基于GIS的漁政視頻AI預(yù)警處置系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

向其權(quán)，唐 爽，魏耀東，朱 炎，李小波，文 哲

（1.重慶比特數(shù)圖科技有限公司，重慶 401121；2.重慶市農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法總隊，重慶 400020；3.中國鐵塔股份有限公司重慶市分公司，重慶 401121）

長江重點水域“十年禁漁”是以習(xí)近平同志為核心的黨中央從戰(zhàn)略全局高度和長遠發(fā)展角度做出的重大決策，是落實長江經(jīng)濟帶共抓大保護措施、扭轉(zhuǎn)長江生態(tài)環(huán)境惡化趨勢的關(guān)鍵之舉[1]；但當(dāng)前禁漁工作存在管轄面積廣、執(zhí)法力量不足、違法行為發(fā)現(xiàn)難、執(zhí)法裝備欠缺、違法行為夜間高發(fā)、取證固證難、執(zhí)法管理信息化程度低、事件處置行動反應(yīng)慢等問題，確?！敖麧O令”不會成為一紙空文，是擺在漁政執(zhí)法行業(yè)部門面前的重大難題。為補齊執(zhí)法能力短板，加大執(zhí)法打擊力度，破解“發(fā)現(xiàn)難、取證難、反應(yīng)慢”等難題，本文研發(fā)了基于GIS的漁政視頻AI預(yù)警處置系統(tǒng)，通過“人防+技防”的方式，利用高清視頻監(jiān)控、AI人工智能、GIS網(wǎng)格化等技術(shù)和手段，在重要水域部署高清視頻監(jiān)控點位，實現(xiàn)全天候視頻監(jiān)控、違法行為AI識別與主動預(yù)警、網(wǎng)格化執(zhí)法巡護工作全過程閉環(huán)管理，及時發(fā)現(xiàn)非法捕撈行為并實施精準打擊，全面提升漁政執(zhí)法能力。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 WebGIS+地理網(wǎng)格化技術(shù)

WebGIS技術(shù)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，采用B/S架構(gòu)，使客戶端無需安裝專業(yè)GIS軟件，即可獲得地理空間信息服務(wù)。通過WebGIS技術(shù)，可在瀏覽器端瀏覽、查詢、編輯空間信息數(shù)據(jù)[2]。地理網(wǎng)格是劃分地理空間分布而形成的網(wǎng)格。基于地理網(wǎng)格的網(wǎng)格化管理思想已被世界各國成功應(yīng)用于城市管理、環(huán)境、交通等諸多領(lǐng)域，主要通過對空間進行網(wǎng)格無縫劃分，實現(xiàn)管理空間精細化與信息資源共享[3]；同時地理網(wǎng)格技術(shù)也在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用[4]。本文利用地圖網(wǎng)格技術(shù)將監(jiān)管河段網(wǎng)格矢量數(shù)據(jù)發(fā)布為地圖服務(wù)，再通過地圖API進行調(diào)用，實現(xiàn)河段網(wǎng)格的顯示、定位、查詢、網(wǎng)格匹配等功能。

1.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控技術(shù)主要用于探測、監(jiān)視設(shè)防區(qū)域，實時顯示、記錄現(xiàn)場圖像，檢索和顯示歷史圖像。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像頭、傳輸載體、相關(guān)控制軟件和記錄組成，并利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等進行智能化分析和云端存儲[5]。視頻監(jiān)控技術(shù)具有悠久的歷史，傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域。隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，對視頻監(jiān)控領(lǐng)域也有了更高要求。隨著寬帶的普及、計算機技術(shù)的發(fā)展、圖像處理技術(shù)的提高，視頻監(jiān)控正越來越廣泛地滲透到政府、娛樂、醫(yī)療等各種領(lǐng)域。在漁政執(zhí)法場景中，可利用視頻監(jiān)控技術(shù)對白天、夜間3～5 km范圍內(nèi)河段以及水面進行全天候?qū)崟r監(jiān)控。

