一种虚拟水尺获取方法、系统、装置及可读存储介质

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，更具体的说是涉及一种虚拟水尺获取方法、系统、装置及可读存储介质。

背景技术

随着计算机视觉与信息技术的快速发展，人们可以通过挖掘视频、图像中的信息为工作做数据性支撑。卷积神经网络作为近几年来图像处理及模式识别中的研究重点，受到人们越来越多的关注，它是机器学习研究中的一个新的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，通过模仿人脑的机制来解释图像，声音和文本等数据。

目前，在水文行业，为了提高水位图像的识别效率，针对传统实物水尺实时读数困难、每个点位都要重复投资建设的现状，基于虚拟水尺的水位图像识别技术得到的大力的推广。基于虚拟水尺的水位图像识别技术通过卷积神经网络及视觉标定与校准技术，能够自动识别水位读数，并在图像中画出对应刻度的虚拟水尺。

但是，现有的基于虚拟水尺的水位图像识别技术，适用于已有水利构筑物有数字模型的情况，需要在其旁边有布设单个摄像头，通过现有条件对水位进行测量。由于需要布设临时水尺对摄像头进行标定，标定后再撤除水尺，此法只能特定位置进行标定，测量点位也只能固定到一处，即只能测量一个点处的水位值。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种虚拟水尺获取方法、系统、装置及可读存储介质，通过使用单目定位技术，不通过水尺标定即可确定水面与岸边形成的水面线，通过对水面线上点的水位进行平均计算，即可自动获取虚拟水尺。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明公开了一种虚拟水尺获取方法，包括：

通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标；

获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并确定光线三维空间位置；

根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标；

根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值。

进一步，所述通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标，包括：

通过单目摄像机采集水域图像，使用AI语义分割模型对水域图像进行分割，提取出水体部分的像素，去除非水部分；

通过对分割结果进行图像去噪、增强和边缘检测，提取出水体与非水体部分交界区域中的边缘线；

提取边缘线各个像素点像平面坐标。

进一步，所述获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并确定光线三维空间位置，包括：

获取单目摄像机的拍摄位置、方位角和俯仰角；

通过棋盘板对单目摄像机的摄像头进行畸变校正，得到镜头畸变校正参数；利用镜头畸变校正参数对边缘线上各个像素点像的平面坐标进行校正，得到校正后的边缘像素点像的平面坐标；

结合拍摄位置、方位角和俯仰角，以及校正后的边缘像素点像的平面坐标，确定拍摄位置与校正后的边缘像素点组成的光线射线三维空间位置。

进一步，所述根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标，包括：

获取单目摄像机拍摄范围内的地形和人工构筑物模型，提取出与水面相接部分的数据，并整理为DEM模型；

根据DEM模型和三维空间位置的光线射线，利用空间定位方法生成边缘线上各点的空间三维坐标。

进一步，所述根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值，包括：

将边缘线各个点的三维空间坐标含有的高程信息提取出，进行平均计算，得到平均值即为虚拟水尺的读值。

进一步，所述根据DEM模型和三维空间位置的光线射线，利用空间定位方法生成边缘线上各点的空间三维坐标，包括：

根据DEM模型和光线射线的三维空间位置，确定每个光线射线与DEM模型的交点坐标；

根据每个光线射线与DEM模型的交点坐标确定边缘线上各点的空间三维坐标。

进一步，所述人工构筑物模型包括：大坝模型、岸堤模型和闸门口模型。

第二方面，本发明还公开了一种虚拟水尺获取系统，包括：

坐标提取单元，配置用于通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标；

空间位置确定单元，配置用于获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并光线确定三维空间位置；

空间坐标解算单元，配置用于根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标；

水位计算单元，配置根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值。

第三方面，本发明还公开了一种虚拟水尺获取装置，包括：

存储器，用于存储虚拟水尺获取程序；

处理器，用于执行所述虚拟水尺获取程序时实现如上文任一项所述虚拟水尺获取方法的步骤。

第四方面，本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有虚拟水尺获取程序，所述虚拟水尺获取程序被处理器执行时实现如上文任一项所述虚拟水尺获取方法的步骤。

对比现有技术，本发明有益效果在于：本发明公开了一种虚拟水尺获取方法、系统、装置及可读存储介质，通过单个摄像头的视频信息，对画面帧进行AI语义分割并提取得到水面线，依据摄像头位置、姿态、地形、镜头畸变等数据，计算得到水面线各点的空间三维坐标信息，从而得到水面线上各点的水位值，然后经平均计算后得到消除水面波动影响的水位值，进而获得虚拟水尺的读值。

本发明通过使用单目定位技术的虚拟水尺方法，不通过水尺标定即可确定水面与岸边形成的水面线，水面线上点的水位进行平均计算，可消除水波对高程的影响，也无需人员去水边标定虚拟水尺，摆脱了传统虚拟水尺实施过程中人工到水边使用水尺进行标定的危险操作；由于是用单目摄像头进行信息采集，可以充分利用存量摄像头硬件资源，没有硬件重复建设，有效降低了硬件成本。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式中一种虚拟水尺获取方法的方法流程图。

