基于鐵塔視頻的自然資源智能監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◎ 左天惠，袁 菱，周映彤

1.廣西自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，廣西 南寧 530219

2.自然資源部北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)自然資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530219

為加快構(gòu)建自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測(cè)體系，廣西重點(diǎn)打造“天—空—地—人—網(wǎng)”自然資源立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為全區(qū)自然資源管理監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供全覆蓋、高頻次、多渠道、立體式的多源數(shù)據(jù)保障[1]。鐵塔視頻數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)感知網(wǎng)中地聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，具有不易受到云層遮擋等自然因素影響、全天候?qū)崟r(shí)獲取視頻信息和主動(dòng)獲取遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)，可有效填補(bǔ)航空航天遙感與地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)之間的尺度空缺，因此，如何利用鐵塔視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無人值守全天候自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管是當(dāng)前研究的重要課題[2-3]。

目前，全國部分省市已開展基于鐵塔視頻的自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作，并開發(fā)了智能監(jiān)管系統(tǒng)。其中，江蘇省“慧眼守土”系統(tǒng)、浙江省嘉興市“國土天眼”系統(tǒng)、山東省聊城市高空瞭望“電子眼”系統(tǒng)等取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果[3]。智能監(jiān)管系統(tǒng)的視頻融合化程度和智能感知水平，直接影響了視頻在自然資源管理中應(yīng)用場(chǎng)景的廣度和深度，其中湖南省、江蘇省等地的系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了自然資源監(jiān)測(cè)智能化，支持視頻數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合，支持自然資源疑似違法目標(biāo)及行為特征等自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警，應(yīng)用場(chǎng)景較為豐富。研究小組通過借鑒國內(nèi)各省、市鐵塔視頻應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，圍繞廣西自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管問題圖斑發(fā)現(xiàn)與識(shí)別智能化、疑問圖斑遠(yuǎn)程舉證等需求，以自然資源“一張圖”為數(shù)據(jù)底版，對(duì)視頻數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管成果數(shù)據(jù)融合進(jìn)行初探。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

研究小組基于綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管已有業(yè)務(wù)流程及框架，利用已建綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管平臺(tái)的成果及已有基礎(chǔ)設(shè)施資源、數(shù)據(jù)資源，采用5G、移動(dòng)地理信息、人工智能等技術(shù)，將鐵塔視頻有機(jī)融入到綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管“天—空—地—人—網(wǎng)”一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中[4]，建設(shè)全覆蓋、多場(chǎng)景、智能化的監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自然資源要素全生命周期監(jiān)測(cè)監(jiān)管。系統(tǒng)架構(gòu)主要包括支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系和信息安全保障體系等7 大版塊（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

支撐層主要包括鐵塔視頻硬件環(huán)境支撐和平臺(tái)支撐。基于大數(shù)據(jù)GIS 引擎及視頻GIS 引擎，支撐層為智能監(jiān)管系統(tǒng)提供高性能的加速引擎，硬件環(huán)境則按照云服務(wù)模式和云架構(gòu)，形成按需動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)通信資源，結(jié)合視頻監(jiān)測(cè)需求，可動(dòng)態(tài)調(diào)整、擴(kuò)展視頻分析設(shè)備和視頻存儲(chǔ)資源等硬件資源。

數(shù)據(jù)層根據(jù)自然資源監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，整合了現(xiàn)有的自然資源年度變更數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、行政管理數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將自然資源地理信息數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)套合，為監(jiān)管系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

服務(wù)層包括數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、接口服務(wù)和成果服務(wù)等，是系統(tǒng)的核心層。重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)并提供視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集服務(wù)，基于視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)等擴(kuò)展視頻智能分析服務(wù)，提高自然資源監(jiān)管智能化、信息化和自動(dòng)化。

應(yīng)用層以數(shù)據(jù)層和服務(wù)層為基礎(chǔ)，按照自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)需求建設(shè)智能監(jiān)管系統(tǒng)，將區(qū)域內(nèi)全部鐵塔視頻數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)和服務(wù)層數(shù)據(jù)集成并展示在系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自然資源違法事件自動(dòng)識(shí)別、判定及預(yù)警信息推送，視圖聯(lián)動(dòng)舉證等，減少人為觀察和數(shù)據(jù)備份等工作，提高工作效率，全面提升自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管能力。

1.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

研究小組按照變化發(fā)現(xiàn)、研判分析、視頻調(diào)度、核查舉證4 個(gè)方面來構(gòu)建系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程。

