水利工程實(shí)時(shí)圖像資源切片與應(yīng)用

駱小龍，耿洛桑，余金銘，余 魁

（1.浙江省水利信息管理中心，浙江 杭州 310009；2.浙江大禹信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310002）

0 引言

汛情信息是進(jìn)行防汛決策的根本依據(jù)，也是各級(jí)防汛部門開展非工程措施建設(shè)的基礎(chǔ)[1]，涵蓋了水情、雨情、工情、臺(tái)風(fēng)路徑、衛(wèi)星云圖、視頻圖像、工程圖片等一系列與防汛防臺(tái)相關(guān)的實(shí)時(shí)信息。浙江省的汛情信息采集起源于20世紀(jì)90年代，以實(shí)時(shí)水雨情信息采集為標(biāo)志，近年來已延伸到工程視頻圖像信息采集。圍繞實(shí)時(shí)圖像信息采集的水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)很多，并逐步在浙江省各級(jí)防汛防臺(tái)指揮調(diào)度中投入應(yīng)用，在防汛防臺(tái)指揮決策中發(fā)揮了很好的作用。

然而，針對(duì)浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)，圖像信息必須通過帶控件的專用客戶端軟件以視頻流形式展現(xiàn)和發(fā)布，考慮到客戶端軟件安裝不便和視頻流對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的高要求，系統(tǒng)應(yīng)用覆蓋面受到限制。

如何簡(jiǎn)化客戶端操作，擴(kuò)大圖像信息應(yīng)用面，提高圖像信息利用率，一直是值得研究的內(nèi)容。此處采用切片技術(shù)，在浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，充分利用水利工程實(shí)時(shí)圖像變化不大的特點(diǎn)，將實(shí)時(shí)圖像以一定時(shí)間間隔采樣后以圖片形式存儲(chǔ)、發(fā)布和應(yīng)用，既無專用客戶端軟件安裝要求，又無網(wǎng)絡(luò)高帶寬要求，同時(shí)又能反映水利工程的實(shí)時(shí)狀況，可被廣泛應(yīng)用于各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)采用中國電信“全球眼”方式構(gòu)建，利用寬帶網(wǎng)絡(luò)將分散和獨(dú)立的圖像采集點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)控、存儲(chǔ)、管理和資源共享，是行業(yè)管理者應(yīng)急管理和調(diào)度的一種全新及直觀的管理平臺(tái)。系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、數(shù)字化存儲(chǔ)、圖像分發(fā)廣播、集中管理控制等功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程圖像的實(shí)時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)由管理端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、前端設(shè)備、客戶端/監(jiān)控中心等4部分組成。拓?fù)鋱D如圖1所示。

1）系統(tǒng)管理端。是整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)、控制、認(rèn)證、管理中心，由存儲(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器及相關(guān)管理軟件組成。系統(tǒng)提供分布式及集中式2種存儲(chǔ)方式，可實(shí)現(xiàn)媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)和歷史數(shù)據(jù)回放。用戶訪問系統(tǒng)需進(jìn)行合法性校驗(yàn)，且只能對(duì)授權(quán)范圍內(nèi)的監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行訪問控制，遠(yuǎn)程查看各種現(xiàn)場(chǎng)信息。

2）傳輸網(wǎng)絡(luò)。前端根據(jù)具體點(diǎn)位和環(huán)境網(wǎng)絡(luò)情況，可選擇光纖、ADSL 或 3G 無線等方式，帶寬可選擇 2～4Mbit/s。監(jiān)控中心和分中心采用互聯(lián)網(wǎng)接入連接。

圖1 水利監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3）前端設(shè)備。主要由攝像機(jī)、視頻編碼器、立桿等設(shè)備組成。攝像機(jī)主要采用室外一體化快球攝像機(jī)。前端編碼設(shè)備主要采用單路編碼器，支持H.264，MPEG2，MPEG4，MJPEG 等編碼格式，提供從單路到16路各種密度的規(guī)格，支持高至8Mbit/s的高清碼流或低至128kbit/s 的標(biāo)清碼流，可以在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下滿足各類網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控前端編碼、存儲(chǔ)和解碼的需求。

4）客戶端/監(jiān)控中心。是用戶接收實(shí)時(shí)視頻圖像的終端?？蛻舳塑浖捎密浗獯a方式獲取圖像；監(jiān)控中心采用硬件視頻解碼器方式獲取圖像，并采用電視墻顯示。

2 總體框架

水利工程實(shí)時(shí)圖片是以浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用客戶端切片程序，通過專線傳輸通道對(duì)圖像監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)全部圖像資源切片后形成的圖片。實(shí)時(shí)圖片資源通過 WebService 服務(wù)按站點(diǎn)、時(shí)間等方式發(fā)布后，為各類行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)。實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。由攝像機(jī)、視頻編碼器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器等設(shè)施組成，為實(shí)時(shí)圖像資源的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)和發(fā)布提供基礎(chǔ)條件。

