基于三維地理信息系統(tǒng)的礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李勇

（四川省計算機研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

近年來，在國家大力推動綠色礦山建設的背景下，數(shù)字化礦山作為綠色礦山建設的重要內容，其借助數(shù)字化技術對傳統(tǒng)礦山進行改造，改變了礦山的生產(chǎn)方式，可使礦山產(chǎn)生更大的社會效益、經(jīng)濟效益，從生產(chǎn)、管理等方面提高礦山的時效性、規(guī)劃性，確保礦山發(fā)展的可持續(xù)性。對采礦業(yè)而言，建設數(shù)字礦山是挑戰(zhàn)亦是機遇，是采礦業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢。國內外許多礦山企業(yè)都陸續(xù)開展了礦山的數(shù)字化建設。數(shù)字礦山是現(xiàn)代化礦山的發(fā)展方向，具體體現(xiàn)在數(shù)字化、智能化、自動化與信息化的高度融合上，四者在礦山應用領域以廣泛覆蓋作為發(fā)展目標，在此基礎上實現(xiàn)深度互聯(lián)，從而實現(xiàn)礦山安全高效的自動化生產(chǎn)以及礦山信息協(xié)同共享與智能化分析與決策。

本文基于無人機傾斜攝影三維建模技術、組件式GIS軟件SuperMap iObjects開發(fā)平臺技術、RTMP視頻推流技術等，設計并實現(xiàn)礦山環(huán)境三維模擬仿真、三維定位、監(jiān)視監(jiān)控三維一體的數(shù)字礦山監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)“管控一體化”，消除“管控狹縫”。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 數(shù)據(jù)需求

結合用戶需求分析，本文礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求主要體現(xiàn)在以下兩點：

（1）三維地圖數(shù)據(jù)。三維地圖是系統(tǒng)進行三維漫游、視頻監(jiān)控定位的載體。三維地圖數(shù)據(jù)的制作需要DEM（數(shù)字高程模型）、DOM（數(shù)字正射影像圖）、傾斜攝影三維模型、地名點數(shù)據(jù)、道路線數(shù)據(jù)等。

（2）視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的主體，主要包含視頻監(jiān)控設備的位置信息（坐標）、視頻監(jiān)控設備視頻流播放地址、視頻監(jiān)控設備名稱等數(shù)據(jù)。

1.2 功能需求

基于礦山3DGIS（三維地理信息系統(tǒng)）實現(xiàn)精確目標位置的礦山視頻監(jiān)控信息實時展示，遠程監(jiān)控礦山的管理者可以方便直觀地查看目標位置的視頻監(jiān)控畫面。

功能需求主要包括以下幾點：

（1）礦山實景三維模型場景展示需求。采用無人機傾斜攝影測量技術，獲取礦山實景三維模型，基于SuperMap iDesktop搭建礦山三維模型場景，基于SuperMap iObjects.NET組件開發(fā)實現(xiàn)三維場景展示。

（2）礦山視頻監(jiān)控整合需求。目前礦山監(jiān)控有尾礦庫視頻監(jiān)控、尾礦庫明渠視頻監(jiān)控、露天邊坡視頻監(jiān)控、炸藥庫安全視頻監(jiān)控等，由于視頻監(jiān)控設備安裝時間、設備型號、設備網(wǎng)絡配置等不統(tǒng)一，需要構建一個平臺對礦山已有的視頻監(jiān)控進行整合。

（3）礦山視頻監(jiān)控信息的展示基于空間位置信息的查詢?；诘V山三維場景的空間位置信息，將視頻監(jiān)控鏈接以點圖層的形式疊加，以支持視頻監(jiān)控點位搜索查詢。

2 三維地圖制作

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場勘測獲得，主要包含以下幾類數(shù)據(jù)：

（1）DEM數(shù)據(jù)（.tif）。根據(jù)礦山采礦區(qū)的地理位置信息，在“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站下載該區(qū)域30米精度的DEM數(shù)據(jù)，然后在GIS工具軟件中對下載的DEM數(shù)據(jù)進行裁剪，獲得礦山區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。

（2）DOM數(shù)據(jù)（.tif）。在天地圖官網(wǎng)申請密鑰，申請使用天地圖衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，SuperMap iDesktop三維圖層中支持加載在線天地圖影像圖層。

（3）傾斜攝影三維模型（.osgb）。采用無人機五鏡頭獲取礦山傾斜攝影影像數(shù)據(jù)，RTK地面控制點測量獲取控制點和檢查點數(shù)據(jù)，采用ContextCaptureCenter軟件進行空三測量和三維重建，然后再運用DP-modeler軟件對模型進行修飾，最后輸出礦山實景三維模型。

（4）地名點、道路線數(shù)據(jù)（.shp）。通過現(xiàn)場調查獲取地名、建筑名稱等信息，然后基于無人機正射影像在SuperMap iDesktop軟件中進行矢量化，制作地名點、道路線數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先在SuperMap iDesktop軟件中構建文件型數(shù)據(jù)源，新建三維場景，導入DEM數(shù)據(jù)添加到場景中構建三維地形，再導入地名點、道路線矢量數(shù)據(jù)添加到場景，并對地名進行專題地圖文本標注。然后在場景圖層中導入傾斜三維模型圖層，加載在線天地圖影像圖層，搭建三維場景。最后使用SuperMap iDesktop的性能診斷功能對三維場景進行性能優(yōu)化（設置圖層可見高度、可見尺寸、地圖緩存等）。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)的用戶主要是礦山安全生產(chǎn)的管理人員，根據(jù)需求分析，礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結構，架構設計如圖1所示，系統(tǒng)在邏輯上分為數(shù)據(jù)層、地圖引擎層和應用層。數(shù)據(jù)層提供系統(tǒng)所需的相關數(shù)據(jù)，主要包括礦山實景三維模型數(shù)據(jù)、監(jiān)控點位矢量數(shù)據(jù)、道路矢量數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控屬性數(shù)據(jù)；地圖引擎層主要由SuperMap為系統(tǒng)功能實現(xiàn)提供地圖服務支撐；應用層主要是為用戶提供查詢、瀏覽、定位、登錄等功能。

