本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別，特別涉及一種水域富營(yíng)養(yǎng)化污染視覺識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、對(duì)水域和水體，特別對(duì)作為生產(chǎn)、生活用水的地表取水源的水體污染狀況的及時(shí)了解，對(duì)于民眾的生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展尤其重要。而這些對(duì)人們生產(chǎn)和生活有著重要意義的水域，經(jīng)常因?yàn)樗w中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及氮、磷等元素的過(guò)量積累，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，最終導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化(eutrophication)。這種現(xiàn)象在江河湖泊中叫水華(又稱藻花)，在海中叫赤潮。水體富營(yíng)養(yǎng)化引起水質(zhì)惡化，生態(tài)失衡，造成影響惡劣、損失巨大的生態(tài)災(zāi)害。

2、而目前對(duì)水域的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的了解，基本依賴于人力巡檢和人眼識(shí)別，不僅人力成本消耗大，而且存在人力未能覆蓋的盲區(qū)多，掌握(污染)情況不及時(shí)等一系列弊病。因此不依賴人力或人眼能自動(dòng)判斷水域是否被富營(yíng)養(yǎng)化污染以及污染程度，正成為時(shí)代所需。

3、在信息技術(shù)上，帶(自)學(xué)習(xí)功能的人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展。而以有學(xué)習(xí)能力的人工智能為核心算法的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)也隨之快遞發(fā)展，得以廣泛應(yīng)用，滲透到各行各業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服傳統(tǒng)水域富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)視和管理中依賴于人力或人眼模式所帶來(lái)的弊病，本發(fā)明提供一種水域富營(yíng)養(yǎng)化污染視覺識(shí)別方法，通過(guò)圖片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，對(duì)比相機(jī)拍攝的或攝像頭采集的水域圖像，自動(dòng)判斷出水域是否被富營(yíng)養(yǎng)化污染，以及可能的污染程度。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種水域富營(yíng)養(yǎng)化污染視覺識(shí)別方法，包括以下步驟：

4、步驟1：拍攝待識(shí)別水域的照片，將照片劃分成背景區(qū)域和識(shí)別區(qū)域；

5、步驟2：通過(guò)不同富營(yíng)養(yǎng)化污染的水域照片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)；

6、步驟3：對(duì)比相機(jī)拍攝或攝像頭采集的監(jiān)視水域的照片，自動(dòng)識(shí)別并判斷出監(jiān)視水體或水域是否處于富營(yíng)養(yǎng)化污染，以及被污染的程度。

7、進(jìn)一步的，所述步驟1包括以下內(nèi)容：

8、對(duì)于固定機(jī)位和固定放縮度攝像頭/相機(jī)，對(duì)其拍攝的一張待識(shí)別水域照片中，標(biāo)出背景區(qū)域ab和識(shí)別區(qū)域ar，區(qū)域用一個(gè)封閉的多邊形表示，系統(tǒng)記錄多邊形每個(gè)頂點(diǎn)所在的二維坐標(biāo)，并計(jì)算背景區(qū)域面積sb和識(shí)別區(qū)域的面積sr；

9、對(duì)于可變朝向和放縮度的攝像頭/相機(jī)，針對(duì)其每個(gè)朝向和放縮度對(duì)應(yīng)的照片中，按照上面方式標(biāo)記出背景區(qū)域和識(shí)別區(qū)域。

10、優(yōu)選的，所述識(shí)別區(qū)域?yàn)楸O(jiān)管水域有效范圍內(nèi)的水面，所述背景區(qū)域位于所述識(shí)別區(qū)域以水面邊界線為軸的對(duì)稱區(qū)域內(nèi)，且顏色單調(diào)接近于白色，兩者均為封閉區(qū)域，且能被攝像頭或相機(jī)拍攝進(jìn)一張照片中。

11、進(jìn)一步的，所述步驟2包括以下內(nèi)容：

12、(1)求得背景區(qū)域平均單位像素各通道灰度值；

13、(2)求得訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值；

14、(3)線性歸一化訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值；

15、即，將背景區(qū)域平均單位像素通道值設(shè)為通道最大值的條件下，按訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道值與背景區(qū)域平均單位像素各通道值的比例，調(diào)整訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)平均單位像素通道值；