圖2 總體結(jié)構(gòu)

2）應(yīng)用支撐層。由數(shù)據(jù)中心和認(rèn)證平臺(tái)等組成。通過該層，各用戶通過身份認(rèn)證服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行登陸認(rèn)證，表現(xiàn)層的各應(yīng)用系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和提取。

3）應(yīng)用服務(wù)層。以 WebService 方式搭建各類數(shù)據(jù)訪問接口，并通過 IIS 發(fā)布和管理各類接口，為系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)提供通道。WebService技術(shù)的引入有效地解決了系統(tǒng)直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)帶來的連接不安全、訪問速度慢、并發(fā)性不高等問題，真正實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與服務(wù)器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的無關(guān)性。

4）表現(xiàn)層。由各專業(yè)的、需要采集水利工程實(shí)時(shí)圖片資源的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)組成，如浙江省臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)，防汛掌上通平臺(tái)，水利工程管理系統(tǒng)等。在各應(yīng)用系統(tǒng)中，工程的實(shí)時(shí)圖片作為一種汛情信息源被采集應(yīng)用。

5）用戶層。由表現(xiàn)層各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的面向?qū)ο蟠_定。從角色來說，既可以是普通社會(huì)公眾，也可以是水利行業(yè)專業(yè)工作人員；從終端工具來說，既可以是普通 PC 終端應(yīng)用者，也可以是移動(dòng)終端用戶。

3 切片原理

3.1 切片流程

實(shí)時(shí)圖像資源需通過切片后才能形成實(shí)時(shí)圖片，切片流程圖如圖3所示。切片程序由多個(gè)服務(wù)器組成，客戶端（Client）將切片任務(wù)交由切片任務(wù)管理服務(wù)器（CapCMS），并由 CapCMS 具體分配任務(wù)至各切片程序服務(wù)器（CapImgServer），CapImgServer 根據(jù)程序指令執(zhí)行切片任務(wù)，按控制權(quán)限連接遠(yuǎn)端視頻服務(wù)器，并調(diào)用前置攝像信息，完成抓拍切片后，將圖片返回給 CapCMS，CapCMS最后將數(shù)據(jù)按固定格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（DB）中，至此，整個(gè)視頻圖像切片過程完成。

圖3 切片流程圖

CapCMS 是圖像切片的中心管理服務(wù)，在系統(tǒng)中起到管理本域內(nèi) CapImgServer，Client，DB 的信令和業(yè)務(wù)策略控制等作用；CapImgServer 是圖像切片的抓拍服務(wù)，在系統(tǒng)中起到執(zhí)行直接抓拍任務(wù)的功能；Client 是圖像切片的客戶端服務(wù)，在系統(tǒng)中起到提交抓拍任務(wù)功能；DB 是圖像切片的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，在系統(tǒng)中起記錄抓拍的圖片路徑、用戶登陸、日志管理等作用。

在具體切片工作中，可根據(jù)前置監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量多少，配備多臺(tái)服務(wù)器合理部署 CapImgServer，以此提高抓拍效率，縮短完成抓拍任務(wù)的時(shí)間。

1）切片參數(shù)。切片程序如何運(yùn)行，需要由預(yù)先配置的各項(xiàng)參數(shù)信息確定。切片參數(shù)決定了切片程序工作時(shí)水利工程實(shí)時(shí)圖像資源的采集范圍、采樣頻率、圖片質(zhì)量、保存格式等。

a）切片對(duì)象。水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量非常多，難以保證每時(shí)每刻全部可用?？紤]到切片程序服務(wù)器的硬件性能，以及圖像監(jiān)控點(diǎn)的可用性，每個(gè)切片程序要預(yù)先設(shè)置可管理的圖像監(jiān)控點(diǎn)對(duì)象。

b）切片頻率。即對(duì)每個(gè)圖像監(jiān)控點(diǎn)對(duì)象隔多長時(shí)間抓拍1次。根據(jù)水利行業(yè)的特點(diǎn)，汛期對(duì)水利工程的關(guān)注度高，抓拍間隔時(shí)間短，一般可1h 甚至 0.5h 抓拍1次；非汛期對(duì)水利工程的關(guān)注度相對(duì)少，幾小時(shí)甚至1d 抓拍1次即可?？紤]到許多圖像監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)于野外，夜間光線差，且無紅外功能，建議過濾夜間抓拍時(shí)段。從技術(shù)手段而言，目前單臺(tái)服務(wù)器一般支持16路并發(fā)，即同時(shí)有16個(gè)通道對(duì)16個(gè)前端監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行1輪抓拍采集，耗時(shí)大約為25～30s。