圖1 系統(tǒng)架構圖

3.2 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)礦山功能需求分析情況，所設計的系統(tǒng)功能模塊包括用戶登錄、默認視角、場景控制、位置定位、監(jiān)控查詢、鷹眼地圖，利用SuperMap Objects.net組件式GIS技術和RTMP視頻推流技術，實現(xiàn)礦山的實景模型展示、礦山監(jiān)控查詢等，從而直觀、準確、清晰地展現(xiàn)礦山的真實場景。本系統(tǒng)功能模塊設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設計圖

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

利用現(xiàn)場獲取的礦山基礎屬性數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)制作礦山二維電子專題地圖（功能區(qū)劃圖、道路圖、規(guī)劃圖等），基于SuperMap iDesktop建立礦山三維場景模型。按照不同的應用需求對所構建的三維模型、道路圖層、監(jiān)控點位圖層進行分類，主要有道路圖層、建筑物圖層、視頻監(jiān)控點等圖層，然后對視頻監(jiān)控點位圖層添加屬性信息，構建二三維地理信息SuperMap文件型數(shù)據(jù)庫（.udbx），如表1所示。

表1 視頻監(jiān)控屬性表結構

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3.4 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)工具采用Visual Studio 2017，開發(fā)語言為C#，GIS二次開發(fā)組件平臺選擇SuperMap iObjects .NET 10i。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文基于礦山傾斜攝影實景三維模型構建礦山三維場景，整合礦山已有視頻監(jiān)控，采用RTMP視頻推流技術實現(xiàn)視頻監(jiān)控遠程查看，采用SuperMap iObjects開發(fā)平臺實現(xiàn)礦山三維場景瀏覽、位置定位、監(jiān)控查詢和播放等功能，為礦山安全生產(chǎn)提供可視化管理平臺。

以下為本文系統(tǒng)主要功能的詳細介紹：

（1）系統(tǒng)用戶登錄和系統(tǒng)主界面。本系統(tǒng)用戶主要是礦山安全生產(chǎn)的管理人員，用戶需輸入賬號和密碼才可進入系統(tǒng)，輸入正確的賬號和密碼進入系統(tǒng)啟動界面如圖3所示。礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)以三維地圖作為底圖疊加視頻監(jiān)控點圖層數(shù)據(jù)，主界面如圖4所示，左上角為系統(tǒng)名稱，右上角為退出按鈕，左側居中的是功能菜單（默認視角、場景控制、位置定位、監(jiān)控查詢、鷹眼地圖）。

圖3 系統(tǒng)啟動界面截圖

圖4 系統(tǒng)主界面截圖

（2）默認視角。本系統(tǒng)支持大屏多點觸控操作，該功能主要實現(xiàn)三維場景的初始化定位，恢復到設定好的場景瀏覽視角，方便用戶操作過程中對三維場景的查看。

（3）場景控制和位置定位。場景控制主要實現(xiàn)對三維場景的放大、縮小、平移、旋轉等控制，方便用戶進行三維地圖的查詢和定位瀏覽，如圖5所示。位置定位功能根據(jù)礦山采礦場、選礦場、尾礦庫、生活區(qū)等功能區(qū)劃，通過選擇或者輸入目標位置，然后快速定位到該點，方便用戶進行三維場景瀏覽以及快速查找目標視頻監(jiān)控點位查看監(jiān)控信息，如圖6所示。

圖5 場景控制功能截圖

圖6 位置定位功能彈窗截圖

（4）視頻監(jiān)控查詢和視頻播放窗口?？梢酝ㄟ^下拉列表選擇查詢目標對象的監(jiān)控視頻彈窗，查詢列表如圖7所示，或者通過點擊地圖上的監(jiān)控圖層標注，彈出視頻監(jiān)控窗體，如圖8所示。

圖7 查詢列表

圖8 視頻監(jiān)控彈窗界面

（5）鷹眼地圖。該功能通過二維地圖窗口實現(xiàn)土地規(guī)劃地圖、功能區(qū)劃圖等的展示，通過二三維聯(lián)動功能實現(xiàn)二維專題地圖和實景三維模型場景同屏聯(lián)動查看以及快速查找目標視頻監(jiān)控點位，輔助礦山規(guī)劃決策，如圖9所示。

圖9 鷹眼地圖功能截圖

5 結 論

本文通過需求調研與分析，獲取礦山傾斜攝影三維模型，疊加道路、地名、監(jiān)控點圖層構建三維場景，采用RTMP視頻推流技術獲得視頻監(jiān)控鏈接，基于SuperMap iObjects二次開發(fā)平臺設計并實現(xiàn)了礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)界面簡潔，用戶操作簡單，提供用戶登錄、默認視角、場景控制、位置定位、監(jiān)控查詢等功能。本文視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提升了礦山視頻監(jiān)控設備的使用價值，為礦山安全生產(chǎn)提供了可視化管理平臺。本系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)字礦山平臺建設的一部分，也為智慧礦山的建設打下堅實的基礎。