基于AR 視頻水文測站實時監測技術研究與應用

白石，蔡國成

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

1 現狀與需求

近年來，各省的水文部門都在積極推進水文監測體系建設，隨著視頻監控技術的迅猛發展，水文監測的信息化程度得到了大幅提高。然而，與水利部“預報、預警、預演、預案”的要求相比，仍存在一定的差距。其中，一個重要的制約因素就是缺乏一個統一視頻監控載體作為整個應用場景的連接器。

增強現實（AR）技術在監控實景可視化方面具有獨特的優勢，可以在視頻監控的“現實”基礎上進行“增強”。通過實時計算攝像機視頻物體位置及角度進行建模，AR 技術可以在監控畫面中添加各種視頻標簽，如實時水位、警戒水位、重點區域、視頻名稱、時間等重要信息。這些信息可以直觀、有效地輔助用戶遠程處理水文測站的異常和突發情況，從而提高水文監測的效率和精度。

AR 技術通過實時計算攝像機視頻物體位置及角度進行建模，增加虛擬圖像（如虛擬水尺）、視頻或三維模型與之疊加，將現實世界通過虛擬技術進行呈現，并實現深度交互。用戶可以實時執行操作并獲取信息反饋，從而實現全新用戶體驗維度。AR 技術將極大地推動水文監測體系的進一步發展和完善，為實現水利部的“預報、預警、預演、預案”要求提供強有力的技術支持。同時，也為水利行業的預警和決策提供了更加準確、實時和可靠的數據支持。此外，通過深度學習算法和人工智能技術的結合，AR 技術還可以實現更高級別的自動化和智能化監測，進一步提升水文監測的效率和精度，為用戶提供更加精準、實時的監測數據和決策支持。

2 技術實現

2.1 AR 技術原理

AR 技術具有虛擬現實融合、實時交互等特征，從技術手段和表現形式上可以分為基于視覺的AR（VisionbasedAR）和基于地理位置信息的AR（LBSbasedAR）。在這里主要使用的技術是基于視覺的AR。Marker-LessA 的實現方法是在屏幕中找到一個具有足夠特征點的物體作為平面基準，然后通過攝像頭對該物體進行識別和姿態評估，并確定其位置，將該物體的中心作為原點坐標系，并與屏幕坐標系建立映射關系，當攝像頭掃描周圍場景的時候，會提取周圍場景的特征點并與之前選定物的特征點進行比較，如果特征點的匹配度大于閾值，則確定為該物體，然后根據對應的特征點坐標確定當前的屏幕坐標，從而可以將想要繪制的圖形或者是3D 模型如同依附在現實物體上一樣展現在屏幕上。

2.2 視頻像素與地理坐標的自動轉換

世界坐標系：其坐標原點可視情況而定，關鍵在于方便表達物體在三維空間中的位置，單位為長度單位，比如mm，用矩陣W=[XW，YW，ZW]T表示。

相機坐標系：以攝像機光心為原點（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 軸指向相機的前方（與成像平面垂直），x 軸與y 軸的正方向與世界坐標系平行，單位為長度單位，比如mm，用矩陣C=[XC，YC，ZC]T來表示。

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

像素坐標系如圖1，坐標原點在左上角，以像素為單位，有明顯的范圍限制，即用于表示全畫面的像素長和像素長寬，用矩陣P=[u,v]T表示。

圖1 像素坐標系圖

以下公式描述了W，C，F，P 之間的關系：

式中：dx 和dy 表示1 個像素有多少長度，即用傳感器的尺寸除以像素數量，比如2928.384um×2205.216um 的傳感的分辨率為2592×1944，每個像素的大小即約1.12um。

f 表示焦距，在上圖中根據相似三角形，世界坐標中的P 點和圖像坐標中的p 點具有以下關系：

cx和cy表示中心點在像素坐標系中的位置。

要求像素坐標系中某像素點對應在世界坐標系中的位置，需要知道相機的內參、外參，相機的內參可以通過標定獲得，外參可以人為設定。

第一步，將像素坐標變換到相機坐標系：

兩邊乘以K 的逆后推導出：

第二步，從相機坐標系變換到世界坐標系：

將方程乘以R-1，可以推導出：

如此，便可直接從像素坐標直接計算出世界坐標。

3 應用效果

以安徽省阜陽市王家壩水文站為例，應用AR視頻水文信息系統，可以獲得如水位信息，包括實時水位尺，保證水位警戒水位、閘門、測流裝置等信息，并在AR 視頻水文系統實時顯示；通過視角拖拽的方式遠程實時了解當前水位的變化情況，同時在實地勘測和規劃過程中進行輔助；通過不同切面的標注以及大數據分析，提供智能化的決策支持。

從應用結果來看，基于AR 視頻水文測站實時監測技術對水文監測具有重要意義，開辟了水文監測技術發展的新道路，解放了配置于水文測站的人力與物力，打通了水文與智能監測的新通道，AR 視頻感知系統在水利領域具有巨大的潛力，將引領技術創新的潮流，為水資源管理、水利工程設計和水利文化傳承帶來革命性的變化，推動水利行業向更智能、可持續的方向發展，提高水利工程的效率、安全性和可持續性。

4 結語

水利部安排部署“十四五”時期和2021 年水旱災害防御工作中，李國英部長強調要強化預報、預警、預演、預案“四預”措施。該系統通過將AR 技術與水文監測相結合，提供更快更及時水文監測結果，目前，該項技術已在安徽省阜陽市王家壩、合肥桃溪等水文站進行了實際應用，通過將視頻水位分析、閘門分析、測速分析等無縫融入AR 實景中，并支持在實景畫面中直接操作，與傳統孤島式的密集監控視頻模式相比，用戶體驗將隨著水文測站的監控系統的越來越好，引入增強現實技術在視頻實景地圖中進行資源整合和人機交互的監控模式，無疑是一種比較好的選擇。AR 技術將成為行業場景數據的連接器，將非結構化數據和結構化數據建立時間與空間上的關聯關系，從而提升水文監測整體服務效率和水平，AR 視頻水文測站實時監測技術具有廣泛的應用前景，將在水利工程、環保和生態保護、防洪減災等領域發揮重要作用■