16、(4)訓(xùn)練集的每一條記錄，由訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)的平均單位像素各通道的灰度值和被富營(yíng)養(yǎng)化污染標(biāo)記組成。

17、優(yōu)選的，所述步驟2中，訓(xùn)練的圖片包含水域被富營(yíng)養(yǎng)化污染和未被富營(yíng)養(yǎng)化污染兩種，每種圖片至少一張，由訓(xùn)練者將圖片連同其標(biāo)記“被富營(yíng)養(yǎng)化污染”或“未被富營(yíng)養(yǎng)化污染”，輸入系統(tǒng)，一張用于系統(tǒng)學(xué)習(xí)的圖片對(duì)應(yīng)一個(gè)訓(xùn)練樣本，設(shè)訓(xùn)練集圖片數(shù)為k，按以下步驟完成系統(tǒng)的訓(xùn)練工作：

18、步驟21：對(duì)每張訓(xùn)練圖片執(zhí)行如下操作實(shí)現(xiàn)標(biāo)記輸入：

19、在圖片標(biāo)記一塊背景區(qū)域alb和一塊訓(xùn)練區(qū)域alt，系統(tǒng)記錄各區(qū)域的頂點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算背景區(qū)域面積slb和訓(xùn)練區(qū)域面積slt，并標(biāo)記該圖片對(duì)應(yīng)的被富營(yíng)養(yǎng)化污染集合中的元素；

20、被富營(yíng)養(yǎng)化污染標(biāo)記集合可記為c＝{c1＝a,c2＝u}，元素a表示被富營(yíng)養(yǎng)化污染，u表示未被富營(yíng)養(yǎng)化污染，記圖片對(duì)應(yīng)的被富營(yíng)養(yǎng)化污染標(biāo)記為cα；

21、步驟22：對(duì)每張訓(xùn)練圖片，執(zhí)行如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)，設(shè)以下步驟處理的圖片序號(hào)為j，1≤j≤k；

22、步驟221：對(duì)背景區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)，分別累加r、g、b通道灰度值放入rtb＝∑r、gtb＝∑g、btt＝∑b中，然后將累加值除以背景區(qū)域面積得到背景區(qū)域平均單位像素各通道值rbv＝rtbslb、gbv＝gtbslb，bbv＝btbslb；

23、步驟222：對(duì)訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)，分別累加r、g、b通道灰度值放入rtt＝∑r、gtt＝∑g、btt＝∑b中，然后將累加值除以訓(xùn)練區(qū)域面積得到訓(xùn)練區(qū)域平均單位像素各通道值rtv＝rttslt、gtv＝gttslt、btv＝bttslt；

24、步驟223：按如下公式在各通道最大灰度值mgv內(nèi)線性歸一化訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值：

25、

26、上述公式中，符號(hào)表示向下取整；

27、步驟224：將表示第j張圖片對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練知識(shí)向量四元組

28、記錄到訓(xùn)練集知識(shí)庫(kù)中；

29、即紅綠藍(lán)通道的訓(xùn)練值分別對(duì)應(yīng)訓(xùn)練集知識(shí)庫(kù)的第1、2、3列，而被富營(yíng)養(yǎng)化污染標(biāo)記對(duì)應(yīng)第4列，用函數(shù)表示就是τj(4)＝cα。

30、進(jìn)一步的，所述步驟3包括以下內(nèi)容：

31、對(duì)于待識(shí)別的照片，按系統(tǒng)記錄的背景板區(qū)域和識(shí)別區(qū)域位置，將圖片劃分成標(biāo)記背景板區(qū)域和識(shí)別區(qū)域，依次進(jìn)行如下操作：

32、(1)計(jì)算背景區(qū)域平均單位像素各通道灰度值：對(duì)背景區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)，分別累加各通道灰度值，然后將累加值除以背景區(qū)域面積來(lái)得到；

33、(2)計(jì)算識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值：對(duì)識(shí)別區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)，分別累加各通道灰度值，然后將累加值除以訓(xùn)練區(qū)域面積得到；

34、(3)利用線性歸一化識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值：將背景區(qū)域平均單位像素通道值設(shè)為通道最大值的條件下，按識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道值與背景區(qū)域平均單位像素各通道值的比例，調(diào)整識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素通道值；