图2是本发明具体实施方式中一种虚拟水尺获取系统的系统结构图。

图3是本发明具体实施方式中一种虚拟水尺获取装置的结构示意图。

图中，1、坐标提取单元；2、空间位置确定单元；3、空间坐标解算单元；4、水位计算单元；101、处理器；102、存储器；103、输入接口；104、输出接口；105、通讯单元；106、键盘；107、显示器；108、鼠标。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本实施例提供了一种虚拟水尺获取方法，包括如下步骤：

S1：通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标。

具体来说，首先通过单目摄像机采集水域图像，使用AI语义分割模型对水域图像进行分割，提取出水体部分的像素，去除非水部分；然后通过对分割结果进行图像去噪、增强和边缘检测，提取出水体与非水体部分交界区域中的边缘线；最后提取边缘线各个像素点像平面坐标。

在具体实施方式中，本步骤的目的在于实现水面线的提取和定位，具体实施过程如下：

首先，使用AI语义分割模型对采集的水域图像进行分割，提取水体部分的像素，去除非水部分。然后对分割结果应用形态学操作、阈值分割以及应用边缘检测算子计算，从而对进行图像去噪、增强和边缘检测，准确提取到水体与非水体部分交界区域中的边缘线。最后，提取检测图中的边缘线各个像素点像平面坐标。

S2：获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并确定光线三维空间位置。

具体来说，首先，通过棋盘板对单目摄像机的摄像头进行畸变校正，得到镜头畸变校正参数。然后利用镜头畸变校正参数对边缘线上各个像素点像的平面坐标进行校正，得到校正后的边缘像素点像的平面坐标。另外，需要预先获取单目摄像机的拍摄位置、方位角和俯仰角。最后，结合拍摄位置、方位角和俯仰角，以及校正后的边缘像素点像的平面坐标，确定拍摄位置与校正后的边缘像素点组成的光线射线三维空间位置。

在具体实施方式中，本步骤的目的在于通过将拍摄位置与提取的边缘线各点的连线进行空间位置恢复。

以枪机为例，本步骤的具体实现过程描述如下：

(1)通过棋盘板对摄像头进行畸变校正，得到镜头畸变校正参数。

(2)摄像机安装位置与姿态决定了拍摄位置O、摄像机方位角和俯仰角。

(3)对边缘线上各个像素点像平面坐标运用畸变校正参数进行校正，得到校正后的边缘像素点像平面坐标。

(4)结合拍摄位置O和摄像机朝向角度，以及校正后的边缘像素点像平面坐标，可以确定O点与各校正后的边缘像素点组成的光线射线三维空间位置。

另外，对于球机的情况，需要考虑焦距的变化引起的畸变参数的变化，还需要考虑云台旋转引起的摄像头拍摄位置变化、摄像头方位角及俯仰角的问题，将这些变量带入上述过程，也同样适应球机摄像头的情况。

S3：根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标。

具体的，首先获取单目摄像机拍摄范围内的地形和人工构筑物模型，提取出与水面相接部分的数据，并整理为DEM模型。其中，人工构筑物模型包括：大坝模型、岸堤模型和闸门口模型。然后根据DEM模型和光线射线的三维空间位置，确定每个光线射线与DEM模型的交点坐标。最后，根据每个光线射线与DEM模型的交点坐标确定边缘线上各点的空间三维坐标。

在具体实施方式中，考虑到摄像机拍摄范围内的地形、人工构筑物(大坝、岸堤、闸门口等)的模型，其与水面相接的部分，可整理为精细的DEM模型。然后将DEM模型、恢复三维空间位置的光线射线作为单目摄像机的空间定位技术方法的输入条件，计算得到边缘线上各个点的空间三维坐标。

S4：根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值。

具体的，将边缘线各个点的三维空间坐标含有的高程信息提取出，进行平均计算，得到消除水面波动的水位值，输出水位值作为虚拟水尺的读数。

本发明提供了一种虚拟水尺获取方法，通过单个摄像头的视频信息，对画面帧进行AI语义分割并提取得到水面线，依据摄像头位置、姿态、地形、镜头畸变等数据，计算得到水面线各点的空间三维坐标信息，从而得到水面线上各点的水位值，然后经平均计算后得到消除水面波动影响的水位值，进而获得虚拟水尺的读值。

参见图2所示，本发明还公开了一种虚拟水尺获取系统，包括：坐标提取单元1、空间位置确定单元2、空间坐标解算单元3和水位计算单元4。

坐标提取单元1，配置用于通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标。

在具体实施方式中，坐标提取单元1具体用于：通过单目摄像机采集水域图像，使用AI语义分割模型对水域图像进行分割，提取出水体部分的像素，去除非水部分；通过对分割结果进行图像去噪、增强和边缘检测，提取出水体与非水体部分交界区域中的边缘线；提取边缘线各个像素点像平面坐标。

