一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法技术

本发明专利技术提出一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，具体包括以下步骤：（1）建立坐标系；（2）参数测量；（3）建立变换方程；（4）提取水陆交界线；（5）计算水位线高程值；（6）水位动态信息的输出与超限预警报警。本发明专利技术通过对河道、城市防洪易涝区的视频图像实现二维图像坐标系和三维地理坐标系的坐标转换，实现了基于现有河道以及城市防洪易涝区视频图像的水位信息提取过程，在一定程度上弥补城市防洪易涝区无法设立水位站的不足，同时可一定程度上减少水位站的建设投入，此外，在监控摄像头上的成像时间轴上设置时间间隔尺度，输出指定监控视频站点的动态水位变化信息，实现对视频监控区域水位信息的动态监测。

A method for extracting dynamic water level information of video image based on geographical spatio-temporal scene

The invention provides a method for extracting video image dynamic scene information based on geographic space level, it includes the following steps: (1) to establish the coordinate system; (2) parameter measurement; (3) establish the transformation equation; (4) extraction and boundary; (5) to calculate the water level elevation line (6) output value; and the overrun warning level of the dynamic information of alarm. Through the coordinates of river, city flood control waterlogging area to achieve easy video image of two-dimensional image coordinates and 3D coordinates of the conversion, the existing river and the city flood control water level to waterlogging area of video image information extraction process based on the problems in a certain extent, the urban flood waterlogged area to set up water station at the same time, investment, construction can reduce the water level to a certain extent, the station in time axis imaging surveillance cameras in the set time interval scale, the dynamic changes in the information output level specified surveillance video site, realize dynamic monitoring of video monitoring water level information.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像识别与地理高程信息提取技术，特别涉及利用地理时空场景框架，基于现有的河道和城市易涝区的监控视频，提取图像中的关键动态水位信息的方法。
技术介绍
随着地理信息系统的发展，以及时空场景理论的普及与成熟，基于地理时空场景获取对象的关键信息已经成为领域研究的新热点。由于近几年洪涝灾害，尤其是城市内涝的普遍发生，对人民的生命与财产造成了很大的损失。洪涝灾害尤其是城市内涝灾害所带来的损失，往往更多是由于缺少时效性强的关键信息所导致，因此基于地理时空场景使用交通系统、公安系统等现有监控视频等设备来获取水位等关键时态信息，更好地模拟与预测未来水位的变化趋势，及时对可能发生的灾害进行预报预警，在防洪减灾等方面具有重大意义。在目前的水位信息获取方面，主要还是依靠水位站直接测量得到被监测对象的水位信息。