35、(4)將識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值標(biāo)準(zhǔn)化為類條件概率的權(quán)值d＝(d1,d2,…,dm)：將識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道值按其總和中所占比例，讓總和對(duì)應(yīng)固定值，將其歸一化為整數(shù)；

36、(5)計(jì)算該圖片所屬類的似然性：

37、p(cl|d)

38、上式中，l＝1,2；

39、(6)計(jì)算出的似然性最大對(duì)應(yīng)的類cl對(duì)應(yīng)的含義，即為該圖片是否屬于被污染狀態(tài)的判斷結(jié)果。

40、優(yōu)選的，對(duì)于待識(shí)別的照片，按系統(tǒng)記錄的背景區(qū)域和識(shí)別區(qū)域的位置，將照片劃分成背景區(qū)域ab和識(shí)別區(qū)域ar，步驟3中按以下步驟來(lái)完成對(duì)照片的識(shí)別：

41、步驟31：計(jì)算背景區(qū)域平均單位像素各通道灰度值：對(duì)背景區(qū)域ab內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)，分別累加r、g、b通道灰度值放入rrb＝∑r、grb＝∑g、brb＝∑b中，然后將累加值除以背景區(qū)域面積得到背景區(qū)域平均單位像素各通道值rrbv＝rrbsb、grbv＝grbsb、brbv＝brbsb，求得背景區(qū)域平均單位像素各通道灰度值；

42、步驟32：計(jì)算識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值：對(duì)識(shí)別區(qū)域ar內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)，分別累加r、g、b通道灰度值放入rrr＝∑r、grr＝∑g、brr＝∑b中，然后將累加值除以識(shí)別區(qū)域面積得到識(shí)別區(qū)域平均單位像素各通道值rrv＝rrrsr、grv＝grrsr、brv＝brrsr，求得識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值；

43、步驟33：線性歸一化識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值：將背景區(qū)域平均單位像素通道值設(shè)為通道最大值的條件下，按識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道值與背景區(qū)域平均單位像素各通道值的比例，調(diào)整識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素通道值；

44、按如下公式在各通道最大灰度值mgv內(nèi)線性歸一化識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值：

45、

46、步驟34：將識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道灰度值標(biāo)準(zhǔn)化為類條件概率的權(quán)值d＝(d1,d2,…,dm)：按以下公式，將識(shí)別區(qū)域內(nèi)平均單位像素各通道值按其總和中所占比例，讓總和對(duì)應(yīng)固定值，將其歸一化為100內(nèi)整數(shù)權(quán)值：

47、

48、步驟35：照片可以表示為一個(gè)三元組d＝(d1,d2,d3)＝(dr,dg,db)，按照以下公式來(lái)計(jì)算該圖片所屬類的似然性：

49、

50、上式中，l＝1,2，c1、c2分別表示被富營(yíng)養(yǎng)化污染和未被富營(yíng)養(yǎng)化污染；m為彩色數(shù)碼圖片的通道數(shù)；

51、p(cl)為訓(xùn)練集中屬于cl類各通道灰度值和與全體樣本灰度值之比：

52、即，

53、其中，k為訓(xùn)練集中的記錄數(shù)；

54、p(ti|cl)＝(類cl下在第i通道灰度值之和)/(類cl所有通道灰度值之和)：

55、即，

56、步驟36：上述公式計(jì)算出的似然性最大對(duì)應(yīng)的類cl對(duì)應(yīng)的含義，即為該圖片是否屬于被污染狀態(tài)的判斷結(jié)果，用公式表示為：

57、

58、本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

59、本發(fā)明涉及一種水域富營(yíng)養(yǎng)化污染視覺識(shí)別方法，特別涉及基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的，對(duì)江河湖海等自然水域以及塘壩、水庫(kù)等人工水體，是否處于富營(yíng)養(yǎng)化污染狀態(tài)的方法。本方法適合基于安放在監(jiān)視水域岸邊或水體中的漂浮式或固定式監(jiān)測(cè)站上的攝像頭所采集的照片來(lái)運(yùn)行，無(wú)需借助飛行器或航天器來(lái)獲得航拍照片或衛(wèi)星照片。具有識(shí)別粒度細(xì)、反應(yīng)快，響應(yīng)及時(shí)等特點(diǎn)。