空间位置确定单元2，配置用于获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并确定光线三维空间位置。

在具体实施方式中，空间位置确定单元2具体用于：获取单目摄像机的拍摄位置、方位角和俯仰角；通过棋盘板对单目摄像机的摄像头进行畸变校正，得到镜头畸变校正参数；利用镜头畸变校正参数对边缘线上各个像素点像的平面坐标进行校正，得到校正后的边缘像素点像的平面坐标；结合拍摄位置、方位角和俯仰角，以及校正后的边缘像素点像的平面坐标，确定拍摄位置与校正后的边缘像素点组成的光线射线三维空间位置。

空间坐标解算单元3，配置用于根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标。

在具体实施方式中，空间坐标解算单元3具体用于：获取单目摄像机拍摄范围内的地形和人工构筑物模型，提取出与水面相接部分的数据，并整理为DEM模型；根据DEM模型和三维空间位置的光线射线，利用空间定位方法生成边缘线上各点的空间三维坐标。

水位计算单元4，配置根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值。

在具体实施方式中，水位计算单元4具体用于：将边缘线各个点的三维空间坐标含有的高程信息提取出，进行平均计算，得到平均值即为虚拟水尺的读值。

由此可见，本发明提供了一种虚拟水尺获取系统，通过使用单目定位技术的虚拟水尺方法，不通过水尺标定即可确定水面与岸边形成的水面线，水面线上点的水位进行平均计算，可消除水波对高程的影响，也无需人员去水边标定虚拟水尺，摆脱了传统虚拟水尺实施过程中人工到水边使用水尺进行标定的危险操作。

参见图3所示，本发明还公开了一种虚拟水尺获取装置，包括处理器101和存储器102；其中，所述处理器101执行所述存储器中保存的虚拟水尺获取程序时实现以下步骤：

1、通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标。

2、获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并确定光线三维空间位置。

3、根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标。

4、根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值。

本实施例提供的虚拟水尺获取装置可以包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑等。

其中，处理器101可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器101可以采用数字信号处理(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器101也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器101可以在集成有图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器101还可以包括人工智能(Artificial Intelligence，AI)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

存储器102可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器102还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器102至少用于存储以下计算机程序，其中，该计算机程序被处理器101加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的虚拟水尺获取方法的相关步骤。另外，存储器102所存储的资源还可以包括操作系统和数据等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统可以包括Windows、Unix、Linux等。数据可以包括但不限于上述虚拟水尺获取方法中涉及的数据等。

进一步的，本实施例中的虚拟水尺获取装置，还可以包括：

输入接口103，用于获取外界导入的虚拟水尺获取程序，并将获取到的虚拟水尺获取程序保存至所述存储器102中，还可以用于获取外界终端设备传输的各种指令和参数，并传输至处理器101中，以便处理器101利用上述各种指令和参数展开相应的处理。本实施例中，所述输入接口103具体可以包括但不限于USB接口、串行接口、语音输入接口、指纹输入接口、硬盘读取接口等。

输出接口104，用于将处理器101产生的各种数据输出至与其相连的终端设备，以便于与输出接口相连的其他终端设备能够获取到处理器101产生的各种数据。本实施例中，所述输出接口104具体可以包括但不限于USB接口、串行接口等。

通讯单元105，用于在服务器运行业务优化配置装置和外部服务器之间建立远程通讯连接，以便于虚拟水尺获取装置能够将镜像文件挂载到外部服务器中。本实施例中，通讯单元105具体可以包括但不限于基于无线通讯技术或有线通讯技术的远程通讯单元。

键盘106，用于获取用户通过实时敲击键帽而输入的各种参数数据或指令。

显示器107，用于对运行虚拟水尺获取过程的相关信息进行实时显示。

鼠标108，可以用于协助用户输入数据并简化用户的操作。

本发明还公开了一种可读存储介质，这里所说的可读存储介质包括随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动硬盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质。可读存储介质中存储有虚拟水尺获取程序，所述虚拟水尺获取程序被处理器执行时实现以下步骤：

1、通过单目摄像机采集水域图像，通过对水域图像进行处理，提取出图像中的边缘线各个像素点像的平面坐标。

2、获取单目摄像机的拍摄位置信息，根据拍摄位置信息及镜头畸变信息校正边缘线各个像素点像的平面坐标，并确定光线三维空间位置。

3、根据三维空间位置的光线射线，以及水域周围的地形、人工构筑物模型，解算边缘线上各点的空间三维空间坐标。

4、根据边缘线上各点的空间三维空间坐标计算出虚拟水尺的读值。

综上所述，本发明通过使用单目定位技术，不通过水尺标定即可确定水面与岸边形成的水面线，通过对水面线上点的水位进行平均计算，即可自动获取虚拟水尺。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。

同理，在本发明各个实施例中的各处理单元可以集成在一个功能模块中，也可以是各个处理单元物理存在，也可以两个或两个以上处理单元集成在一个功能模块中。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的虚拟水尺获取方法、系统、装置及可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。