[论文解读] Feasibility study of urban flood mapping using traffic signs for route optimization

Bahareh Alizadeh, Diya Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Flood Risk Assessment and Management参考文献 42被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于众包的城市洪水制图系统，利用淹没的停车标志图像与洪水前的照片，通过深度学习和图像处理估算洪水深度。生成的高分辨率洪水地图可支持基于A*算法的路径优化，实现安全疏散，证明了其在洪水期间实时决策支持的可行性。

ABSTRACT

Water events are the most frequent and costliest climate disasters around the world. In the U.S., an estimated 127 million people who live in coastal areas are at risk of substantial home damage from hurricanes or flooding. In flood emergency management, timely and effective spatial decision-making and intelligent routing depend on flood depth information at a fine spatiotemporal scale. In this paper, crowdsourcing is utilized to collect photos of submerged stop signs, and pair each photo with a pre-flood photo taken at the same location. Each photo pair is then analyzed using deep neural network and image processing to estimate the depth of floodwater in the location of the photo. Generated point-by-point depth data is converted to a flood inundation map and used by an A* search algorithm to determine an optimal flood-free path connecting points of interest. Results provide crucial information to rescue teams and evacuees by enabling effective wayfinding during flooding events.

研究动机与目标

• 开发一种利用现有基础设施的低成本、可扩展的精细化城市洪水制图方法。
• 利用淹没的停车标志的众包图像，实现高时空分辨率的洪水深度估算。
• 将洪水深度估算结果整合到路径优化中，以支持应急响应与疏散。
• 评估在真实条件下利用交通标志作为洪水深度指示器的可行性。
• 支持城市洪水事件中的及时空间决策。

提出的方法

• 在洪水期间和洪水前众包智能手机拍摄的停车标志照片，确保图像带有地理标签并时间同步配对。
• 使用深度神经网络比较洪水前与洪水影响后的图像，实现像素级洪水深度估算。
• 应用图像处理技术优化深度估算结果，减少比较过程中的噪声。
• 通过空间插值将点状深度估算结果转换为连续的洪水淹没地图。
• 将洪水地图输入A*搜索算法，计算兴趣点之间的最优无洪水路径。
• 使用真实城市洪水场景的数据验证系统，评估其精度与路径规划性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 淹没的停车标志能否作为城市环境中估算洪水深度的可靠指标？
• RQ2 深度学习模型从交通标志的洪水前与洪水影响图像对中估算洪水深度的精度如何？
• RQ3 所生成的洪水地图在多大程度上能改善疏散与应急响应的路径优化？
• RQ4 部署基于众包、低成本系统实现实时城市洪水制图的可行性如何？
• RQ5 将洪水深度数据整合到路径规划中，如何提升洪水期间路径规划的安全性与效率？

主要发现

• 该系统成功利用图像比对在停车标志位置估算出洪水深度，精度足以支持路径决策。
• 生成的洪水淹没地图使A*算法能够计算出兴趣点之间的最优无洪水路径。
• 该方法证明了利用现有城市基础设施与众包数据实现实时、可扩展洪水制图的可行性。
• 利用交通标志作为洪水深度指示器，在高空间分辨率下有效捕捉了局部洪水状况。
• 将深度估算结果整合到路径规划中，显著提升了模拟洪水事件中的疏散规划效果。
• 该方法为城市地区传统洪水监测系统提供了一种低成本、可部署的替代方案。