c）切片質(zhì)量。實(shí)時(shí)圖像切片后，圖片分辨率多少，圖片質(zhì)量如何，這不僅取決于圖像監(jiān)控點(diǎn)前端編碼器支持的碼流大小，也取決于客戶端程序初始化配置時(shí)用戶要求的圖片質(zhì)量。一般而言，圖像前端編碼器是 D1格式，則切片后圖片是 D1分辨率；前端編碼器是 CIF 格式，則切片后圖片為 CIF 分辨率。用戶可在初始化時(shí)配置低于前端編碼器格式的分辨率。

d）文件格式。程序切片后支持多種格式的存儲(chǔ)，如 BMP，JPG，CIF 等格式?？紤]到存儲(chǔ)容量和清晰度，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用 JPG 格式。JPG 是目前主流圖片格式，支持多級(jí)壓縮，且質(zhì)量較好，在清晰度不變情況下，存儲(chǔ)容量可大幅下降，每張圖片大小約 300～500kbit。

2）命名規(guī)則。水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控點(diǎn)遍布全省各地，實(shí)時(shí)圖像資源切片后，產(chǎn)生大量的圖片文件。系統(tǒng)不僅要有序完成各圖像監(jiān)控點(diǎn)的切片，更要自動(dòng)規(guī)范圖片文件的命名格式，方便文件的檢索和調(diào)用。

為此，圖片文件存儲(chǔ)時(shí)命名格式統(tǒng)一為：設(shè)備編號(hào) + 通道號(hào) +“—”+年月日時(shí)分秒。其中，設(shè)備編號(hào)為18位字符長度，前6位為浙江省的各地區(qū)編碼；通道號(hào)，也稱為攝像頭 ID，用4位字符長度，標(biāo)識(shí)同一前置設(shè)備下的各攝像頭編號(hào)；年份用4位字符長度，月日時(shí)分秒各用2位字符長度，不足部分補(bǔ)“0”表示。通過統(tǒng)一命名格式，可精確標(biāo)識(shí)所有圖像監(jiān)控點(diǎn)的全部圖片，并被各應(yīng)用程序調(diào)用。

3.2 安全機(jī)制

水利工程實(shí)時(shí)圖像資源包含的信息多，數(shù)據(jù)量大，在防汛期間重要性顯著，圖像資源采集、切片、存儲(chǔ)和發(fā)布的安全問題也相當(dāng)突出。經(jīng)過深入研究，提出如下解決方案：

1）專線連接。確保圖像資源采集和切片的傳輸通道暢通。水利工程實(shí)時(shí)圖像的切片操作實(shí)時(shí)性要求高，數(shù)據(jù)量大，占用帶寬多，公網(wǎng)線路難以勝任。為此，在水利廳中心機(jī)房與運(yùn)行商之間租用專線，專門用于切片程序客戶端與視頻服務(wù)器之間的圖片傳輸。

2）帳戶管理。避免非法用戶對(duì)前端圖像監(jiān)控點(diǎn)的控制操作。系統(tǒng)具有完善的授權(quán)機(jī)制，可方便地授予用戶不同級(jí)別的權(quán)限，用戶只能執(zhí)行權(quán)限內(nèi)的操作。切片程序?qū)γ恳宦穲D像資源切片時(shí)，必須通過合法的帳戶密碼獲得該前端圖像監(jiān)控點(diǎn)的控制權(quán)限，方可完成切片操作，獲取實(shí)時(shí)圖片[2]。

3）SAN 存儲(chǔ)。保障實(shí)時(shí)圖片的大容量冗余存儲(chǔ)和發(fā)布。所有的圖像監(jiān)控點(diǎn)按一定時(shí)間間隔連續(xù)切片后，形成大量的實(shí)時(shí)圖片，難以用普通的 PC 服務(wù)器來存儲(chǔ)。為此，引入 SAN 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，通過專用的存儲(chǔ)設(shè)施，解決數(shù)據(jù)的存放和快速調(diào)用響應(yīng)問題。

4 資源發(fā)布

通過切片程序產(chǎn)生的大量實(shí)時(shí)圖片，作為并列于水情、雨情、臺(tái)風(fēng)、云圖以外的另一種汛情資源，以 WebService 接口方式面向水利行業(yè)的各類業(yè)務(wù)應(yīng)用發(fā)布。這不同于浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)的視頻流圖像直接調(diào)用發(fā)布方式，它不單獨(dú)形成系統(tǒng)，而僅以服務(wù)方式作為其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)組成部分。

