外參，相機(jī)的內(nèi)參可以通過(guò)標(biāo)定獲得，外參可以人為設(shè)定。

第一步，將像素坐標(biāo)變換到相機(jī)坐標(biāo)系：

兩邊乘以K 的逆后推導(dǎo)出：

第二步，從相機(jī)坐標(biāo)系變換到世界坐標(biāo)系：

將方程乘以R-1，可以推導(dǎo)出：

如此，便可直接從像素坐標(biāo)直接計(jì)算出世界坐標(biāo)。

3 應(yīng)用效果

以安徽省阜陽(yáng)市王家壩水文站為例，應(yīng)用AR視頻水文信息系統(tǒng)，可以獲得如水位信息，包括實(shí)時(shí)水位尺，保證水位警戒水位、閘門(mén)、測(cè)流裝置等信息，并在AR 視頻水文系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)視角拖拽的方式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解當(dāng)前水位的變化情況，同時(shí)在實(shí)地勘測(cè)和規(guī)劃過(guò)程中進(jìn)行輔助；通過(guò)不同切面的標(biāo)注以及大數(shù)據(jù)分析，提供智能化的決策支持。

從應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，基于AR 視頻水文測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水文監(jiān)測(cè)具有重要意義，開(kāi)辟了水文監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的新道路，解放了配置于水文測(cè)站的人力與物力，打通了水文與智能監(jiān)測(cè)的新通道，AR 視頻感知系統(tǒng)在水利領(lǐng)域具有巨大的潛力，將引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新的潮流，為水資源管理、水利工程設(shè)計(jì)和水利文化傳承帶來(lái)革命性的變化，推動(dòng)水利行業(yè)向更智能、可持續(xù)的方向發(fā)展，提高水利工程的效率、安全性和可持續(xù)性。

4 結(jié)語(yǔ)

水利部安排部署“十四五”時(shí)期和2021 年水旱災(zāi)害防御工作中，李國(guó)英部長(zhǎng)強(qiáng)調(diào)要強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”措施。該系統(tǒng)通過(guò)將AR 技術(shù)與水文監(jiān)測(cè)相結(jié)合，提供更快更及時(shí)水文監(jiān)測(cè)結(jié)果，目前，該項(xiàng)技術(shù)已在安徽省阜陽(yáng)市王家壩、合肥桃溪等水文站進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)將視頻水位分析、閘門(mén)分析、測(cè)速分析等無(wú)縫融入AR 實(shí)景中，并支持在實(shí)景畫(huà)面中直接操作，與傳統(tǒng)孤島式的密集監(jiān)控視頻模式相比，用戶(hù)體驗(yàn)將隨著水文測(cè)站的監(jiān)控系統(tǒng)的越來(lái)越好，引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在視頻實(shí)景地圖中進(jìn)行資源整合和人機(jī)交互的監(jiān)控模式，無(wú)疑是一種比較好的選擇。AR 技術(shù)將成為行業(yè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的連接器，將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立時(shí)間與空間上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而提升水文監(jiān)測(cè)整體服務(wù)效率和水平，AR 視頻水文測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，將在水利工程、環(huán)保和生態(tài)保護(hù)、防洪減災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用■