基于AR 视频水文测站实时监测技术研究与应用

白石，蔡国成

（1.内蒙古自治区水文水资源中心，内蒙古自治区 呼和浩特 010000；2.安徽沃特水务科技有限公司，安徽 合肥 230000）

1 现状与需求

近年来，各省的水文部门都在积极推进水文监测体系建设，随着视频监控技术的迅猛发展，水文监测的信息化程度得到了大幅提高。然而，与水利部“预报、预警、预演、预案”的要求相比，仍存在一定的差距。其中，一个重要的制约因素就是缺乏一个统一视频监控载体作为整个应用场景的连接器。

增强现实（AR）技术在监控实景可视化方面具有独特的优势，可以在视频监控的“现实”基础上进行“增强”。通过实时计算摄像机视频物体位置及角度进行建模，AR 技术可以在监控画面中添加各种视频标签，如实时水位、警戒水位、重点区域、视频名称、时间等重要信息。这些信息可以直观、有效地辅助用户远程处理水文测站的异常和突发情况，从而提高水文监测的效率和精度。

AR 技术通过实时计算摄像机视频物体位置及角度进行建模，增加虚拟图像（如虚拟水尺）、视频或三维模型与之叠加，将现实世界通过虚拟技术进行呈现，并实现深度交互。用户可以实时执行操作并获取信息反馈，从而实现全新用户体验维度。AR 技术将极大地推动水文监测体系的进一步发展和完善，为实现水利部的“预报、预警、预演、预案”要求提供强有力的技术支持。同时，也为水利行业的预警和决策提供了更加准确、实时和可靠的数据支持。此外，通过深度学习算法和人工智能技术的结合，AR 技术还可以实现更高级别的自动化和智能化监测，进一步提升水文监测的效率和精度，为用户提供更加精准、实时的监测数据和决策支持。

2 技术实现

2.1 AR 技术原理

AR 技术具有虚拟现实融合、实时交互等特征，从技术手段和表现形式上可以分为基于视觉的AR（VisionbasedAR）和基于地理位置信息的AR（LBSbasedAR）。在这里主要使用的技术是基于视觉的AR。Marker-LessA 的实现方法是在屏幕中找到一个具有足够特征点的物体作为平面基准，然后通过摄像头对该物体进行识别和姿态评估，并确定其位置，将该物体的中心作为原点坐标系，并与屏幕坐标系建立映射关系，当摄像头扫描周围场景的时候，会提取周围场景的特征点并与之前选定物的特征点进行比较，如果特征点的匹配度大于阈值，则确定为该物体，然后根据对应的特征点坐标确定当前的屏幕坐标，从而可以将想要绘制的图形或者是3D 模型如同依附在现实物体上一样展现在屏幕上。

2.2 视频像素与地理坐标的自动转换

世界坐标系：其坐标原点可视情况而定，关键在于方便表达物体在三维空间中的位置，单位为长度单位，比如mm，用矩阵W=[XW，YW，ZW]T表示。

相机坐标系：以摄像机光心为原点（在针孔模型中也就是针孔为中心），z 轴与光轴重合，也就是z 轴指向相机的前方（与成像平面垂直），x 轴与y 轴的正方向与世界坐标系平行，单位为长度单位，比如mm，用矩阵C=[XC，YC，ZC]T来表示。

图像物理坐标系（也叫成像平面坐标系）：用物理长度单位表示像素的位置，坐标原点为摄像机光轴与图像物理坐标系的交点位置。坐标系为图上o-xy，单位为长度单位，比如mm，用矩阵F=[x,y]T表示。

像素坐标系如图1，坐标原点在左上角，以像素为单位，有明显的范围限制，即用于表示全画面的像素长和像素长宽，用矩阵P=[u,v]T表示。

图1 像素坐标系图

以下公式描述了W，C，F，P 之间的关系：

式中：dx 和dy 表示1 个像素有多少长度，即用传感器的尺寸除以像素数量，比如2928.384um×2205.216um 的传感的分辨率为2592×1944，每个像素的大小即约1.12um。

f 表示焦距，在上图中根据相似三角形，世界坐标中的P 点和图像坐标中的p 点具有以下关系：

cx和cy表示中心点在像素坐标系中的位置。

要求像素坐标系中某像素点对应在世界坐标系中的位置，需要知道相机的内参、外参，相机的内参可以通过标定获得，外参可以人为设定。

第一步，将像素坐标变换到相机坐标系：

两边乘以K 的逆后推导出：

第二步，从相机坐标系变换到世界坐标系：

将方程乘以R-1，可以推导出：

如此，便可直接从像素坐标直接计算出世界坐标。

3 应用效果

以安徽省阜阳市王家坝水文站为例，应用AR视频水文信息系统，可以获得如水位信息，包括实时水位尺，保证水位警戒水位、闸门、测流装置等信息，并在AR 视频水文系统实时显示；通过视角拖拽的方式远程实时了解当前水位的变化情况，同时在实地勘测和规划过程中进行辅助；通过不同切面的标注以及大数据分析，提供智能化的决策支持。

从应用结果来看，基于AR 视频水文测站实时监测技术对水文监测具有重要意义，开辟了水文监测技术发展的新道路，解放了配置于水文测站的人力与物力，打通了水文与智能监测的新通道，AR 视频感知系统在水利领域具有巨大的潜力，将引领技术创新的潮流，为水资源管理、水利工程设计和水利文化传承带来革命性的变化，推动水利行业向更智能、可持续的方向发展，提高水利工程的效率、安全性和可持续性。

4 结语

水利部安排部署“十四五”时期和2021 年水旱灾害防御工作中，李国英部长强调要强化预报、预警、预演、预案“四预”措施。该系统通过将AR 技术与水文监测相结合，提供更快更及时水文监测结果，目前，该项技术已在安徽省阜阳市王家坝、合肥桃溪等水文站进行了实际应用，通过将视频水位分析、闸门分析、测速分析等无缝融入AR 实景中，并支持在实景画面中直接操作，与传统孤岛式的密集监控视频模式相比，用户体验将随着水文测站的监控系统的越来越好，引入增强现实技术在视频实景地图中进行资源整合和人机交互的监控模式，无疑是一种比较好的选择。AR 技术将成为行业场景数据的连接器，将非结构化数据和结构化数据建立时间与空间上的关联关系，从而提升水文监测整体服务效率和水平，AR 视频水文测站实时监测技术具有广泛的应用前景，将在水利工程、环保和生态保护、防洪减灾等领域发挥重要作用■