在遥感图像水位信息提取方面，仍停留在通过遥感多光谱影像的归一化水体指数来提取图像中的水体范围，该方法能准确地提取目标区域该时刻的水体面积，通过将基于遥感影像所提取的水体范围与数字高程模型进行叠合分析来估算水位信息，但是由于现有数字高程模型的精度较低，使得其所得到的水位信息的精度仍远远达不到防洪尤其是城市防洪的要求。这两种方法均从不同的角度对水位信息进行提取，水位站直接测量地理高程轴上（地理三维轴中的z轴）的数据，而图像信息提取则主要停留在面域上（地理三维轴中的x，y平面）的信息提取，而如何在现有新技术的框架下将两种水位信息提取方法进行融合，实现对现有水位测量方式的补充与改进具有非常实际的应用价值。现有技术主要有以下缺点：1.传统水位站的建设要求与成本偏高，且由于其测站建设的特殊性，无法在城市易涝区完成设站。2.基于遥感影像的水位信息提取技术仍主要通过对水体敏感的光谱设定光谱阈值来提取水体范围，在地理空间中结合现有的数字高程模型来提取出水位信息。由于现有遥感影像的分辨率与数字高程模型的精度所限，使得精细化的水位信息无法通过现有的遥感手段获得，同时由于遥感影像从信息获取到实际应用仍存在一定的时间间隔，因此使得现有基于遥感图像所提取的专题信息的时效性较差，无法满足现有城市洪涝时需要快速获得准确水位信息的防洪要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对
技术介绍
的缺陷，提出了一种成本低、实时性好的一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，快速确定临界洪涝点的地理位置和警戒时间，达到快速响应的防洪目标。本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，其特征在于包括以下步骤：（1）建立坐标系：采用视频监控设备监控水位信息，拍摄视频图像，建立地理坐标系xyz和图像坐标系XY，其中，以该视频设备在地表投影点为原点，建立空间三维坐标系即构成地理坐标系xyz，以视频监控设备为原点，视频监控设备像平面水平方向为X轴，像平面竖直方向为Y轴，建立二维坐标系即为图像平面坐标系XY；（2）参数测量：选取四个以上地面特征点，分别测量地面特征点的地理坐标值、图像坐标值和高程值，并测量视频监控设备距离地表的高度；（3）建立变换方程：① 建立二维变换方程：根据地面特征点的地理坐标值和图像坐标值，确定从图像坐标系XY向地理坐标系xyz转换的形变参数，建立从图像坐标(X,Y)向地理坐标(x,y,z)中(x,y)的变换的转换方程；②建立地理坐标系中z坐标的计算模型：根据地面特征点的地理坐标值和高程值，采用空间内插法计算地理坐标(x,y,z)中的z坐标。（4）提取水陆交界线：采用图像空间特征提取的方法从视频图像中提取出水陆交界线；（5）计算水位线高程值：在视频图像中水陆交界线上选择两个以上水位特征点，测量出水位特征点的图像坐标值，根据（3）中变换方程分别求出其地理坐标值，对水位特征点z坐标求平均值，作为水位线高程值；（6）水位动态信息的输出与超限预警预报：确定洪水警戒水位值，以固定的时间间隔执行步骤（1）到步骤（5），并分别将计算得出的水位线高程值与洪水警戒水位值进行比较，当水位线高程值大于洪水警戒水位值时，输出该时刻时间并发出报警预报。进一步的，还包括以下步骤：变换方程精度校正：选取两个以上精度检验特征点，分别测量其地理坐标值和图像坐标值，将图像坐标值代入已建立的变换方程中，求出转换后的地理坐标值，与测量得到的地理坐标值进行比较，计算变换误差，确定精度校正参数，对变换方程进行精度校正。进一步的，步骤（2）中所述的地面特征点为分别在视频图像四个角位置选取的特征点。进一步的，步骤（2）中所述对地面特征点地理坐标值的测量采用电子全站仪或RTK载波相位差分技术。进一步的，步骤（3）中所述的形变参数表示为：其中，为地面特征点和视频监控设备的连线，与z轴的夹角，k、b为正比例变换参数。进一步的，步骤（4）中所述的空间特征提取方法为：求出视频图像中水体区域的图像灰度最大值，作为水体判断阈值，将图像中各个栅格灰度值与该水体判断阈值进行比较，如果栅格灰度值大于水体判断阈值，则判定为非水体，否则，判定为水体。进一步的，步骤（3）中所述的空间内插法为反距离内插法。进一步的，步骤（6）中所述的固定的时间间隔为10分钟。进一步的，步骤（5）中水位特征点为四个。本专利技术提供一种基于地理时空场景的监控视频图像动态水位信息提取技术与方法，通过对河道、城市防洪易涝区的视频图像实现二维图像坐标系和三维地理坐标系的坐标转换，实现了基于现有河道以及城市防洪易涝区视频图像的水位信息提取过程，在一定程度上弥补城市防洪易涝区无法设立水位站的不足，同时可一定程度上减少水位站的建设投入，此外，在监控摄像头上的成像时间轴上设置时间间隔尺度，输出指定监控视频站点的动态水位变化信息，实现对视频监控区域水位信息的动态监测。附图说明图1是本专利技术专利的实施流程图。图2是视频监控系统示意图。图3是地理空间实体的位置在视频图像中的误差对比图，其中：(a)是地面特征点在地理坐标系中的分布图；(b)是地面特征点在图像坐标系中的分布图。图4是基于地理空间信息的视频图像水位信息提取图。