基于GIS高點視頻定位的研究及應(yīng)用

陳春霜 福建省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司 福州市 350003

0 引言

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System簡稱GIS）是隨著地理科學(xué)、空間科學(xué)、計算機技術(shù)、遙感技術(shù)和信息科學(xué)發(fā)展起來的一門技術(shù)，是一個能夠?qū)臻g相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、管理、分析和可視化輸出的計算機信息系統(tǒng)［1］。將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)結(jié)合，既可以發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時圖像可視化的優(yōu)勢，又可以充分發(fā)揮GIS管理空間數(shù)據(jù)的特點，讓使用人員能夠全面地、實時地了解監(jiān)控礦山等對象的空間分布狀況及變化情況，并結(jié)合視頻圖像數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)進行融合分析，為使用人員決策或踏勘提供實時可靠的證據(jù)鏈［2］。

本文利用鐵塔公司的高點鐵塔現(xiàn)有資源（包含高塔、機房、電力系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施）最大化降低建設(shè)成本實現(xiàn)快速部署前端攝像頭，并針對高點視頻中礦山場景需要監(jiān)控的對象進行定位研究，能實現(xiàn)GIS空間數(shù)據(jù)管理和視頻監(jiān)控圖像管理有效融合應(yīng)用，解決業(yè)內(nèi)人士衛(wèi)片圖斑核查時效差、現(xiàn)場勘探定位困難等問題。

1 高點視頻GIS監(jiān)測技術(shù)

高點視頻監(jiān)測技術(shù)的基本思路是：在具有分布范圍廣、海拔高等特點的鐵塔上搭載攝像頭，以對鐵塔周邊3公里范圍內(nèi)的礦山開采行為進行7×24小時實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)礦山開采違法行為、及時制止礦山開采違法行為，最終達到“早發(fā)現(xiàn)、早制止、嚴查處”的目的。高點視頻監(jiān)測技術(shù)的實現(xiàn)主要包括兩條路線：一是通過先進技術(shù)選擇合適的鐵塔站點搭載攝像頭，攝像頭安裝、調(diào)試、上線后，對觀察到的礦山視頻進行分析并獲取相對應(yīng)的視頻信息；二是對選擇好的鐵塔站點進行緩沖區(qū)分析確定研究區(qū)域，同時利用ArcGIS軟件針對緩沖區(qū)制作可視域范圍和解決該區(qū)域參照物精準(zhǔn)定位問題，接著采用遙感監(jiān)測手段對研究區(qū)進行礦山遙感信息提取，以獲取研究區(qū)范圍內(nèi)的礦山基本信息。最后，將兩種途徑獲取的視頻信息與礦山基本信息進行一一匹配融合，最終實現(xiàn)對鐵塔周邊范圍內(nèi)的礦山進行實時監(jiān)控。

如圖1所示，高點視頻監(jiān)測技術(shù)的主要步驟包括：鐵塔站點選址、攝像頭搭載及視頻分析、遙感監(jiān)測手段摸底調(diào)查以及視頻與遙感監(jiān)測信息的融合等。

圖1 視頻GIS基本路線圖

遙感監(jiān)測信息精度要求一般較高，故采用單點精確定位方法［3］。以高塔搭載的攝像機為原點，結(jié)合礦山區(qū)域的矢量圖斑和地形地貌衛(wèi)星影像高程圖，首先通過GIS三維可視域模塊進行可視域分析，在攝像機所指礦山方向上標(biāo)記出明顯的參照物，其次對已知攝像頭的掛載高度、經(jīng)緯度、俯仰角和水平角度計算出該礦區(qū)某一特殊參照物的精確位置信息，得到所測某一特殊參照物與高塔之間的距離后將其按地圖比例轉(zhuǎn)換算成距離L，如圖2所示。

