ISSN 1004-4965

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一种基于深度学习的城市道路积水内涝图像识别方法

张志坚 伍光胜 黎洁仪 陈雨欣 张静 孙伟忠

张志坚, 伍光胜, 黎洁仪, 陈雨欣, 张静, 孙伟忠. 一种基于深度学习的城市道路积水内涝图像识别方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 918-930. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.080
引用本文: 张志坚, 伍光胜, 黎洁仪, 陈雨欣, 张静, 孙伟忠. 一种基于深度学习的城市道路积水内涝图像识别方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 918-930. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.080
ZHANG Zhijian, WU Guangsheng, LI Jieyi, CHEN Yuxin, ZHANG Jing, SUN Weizhong. A Method for Urban Road Waterlogging Image Recognition Based on Deep Learning[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 918-930. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.080
Citation: ZHANG Zhijian, WU Guangsheng, LI Jieyi, CHEN Yuxin, ZHANG Jing, SUN Weizhong. A Method for Urban Road Waterlogging Image Recognition Based on Deep Learning[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 918-930. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.080

一种基于深度学习的城市道路积水内涝图像识别方法

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.080
基金项目: 

广州市科技计划项目 201803030014

广州市科技重点研发计划(广州市智慧气象科技协同创新中心建设项目) 2023B04J0704

详细信息
    通讯作者:

    伍光胜,男,广东省人,研究员级高级工程师,主要从事大气探测、观测资料应用领域研究。Email:596424966@qq.com

  • 中图分类号: P429

A Method for Urban Road Waterlogging Image Recognition Based on Deep Learning

  • 摘要: 为了提高超大城市积水内涝的监测预警能力,针对现有积水内涝检测方法实用性、实时性存在的不足,依托广州市9万余个高密度公共监控视频作为数据基础,基于深度学习的目标检测RTMDet (Real-Time Models for Object Detection) 模型建立了一种道路积水内涝图像识别方法,采用多线程技术实现大规模视频点图像的高效采集,同时基于实例分割RTMDet模型实现积水内涝目标的快速检测和识别。使用2018年8月15日—2020年5月23日通过视频接口和互联网收集的共8 463张图像样本集构建识别模型,用2020年6月25日—2022年9月10日采集的6 106张图像对模型进行检验评估。结果表明:强降水过程中,模型能准确识别出具有明显积水内涝特征的图像及积水内涝特征所处图像的位置区域,数据清洗后模型总体识别准确率为86.60%;光线干扰和降水造成摄像头画面模糊是导致模型虚警的两大主要因素。研究成果已经在广州气象影响预报业务检验和广州市应急指挥决策辅助系统应用,为城市积水内涝自动监测和预警提供有效支撑,对水务、交通等气象业务场景有一定的参考价值。

     

  • 图  1  自动气象站(a)和公共监控视频点(b)分布图

    图  2  自动站与视频点采集关系图

    图  3  不同样本(a、b:单色样本;c:正常样本)像素及其色阶分布直方图(a1、b1、c1),基于颜色直方图统计方法识别的单色图像样本个例(d、e、f)

    图  4  模糊图像样本数量与拉普拉斯变换矩阵和S分布(a)及使用拉普拉斯图像模糊度计算方法发现的模糊样本个例

    图  5  研究技术路线图

    图  6  积水内涝显著性特征检测方法

    图  7  积水内涝特征标注(标注前:a,b;标注后:a1,b1

    图  8  模型训练及识别流程图

    图  9  训练过程的准确率和损失值

    图  10  2021年5月29日0时—6月4日23时最大小时雨量(a)和累计雨量(b)

    图  11  2021年5月29日0时至6月4日23时积水内涝图像个例(白天时段:a,b,c;夜间时段:d,e,f)及其对应积水内涝特征显著性热力图(a1~f1

    图  12  2021年5月29日0时至6月4日23时积水内涝视频点分布图

    图  13  白天和夜间时段积水内涝识别准确率对比

    图  14  环境光线造成识别错误的个例

    图  15  降水条件下镜头模糊造成识别错误的个例

    图  16  焦距拉近(a)和镜头被遮挡(b)造成识别错误的个例

    表  1  不同条件的图像样本情况

    数据集类别 积水内涝图像样本/张
    视频图像样本 夜间条件 1 851
    白天条件 5 006
    扩充图像样本 夜间条件 762
    白天条件 844
    合计 8 463
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    表  2  不同年份的数据清洗前后积水内涝图像识别结果

    年份 采集图像总数/张 数据清洗前 数据清洗后
    识别积水内涝图像/张 实际积水内涝图像/张 识别准确率/% 识别积水内涝图像/张 实际积水内涝图像/张 识别准确率/%
    2020 285 507 975 831 85.23 958 831 86.74
    2021 619 474 2 996 2 432 81.17 2 813 2 432 86.46
    2022 638 491 2 135 1 784 83.56 2 057 1 784 84.30
    合计 6 106 5 047 82.66 5 828 5 047 86.60
    下载: 导出CSV

    表  3  识别错误的结果统计分析

    干扰因素 图像数量/张 样本占比/%
    环境光线影响 286 36.62
    降水条件下镜头模糊 239 30.60
    焦距拉近或镜头被遮挡 113 14.47
    其他 143 18.31
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-04
  • 修回日期:  2024-02-19
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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