基于双目视觉和点跟踪的城市洪涝地表流速实时监测方法

本发明属于水利与计算机视觉交叉领域，尤其涉及一种基于双目视觉和点跟踪的城市洪涝地表流速实时监测方法。

背景技术：

1、近年来，受极端降雨频发、城市不透水面积增加、排水系统局部超负荷运行等因素影响，城市洪涝灾害呈现突发性强、空间差异大、局部演进快和安全风险高等特点。道路低洼点、下穿隧道、地铁出入口、泵站前池、排水口周边和地下空间入口等区域，一旦出现快速汇流和高流速地表径流，容易造成行人涉水失稳、车辆熄火漂移、井盖顶托、基础设施损坏和应急通行受阻。因此，实时获取城市洪涝地表流速，对于洪涝风险研判、交通管制、人员疏散和应急调度具有重要意义。

2、现有城市洪涝流速监测方法主要包括接触式流速仪、雷达测速、水动力模型模拟和普通视频测速等。接触式流速仪需要布设于水体内部，安装维护成本高，且在城市道路积水、漂浮物较多和强降雨环境中容易受到冲击或堵塞；雷达测速设备虽可实现非接触测量，但单点设备成本较高，难以大范围密集部署；常规视频测速通常通过跟踪图像中的漂浮物、纹理斑块或水面波纹获得二维像素位移，并依赖预设水面高程、平面假设或尺度映射关系换算实际流速。当水面高程或道路坡度发生变化时，原有映射关系容易产生偏差，导致实际尺度恢复不稳定；水动力模型模拟依赖降雨、管网、地形、糙率等大量输入数据，模型构建和参数维护成本较高，难以满足局部洪涝场景中快速、实时、动态修正的需求。

技术实现思路

1、为有效解决现有城市洪涝流速监测中接触式设备部署维护困难、单目视觉尺度恢复不稳定、普通视频测速准确性不足和复杂洪涝场景下可用性有限的问题，本发明提出了一种基于双目视觉和点跟踪的城市洪涝地表流速实时监测方法。

2、根据本技术实施例的第一方面，提供一种基于双目视觉和点跟踪的城市洪涝地表流速实时监测方法，包括：

3、s1：获取城市洪涝监测区域内双目摄像头的标定参数和双目摄像头的同步洪涝地表视频，校正得到左视角视频帧序列和右视角视频帧序列；

4、s2：基于点跟踪模型，对所述左视角视频帧序列中的水面可有效连续追踪运动特征进行跨帧跟踪，得到各水面漂浮物特征点在每一视频帧中的二维轨迹；

5、s3：针对左视角视频帧序列中各水面漂浮物特征点进行右视角特征点匹配，基于匹配结果进行双目三角测量，恢复水面漂浮物特征点在不同时刻的三维空间坐标；

6、s4：根据帧间时间间隔以及各水面漂浮物特征在该时间间隔内的三维空间坐标差，计算城市洪涝地表代表流速。

7、进一步地，步骤s1包括：

8、s11：对双目摄像头进行标定，获取左相机内参矩阵、右相机内参矩阵、畸变参数、左右相机之间的相对旋转矩阵和平移向量以及视频帧率；

9、s12：根据所述左右相机之间的平移向量确定双目基线长度，并根据所述视频帧率确定相邻视频帧之间的时间间隔；

10、s13：获取对左右视角同步的洪涝地表视频，基于所述畸变参数、所述左右相机之间的相对旋转矩阵和平移向量，进行畸变校正和极线校正，得到左视角视频帧序列和右视角视频帧序列。

11、进一步地，步骤s2包括：

12、s21：在所述左视角视频帧序列的初始查询帧中确定水面区域；

13、s22：在所述水面区域中，按照预设网格规模自动布设若干初始查询点；

14、s23：基于所述左视角视频帧序列和所述初始查询点，利用点跟踪模型得到所述初始查询点在连续视频帧中的二维轨迹，并根据各查询点的跨帧运动状态筛选有效的水面漂浮物特征点及其二维轨迹。

15、进一步地，步骤s23中，根据点跟踪模型输出的可见性信息，判断各初始查询点对应的所有二维轨迹点是否均为有效可见点，若是，即所述初始查询点可以被有效连续跟踪，则判定其为所述水面漂浮物特征点，其二维轨迹即为水面漂浮物特征点的二维轨迹。

16、进一步地，步骤s3包括：

17、s31：基于所述左视角视频帧序列和右视角视频帧序列，通过特征匹配得到各右视角视频帧中与同一时刻的左视角视频帧中各水面漂浮物特征点对应的特征点，构建带有匹配置信度的左右视角特征点对；

18、s32：基于预定的匹配置信度阈值，筛选满足匹配置信度要求的有效左右视角特征点对；

19、s33：根据所述有效左右视角特征点对，结合双目摄像头的标定参数进行双目三角测量，恢复各水面漂浮物特征点在对应时刻的三维空间坐标。

20、进一步地，步骤s4包括：

21、根据相邻两个时刻各水面运动特征的三维空间坐标差和时间间隔，计算各水面漂浮物特征的有效瞬时洪涝地表流速；

22、对同一时间间隔内各水面运动特征的有效瞬时洪涝地表流速进行分位数统计，从而选取该时间间隔内的城市洪涝地表代表流速。

23、进一步地，若一个时间间隔内的所有水面运动特征均不存在有效瞬时洪涝地表流速，则采用前一时刻的有效代表流速或预设默认流速作为当前时刻的补偿流速。

24、根据本技术实施例的第二方面，提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

25、根据本技术实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

26、一个或多个处理器；

27、存储器，用于存储一个或多个程序；

28、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

29、根据本技术实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

30、本技术的实施例提供的技术方案利用点跟踪模型获取左视角视频中水面可追踪运动特征的跨帧轨迹；利用右视角视频帧中的特征点匹配和双目三角测量恢复每一轨迹点的三维空间坐标；再根据相邻帧三维空间位移和帧间时间间隔计算水面表层流速，从而获得城市洪涝地表流速时间序列，具有以下有益效果：

31、（1）本发明采用双目摄像头恢复水面运动特征的三维空间坐标，避免单目视频测速对理想水平面假设的强依赖，提高城市洪涝流速测量中的真实尺度恢复能力。

32、（2）本发明采用cotracker视觉ai点跟踪模型对水面可追踪运动特征进行跨帧跟踪，能够在视频序列中获得连续二维轨迹和可见性信息，提高水面运动特征提取与跟踪的自动化程度。

33、（3）本发明通过左右视角特征点匹配和双目三角测量恢复轨迹点三维坐标，并基于相邻帧三维位移计算流速，能够从图像运动转化为真实空间运动，适用于道路积水、下穿通道、地铁出入口和排水口周边等城市洪涝场景。

34、（4）本发明采用可见性信息、匹配置信度、物理速度阈值和第80百分位统计对流速结果进行筛选和稳健估计，能够减少误跟踪、反光、遮挡和局部异常运动造成的影响，提高流速时间序列的稳定性。

35、综上所述，本发明提出的一种基于双目视觉和点跟踪的城市洪涝地表流速实时监测算法，借助城市中可布设的双目摄像头，通过视觉ai点跟踪、双目特征点匹配、三角测量和三维位移测速，直接获取洪涝场景中的地表表层流速。该算法具备非接触、响应快速、自动化程度高和适用于复杂城市洪涝场景等特点，有效解决了传统流速监测方法普遍存在的部署成本高、局部实时性不足和尺度恢复不稳定等问题，为城市洪涝灾害的科学管理和应急决策提供技术支撑。

36、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。