孔云峰教授提出的公路地理數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)集成的技術(shù)方案對本文具有借鑒價值。他指出，建立空間位置（XY）與視頻幀（T）之間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)方式是將空間位置、方位、速度等信息進行音頻調(diào)制，并存儲在視頻數(shù)據(jù)的一個聲道中；播放視頻影像時，再將空間數(shù)據(jù)音頻解調(diào)。另一種實現(xiàn)方式是為視頻影像建立專門的元數(shù)據(jù)，描述特定視頻幀與地理位置的對照關(guān)系，考慮到視頻影像采集是一個連續(xù)過程，可以使用插值方式獲得所有視頻幀的空間位置［4］。在本文應(yīng)用中，將礦山場景中的移動工程車輛或人員的地理位置（X，Y）與視頻幀（T或F）之間建立對應(yīng)關(guān)系，通過移動工程車輛和人員的地理坐標(biāo)來調(diào)用其相應(yīng)的視頻文件，同時視頻文件建立影元數(shù)據(jù)，通過內(nèi)插計算所有視頻幀的地理位置。

圖2 高塔攝像頭與參照物GIS定位分析圖例

2 攝像頭掛載及視頻GIS分析

2.1 鐵塔站點選址

鐵塔公司在云南擁有10萬多座鐵塔，由于受經(jīng)濟條件、地理條件等因素的影響，并不是每個鐵塔都可以實現(xiàn)搭載攝像頭監(jiān)測礦山的目的。因此，首先要通過對礦山及站點數(shù)據(jù)進行空間分析（如緩沖區(qū)分析，疊加分析等，初步篩選出鐵塔站點；其次，對站點一定范圍內(nèi)（3km）進行通視分析，再次篩選出通視效果較好的站點；最后，對再次篩選的站點進行實地模擬勘察，根據(jù)外業(yè)核查效果，最終確定鐵塔站點。

2.2 攝像頭搭載及視頻分析

由于云南省以山地高原地形為主，且地勢起伏較大，因此安裝的攝像頭容易受到地形、周邊環(huán)境等影響。為了達到合適的監(jiān)控礦山效果與盡可能廣泛利用社會高空視頻掛載資源的目的，這就要求安裝環(huán)境盡可能保證監(jiān)控視野廣、無障礙、監(jiān)控角度大等條件。因此，通過將鐵塔提升到一定的高度，如20米至40米，來滿足監(jiān)控的要求。攝像頭安裝調(diào)試成功后，需要對獲取的視頻圖像及各種信號等進行分析。攝像頭可實現(xiàn)方位角3600，俯仰角-150到900全方位、7×24小時實時監(jiān)控。

視頻分析主要是通過對視頻圖像內(nèi)容進行分析。首先，手動控制攝像頭進行3600旋轉(zhuǎn)，大致觀察周邊環(huán)境找出典型參照物（圖3）（例如坑塘、藍頂板房、操場等），并利用前面分析對這些參照物進行精準(zhǔn)定位；其次，大致確定視野范圍內(nèi)可以觀察到的礦山；最后，進一步確認視野范圍內(nèi)礦山的位置、范圍，并獲取相對應(yīng)的視頻信息。

圖3 典型參考物圖

2.3 遙感監(jiān)測手段摸底調(diào)查

把最終選定的鐵塔站點3km緩沖區(qū)作為研究區(qū)，采用礦山遙感監(jiān)測手段對研究區(qū)范圍內(nèi)的礦山開發(fā)活動進行摸底調(diào)查，并獲取相應(yīng)的礦山基本信息。

需要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型：以3km緩沖區(qū)作為研究區(qū)，疊加歷年自然資源部下發(fā)圖斑（新到舊）、歷年礦權(quán)（新到舊）、對應(yīng)區(qū)域的影像，進行礦山開發(fā)狀況的調(diào)查（包括開采面圖斑范圍的勾繪與屬性的賦值）。

調(diào)查內(nèi)容主要包括：礦山名稱、礦種類型、歷年下發(fā)圖斑信息、最新期次的礦權(quán)資料、對應(yīng)的站點名稱；判斷礦山有無有效采礦權(quán)；判斷是否存在疑似違法行為等。如圖4所示。