1.3 AI計算機視覺技術(shù)

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控已無法滿足人們的需求，在監(jiān)控上需要布置大量的工作人員，長時間工作會產(chǎn)生視覺疲勞，極易在一些工作和生產(chǎn)上造成嚴重問題，費時費力，還不能有效保障工作安全。在視頻監(jiān)控中引入智能分析系統(tǒng)，許多問題都能得到極大改善[6]。機器視覺技術(shù)通過攝像機拍攝圖像，對相關(guān)數(shù)據(jù)序列進行合理分析，并根據(jù)工作環(huán)境狀態(tài)對管理目標進行定位、識別和跟蹤[7]，是圖像處理、人工智能和模式識別等技術(shù)的綜合。根據(jù)視覺應(yīng)用場景的不同，計算機視覺分為傳統(tǒng)視覺和與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的計算機視覺，傳統(tǒng)視覺的應(yīng)用主要針對特定對象的檢測，如邊緣檢測、霍夫變換、斑點檢測等；與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的計算機視覺作為傳統(tǒng)視覺的補充，其應(yīng)用主要針對一些能允許一定錯誤率的行業(yè)，如圖像搜索、圖像識別、行為識別等。在漁政執(zhí)法場景中，將AI深度學(xué)習(xí)與機器視覺技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對違法垂釣、違法捕撈目標與行為的識別預(yù)警。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)路徑

通過架設(shè)在沿江沿河的高清視頻監(jiān)控設(shè)備對水面、水岸進行全天候?qū)崟r監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上疊加邊緣融合AI分析盒對視頻流進行實時識別分析，一旦發(fā)生違法捕撈、非法垂釣等違法行為，第一時間取證固證、解算事發(fā)位置并將事件信息回傳至漁政視頻AI預(yù)警處置系統(tǒng)，系統(tǒng)將事件位置與人防網(wǎng)格河段管理進行空間位置匹配，第一時間協(xié)同調(diào)用鄰近5G云廣播進行示警驅(qū)離，并將事件信息精準推送至對應(yīng)網(wǎng)格人員進行現(xiàn)場處置，執(zhí)法人員到達現(xiàn)場后通過移動執(zhí)法終端進行現(xiàn)場處置，并將結(jié)果回傳，完成事件閉環(huán)管理。技術(shù)路徑如圖1所示。

圖1 技術(shù)路徑圖

2.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)采用多層體系結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和擴展性，邏輯上由動態(tài)感知（IAAS）層、AI分析預(yù)警（PAAS）層、業(yè)務(wù)應(yīng)用（SAAS）層和終端用戶層組成，如圖2所示。動態(tài)感知（IAAS）層主要包括前端視頻監(jiān)控、云廣播、邊緣計算存儲等設(shè)備，實現(xiàn)對全流域覆蓋感知、全天候視頻監(jiān)控；AI分析預(yù)警（PAAS）層主要通過云邊融合視頻AI技術(shù)實現(xiàn)違法行為的主動識別與預(yù)警，包括船舶非法入侵識別、非法捕撈行為識別、非法垂釣識別，并將疑似違法事件信息主動推送至業(yè)務(wù)平臺；業(yè)務(wù)應(yīng)用（SAAS）層面向不同用戶提供不同功能，包括面向領(lǐng)導(dǎo)決策的執(zhí)法監(jiān)察駕駛艙、面向執(zhí)法管理人員的漁政執(zhí)法AI預(yù)警處置系統(tǒng)、面向一線執(zhí)法巡護人員的現(xiàn)場執(zhí)法巡護App；終端用戶層主要包括監(jiān)管領(lǐng)導(dǎo)、執(zhí)法管理人員、執(zhí)法人員、巡護人員以及公安、水利、環(huán)保等共享用戶，根據(jù)不同用戶權(quán)限進行數(shù)據(jù)調(diào)用與功能使用。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

1）動態(tài)感知（IAAS）層負責(zé)合理布設(shè)監(jiān)控點位，選擇監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)全流域覆蓋感知，全天候視頻監(jiān)控。針對漁政目前夜間違法多、河面多雨多霧等現(xiàn)狀，選擇具備紅外夜視、激光補光、熱成像、光學(xué)透霧、自動雨刮、自動巡航等特性的視頻監(jiān)控設(shè)備進行全天候監(jiān)控。根據(jù)實際河道和水面寬度，結(jié)合重點河段、保護區(qū)以及違法高發(fā)區(qū)進行點位布設(shè)，因地制宜地選擇重載云臺（5 km）、中載云臺（3 km）、網(wǎng)絡(luò)攝像機（1 km），實現(xiàn)全覆蓋感知。