图5是基于水位时间序列信息的预报预警过程示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例，对本专利技术的技术方案做详细描述。应当理解，附图中所示各零部件是示意性而非限制性的，各特征未按比例画出。实施例1：本专利技术为一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，步骤流程如图1所示，具体步骤如下:（1）建立坐标系：在防洪关键区域，依据现有视频监控设备，如河道监控视频、交通监控视频等，选择典型监控点采用视频监控设备监控水位信息，拍摄视频图像。建立地理坐标系xyz和图像坐标系XY，如图2所示，长方形abcd为监控视频覆盖的实际地面区域，以该视频设备在地表投影点即o点为原点，建立空间三维坐标系即构成地理坐标系xyz，图2中的长方形ABCD为地面abcd区域在视频中的成像范围，以视频监控设备即O点为原点，与视频图像AB边平行方向为X轴，与视频图像AD边平行方向为Y轴，建立二维坐标系即为图像平面坐标系XY。（2）参数测量：如图2所示，本实施例中，地理坐标系原点o的坐标为（x0,y0,z0），测量视频监控设备距离地表的高度为H，因此，图像坐标系原点O在地理坐标系中的坐标值为（x0,y0,z0+H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，其特征在于包括以下步骤：（1）建立坐标系：采用视频监控设备监控水位信息，拍摄视频图像，建立地理坐标系xyz和图像坐标系XY，其中，以该视频设备在地表投影点为原点，建立空间三维坐标系即构成地理坐标系xyz，以视频监控设备为原点，视频监控设备像平面水平方向为X轴，像平面竖直方向为Y轴，建立二维坐标系即为图像坐标系XY；（2）参数测量：选取四个以上地面特征点，分别测量地面特征点的地理坐标值、图像坐标值和高程值，并测量视频监控设备距离地表的高度；（3）建立变换方程：① 建立二维变换方程：根据地面特征点的地理坐标值和图像坐标值，确定从图像坐标系XY向地理坐标系xyz转换的形变参数，建立从图像坐标(X,Y)向地理坐标(x,y,z)中(x,y)的变换的转换方程；②建立地理坐标系中z坐标的计算模型：根据地面特征点的地理坐标值和高程值，采用空间内插法计算地理坐标(x,y,z)中的z坐标；（4）提取水陆交界线：采用图像空间特征提取的方法从视频图像中提取出水陆交界线；（5）计算水位线高程值：在视频图像中水陆交界线上选择两个以上水位特征点，测量出水位特征点的图像坐标值，根据（3）中变换方程分别求出其地理坐标值，对水位特征点z坐标求平均值，作为水位线高程值；（6）水位动态信息的输出与超限预警预报：确定洪水警戒水位值，以固定的时间间隔执行步骤（1）到步骤（5），并分别将计算得出的水位线高程值与洪水警戒水位值进行比较，当水位线高程值大于洪水警戒水位值时，输出该时刻时间并发出报警预报。...

【技术特征摘要】
1.一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，其特征在于包括以下步骤：（1）建立坐标系：采用视频监控设备监控水位信息，拍摄视频图像，建立地理坐标系xyz和图像坐标系XY，其中，以该视频设备在地表投影点为原点，建立空间三维坐标系即构成地理坐标系xyz，以视频监控设备为原点，视频监控设备像平面水平方向为X轴，像平面竖直方向为Y轴，建立二维坐标系即为图像坐标系XY；（2）参数测量：选取四个以上地面特征点，分别测量地面特征点的地理坐标值、图像坐标值和高程值，并测量视频监控设备距离地表的高度；（3）建立变换方程：① 建立二维变换方程：根据地面特征点的地理坐标值和图像坐标值，确定从图像坐标系XY向地理坐标系xyz转换的形变参数，建立从图像坐标(X,Y)向地理坐标(x,y,z)中(x,y)的变换的转换方程；②建立地理坐标系中z坐标的计算模型：根据地面特征点的地理坐标值和高程值，采用空间内插法计算地理坐标(x,y,z)中的z坐标；（4）提取水陆交界线：采用图像空间特征提取的方法从视频图像中提取出水陆交界线；（5）计算水位线高程值：在视频图像中水陆交界线上选择两个以上水位特征点，测量出水位特征点的图像坐标值，根据（3）中变换方程分别求出其地理坐标值，对水位特征点z坐标求平均值，作为水位线高程值；（6）水位动态信息的输出与超限预警预报：确定洪水警戒水位值，以固定的时间间隔执行步骤（1）到步骤（5），并分别将计算得出的水位线高程值与洪水警戒水位值进行比较，当水位线高程值大于洪水警戒水位值时，输出该时刻时间并发出报警预报。2.根据权利要求1所述的一种基于地理时空场景的视频图像动态水位信息提取方法，还包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁定波，艾萍，廖亨利，岳兆新，洪敏，陈彬彬，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32