圖4 圖斑范圍勾繪示意圖

2.4 視頻與遙感監(jiān)測信息的融合

視頻分析獲取的視頻信息與遙感監(jiān)測手段獲取的礦山基本信息分別屬于兩個不同領(lǐng)域，很難準(zhǔn)確判斷“誰對誰錯”。因此，為了達到準(zhǔn)確、實時監(jiān)控礦山的目的，需要通過融合手段，將視頻看到的礦山與室內(nèi)遙感手段監(jiān)測的礦山進行一一對應(yīng)、匹配，最終實現(xiàn)給視頻觀察到的礦山賦予礦山名稱、礦種類型、歷年下發(fā)圖斑信息以及最新期次的礦權(quán)資料等基本信息的目的（圖5）。

融合的主要方法為：首先，通過視頻找典型參照物（坑塘、交叉路口等），然后再在遙感影像中尋找參考物對應(yīng)的解譯標(biāo)志進行定位；其次，通過在遙感影像中判斷參考物與解譯開采面的相對位置，從而在視頻里找到所對應(yīng)的礦山；最后，對于監(jiān)控視頻可以有效觀察到的開采面，進行一對一監(jiān)測點編號，并對于移動工程車輛進行跟蹤處理。

圖5 視頻信息與礦山基本信息一一對應(yīng)示意圖

融合的關(guān)鍵問題在于：如何進一步確定高點視頻觀察到的礦山部分與遙感影像的那一部分一一對應(yīng)，這就涉及到如何實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)塊（電子圍欄）進行準(zhǔn)確劃分。針對常見的礦產(chǎn)資源違法類型，目前主要采用以下幾種方法進行監(jiān)測區(qū)塊（電子圍欄）的劃分：①疑似無證礦山，對整個開采面進行劃定監(jiān)測區(qū)塊即可（圖6）；只要在區(qū)塊范圍內(nèi)出現(xiàn)挖掘機、運輸車、礦山人員等就進行報警，同時由野外調(diào)查人員進行核實。②疑似越界礦山，首先需要借助遙感影像、礦權(quán)等一系列資料，獲取開采面遙感影像的界內(nèi)部分，開采面的其余部分即為越界部分；接著，需要確認視頻圖像那一部分對應(yīng)越界部分，并把這一部分設(shè)置為監(jiān)測區(qū)塊（圖7）。對于越界部分監(jiān)測區(qū)塊范圍內(nèi)出現(xiàn)挖掘機、運輸車、礦山人員等就進行報警，同時由調(diào)查人員進行核實。③對于視頻監(jiān)控不到有效開采面的部分，可以通過以下間接標(biāo)志進行監(jiān)測（例如：在視頻監(jiān)控范圍內(nèi)確認礦山道路是否只有一條；是否可以有效觀察到作業(yè)灰塵等跡象）。

圖6 無證礦山電子圍欄圈定示意圖（框內(nèi)為預(yù)警區(qū)域）

圖7 有證礦山電子圍欄圈定示意圖（框內(nèi)為預(yù)警區(qū)域）

3 高點監(jiān)控建設(shè)難點以及解決方案

高點監(jiān)控建設(shè)的重點和難點是前端高點監(jiān)控關(guān)鍵點的監(jiān)控桿塔、電力、網(wǎng)絡(luò)傳輸通道等基礎(chǔ)配套設(shè)施的建設(shè)。同時礦山附近站點如何保障后續(xù)設(shè)備維護、電力保障以及基礎(chǔ)配套設(shè)施維護也是難點問題。

4 結(jié)束語

通過借助鐵塔公司高點位鐵塔的基站資源，最大化減低建設(shè)成本和建設(shè)難度，同時視頻與遙感監(jiān)測信息的高度融合得到廣泛應(yīng)用，減少現(xiàn)場作業(yè)人員實地踏勘的難度和衛(wèi)片圖斑核查時效差等問題，并基于GIS高點視頻進行研究與應(yīng)用，以彌補各自的不足。