2）AI分析預(yù)警（PAAS）層基于云邊融合視頻AI技術(shù)實現(xiàn)違法行為的主動識別與預(yù)警。區(qū)別于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控，在視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上疊加AI邊緣計算盒，在無人值守情況下，實現(xiàn)對非法捕撈、非法垂釣等違法行為的主動識別、取證固證、位置解析與預(yù)警上報，如圖3所示。

圖3 AI分析預(yù)警流程圖

系統(tǒng)支持非法垂釣?zāi)繕伺c行為識別，即支持在白天和夜間場景下對岸邊人員（站姿、坐姿、蹲姿、長時間滯留）、魚竿（單桿、多桿）、遮陽傘、頭燈、漁具等目標與行為的主動識別；支持非法捕撈目標與行為識別，即支持在白天和夜間場景下對江面漁船（小木船、小鐵船、橡皮艇、木筏等）、捕撈工具（漁網(wǎng)、電魚器具等）等目標與行為的主動識別；支持事件工單的自動生成，事件信息包括違法行為視頻取證、圖片取證、事件類型、事件時間、事件位置等關(guān)鍵信息，如圖4所示。

圖4 AI識別示意圖

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用（SAAS）層基于地理空間網(wǎng)格化智能匹配技術(shù)實現(xiàn)人防技防協(xié)同調(diào)度處置。通過劃分管理網(wǎng)格，實現(xiàn)河段網(wǎng)格化管理，系統(tǒng)將事件位置與網(wǎng)格管理進行匹配，智能調(diào)度周邊執(zhí)法人員和裝備力量，實現(xiàn)人防技防協(xié)同調(diào)度。收到事件預(yù)警后，第一時間協(xié)同調(diào)用鄰近5G云廣播進行示警驅(qū)離，并將事件信息精準推送對應(yīng)網(wǎng)格人員進行現(xiàn)場處置，執(zhí)法人員到達現(xiàn)場后通過移動執(zhí)法終端進行現(xiàn)場處置，并將處置結(jié)果實時回傳，完成事件閉環(huán)管理（圖5）。

圖5 事件協(xié)同聯(lián)動處置圖

3.2 應(yīng)用效果

系統(tǒng)成果在重慶市、四川省、江西省、湖北省等多地進行了應(yīng)用，幫助漁政執(zhí)法部門開展?jié)O政執(zhí)法工作，有效解決了“發(fā)現(xiàn)難、取證難、反應(yīng)慢”等難題，同時創(chuàng)新了漁政執(zhí)法監(jiān)管信息化手段，提高了漁政執(zhí)法能力水平。

4 結(jié)語

針對漁政執(zhí)法領(lǐng)域面臨的執(zhí)法難題，本文設(shè)計研發(fā)的漁政視頻AI預(yù)警處置系統(tǒng)將地理信息、視頻AI技術(shù)引入到漁政執(zhí)法領(lǐng)域，構(gòu)建了集全流域無縫覆蓋、全天候視頻監(jiān)控、違法行為AI識別與預(yù)警、預(yù)警信息精準推送、網(wǎng)格化巡查處置、人防技防統(tǒng)一調(diào)度等功能于一體的新型執(zhí)法監(jiān)管模式，有效解決了“發(fā)現(xiàn)難、取證難、反應(yīng)慢”等難題，擴展了地理信息在各行業(yè)部門的應(yīng)用，拓展了地理信息平臺的服務(wù)領(lǐng)域。目前，系統(tǒng)利用地理信息特性在實際應(yīng)用中發(fā)揮出了獨特優(yōu)勢，后續(xù)將繼續(xù)探索如何將更多GIS技術(shù)特性融入到漁政執(zhí)法信息化建設(shè)中，為漁政執(zhí)法部門提供更好的技術(shù)支撐。