考慮到時(shí)效性，圖片發(fā)布分為當(dāng)前和歷史圖片2種方式，圖片提取時(shí)根據(jù) WebService 不同接口方法獲取圖片信息，主要接口方法定義如下：

1）String Image Latest，通過視頻設(shè)備編碼獲取最新圖片，參數(shù)說明如表1所示。

表1 Image Latest 接口方法參數(shù)表

2）String Image History，通過視頻設(shè)備編碼及時(shí)間獲取歷史圖片，參數(shù)說明如表2所示。

5 應(yīng)用

水利工程實(shí)時(shí)圖片作為水情、雨情、工情、臺(tái)風(fēng)路徑、衛(wèi)星云圖等信息后的又一種汛情信息，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)的各類業(yè)務(wù)管理和輔助決策應(yīng)用系統(tǒng)中，并憑借著直觀視覺效果，支撐著應(yīng)用系統(tǒng)在水利行業(yè)中發(fā)揮強(qiáng)有力的作用。

表2 Image History 接口方法參數(shù)表

5.1 在防汛防臺(tái)相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用

浙江地處我國東南沿海，洪澇臺(tái)災(zāi)頻發(fā)，是防汛防臺(tái)的重點(diǎn)省份之一。近年來，圍繞著防汛減災(zāi)問題，已經(jīng)建立了一系列信息發(fā)布和預(yù)警的相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，如：面向社會(huì)公眾的浙江省臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)，面向防指領(lǐng)導(dǎo)決策指揮的浙江省防汛減災(zāi) GIS 支撐平臺(tái)，面向移動(dòng)終端用戶的浙江省實(shí)時(shí)汛情發(fā)布系統(tǒng)和防汛掌上通。這些系統(tǒng)都已投入正常使用，并作為防汛防臺(tái)非工程措施，在日常防汛工作中發(fā)揮了很好的作用。但一直以來，系統(tǒng)都以數(shù)值化數(shù)據(jù)為支撐，不能直觀地向領(lǐng)導(dǎo)和公眾展現(xiàn)工程即時(shí)現(xiàn)場(chǎng)效果。

系統(tǒng)引入實(shí)時(shí)圖片資源后，與其他汛情數(shù)據(jù)融合，利用系統(tǒng)內(nèi)嵌的電子地圖，定位圖片所在水利工程的地理位置，有效展示工程的現(xiàn)場(chǎng)信息，給領(lǐng)導(dǎo)直觀的視覺效果，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)，提高了防汛抗洪輔助決策的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。圖4為浙江省臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)整合實(shí)時(shí)圖片資源后的界面圖。

5.2 在水利工程管理相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用

近年來，隨著病險(xiǎn)水庫、水閘除險(xiǎn)加固，河道治理等大批水利工程竣工，水利工程管理任務(wù)日益加重，管理手段也不斷提升。一大批工程管理應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)形成并在日常工程管理中應(yīng)用，如：浙江省水利工程數(shù)據(jù)庫綜合信息服務(wù)、水閘管理信息、河道管理信息等系統(tǒng)。系統(tǒng)匯聚了工程的各種屬性信息，并在應(yīng)用層面整合水利工程實(shí)時(shí)圖片資源，全面展現(xiàn)工程面貌，為工程管理人員的日常管理提供了很好的手段。效果圖如圖5所示。

6 結(jié)語

圖4 浙江省臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)界面

圖5 浙江省水利工程數(shù)據(jù)庫綜合信息服務(wù)系統(tǒng)界面

以浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出以實(shí)時(shí)采集工程圖片作為數(shù)據(jù)資源服務(wù)于水利和防汛相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的理念，在闡述圖片發(fā)布、應(yīng)用總體構(gòu)架基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹實(shí)時(shí)圖像的切片原理。圖像監(jiān)控系統(tǒng)已在防汛防臺(tái)與水利工程管理相關(guān)系統(tǒng)中應(yīng)用，并發(fā)揮了強(qiáng)有力的作用。隨著水利信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，浙江省水利工程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)的工程圖像監(jiān)控點(diǎn)越來越多，水利工程實(shí)時(shí)圖片庫資源也越來越齊全。工程實(shí)時(shí)圖片正在成為水利行業(yè)工程管理、防洪減災(zāi)、水資源管理等應(yīng)用中不可或缺的重要數(shù)據(jù)，為行業(yè)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、工程管理人員及社會(huì)公眾提供服務(wù)。

[1] 虞開森，黃康，駱小龍，等.面向 GIS 的汛情信息時(shí)空展現(xiàn)[J].水利信息化，2011（6）: 11-15.

[2] 凌紅霞.安徽省防汛抗旱視頻見識(shí)系統(tǒng)二期工程建設(shè)[J].水利信息化，2011（增刊 1）: 52-55.