首先，基于視頻監(jiān)控自動(dòng)識(shí)別并推送預(yù)警信息，根據(jù)業(yè)務(wù)適配規(guī)則，將內(nèi)容與土地利用、行政管理等自然資源管理數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，過濾無效預(yù)警信息；其次，對(duì)剩余預(yù)警信息進(jìn)行智能化定性分析，確定最終問題清單并推送至自然資源綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管平臺(tái)；再次，利用“以圖找攝像頭”功能，對(duì)航天航空遙感影像數(shù)據(jù)提取的變化疑問圖斑進(jìn)行快速定位，找到最近的鐵塔視頻點(diǎn)；最后，通過鐵塔攝像頭視圖聯(lián)動(dòng)、視頻遠(yuǎn)程控制、自由調(diào)焦等功能，快速定位并調(diào)整合適的拍攝角度，進(jìn)行遠(yuǎn)程舉證。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

1.3 智能研判業(yè)務(wù)規(guī)則設(shè)計(jì)

靈活制訂鐵塔視頻智能識(shí)別預(yù)警成果研判規(guī)則，是提高鐵塔視頻監(jiān)測(cè)監(jiān)管自動(dòng)化、智能化的基礎(chǔ)。研究小組根據(jù)綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同的監(jiān)測(cè)監(jiān)管對(duì)象，制訂相應(yīng)的研判業(yè)務(wù)適配規(guī)則，具體規(guī)則如表1 所示。

表1 鐵塔視頻的自然資源綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)適配規(guī)則表

1.4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，基于HTML5+JavaScript開發(fā)，主要圍繞監(jiān)測(cè)預(yù)警與遠(yuǎn)程舉證業(yè)務(wù)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測(cè)分析預(yù)警、監(jiān)控綜合展示及運(yùn)維等3 大模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖3 所示，鐵塔視頻智能監(jiān)管系統(tǒng)如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)頁版主界面圖

1.4.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心模塊主要包括監(jiān)測(cè)預(yù)警、圖斑研判、遠(yuǎn)程控制、拍照及視頻錄制等功能。該模塊是系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)模塊，利用雙坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、電子圍欄和視頻行為智能監(jiān)測(cè)與識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)測(cè)分析預(yù)警、智能研判等業(yè)務(wù)需求，形成“視頻主動(dòng)監(jiān)測(cè)—問題圖斑自動(dòng)識(shí)別—智能綜合研判”的全流程信息化支撐體系。監(jiān)控中心通過“以圖斑找攝像頭”功能，快速定位疑問圖斑周邊的鐵塔視頻，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)攝像頭遠(yuǎn)程控制，快速調(diào)整外業(yè)舉證的拍攝角度，完成對(duì)疑問圖斑的遠(yuǎn)程舉證拍照及視頻拍攝，實(shí)現(xiàn)足不出戶即可完成外業(yè)舉證。

1.4.2 展示中心

展示中心模塊主要包括統(tǒng)計(jì)查詢、設(shè)備接入展示、電子地圖、預(yù)警信息等功能。該模塊圍繞自然資源監(jiān)管重點(diǎn)事項(xiàng)，利用可視化數(shù)據(jù)大屏集中展示鐵塔視頻接入情況及其狀態(tài)、視頻監(jiān)測(cè)問題清單、處置情況臺(tái)賬等，用戶和管理人員可以方便、快捷、直觀地了解鐵塔視頻智能監(jiān)管系統(tǒng)運(yùn)行情況及成效。

1.4.3 運(yùn)維中心

運(yùn)維中心模塊主要包括后臺(tái)數(shù)據(jù)管理、視頻成果管理、規(guī)則配置、電子圍欄管理、用戶及權(quán)限管理和日志管理等功能。系統(tǒng)管理人員利用該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理和用戶權(quán)限管理等，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

1.4.4 應(yīng)用實(shí)例

2022 年6 月系統(tǒng)試運(yùn)行期間，研究小組利用南寧市邕寧區(qū)、橫州市和貴港市等28 個(gè)鐵塔視頻，對(duì)周邊2 km 有效范圍進(jìn)行全天候、全要素監(jiān)測(cè)。研究小組對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)出的預(yù)警信息及研判結(jié)果逐日、逐圖斑地進(jìn)行人工分析，不斷更新視頻識(shí)別樣本庫和修正研判規(guī)則，逐步提升預(yù)判信息和研判結(jié)果的準(zhǔn)確性。

期間，研究小組共利用系統(tǒng)識(shí)別并發(fā)現(xiàn)問題圖斑28 個(gè)，其中合理變化圖斑15 個(gè)，疑似違法圖斑9 個(gè)。疊加自然資源業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)分析后，確定并形成問題清單并下派圖斑5 個(gè)。同時(shí)，遠(yuǎn)程核實(shí)衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)的“非糧化”“非農(nóng)化”疑問圖斑，完成遠(yuǎn)程舉證圖斑2 個(gè)，實(shí)現(xiàn)了足不出戶即可完成外業(yè)舉證（見圖5）。

圖5 鐵塔視頻遠(yuǎn)程舉證圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 視頻極坐標(biāo)與地理坐標(biāo)雙轉(zhuǎn)換算法

視頻圖像數(shù)據(jù)雖然能夠逼真地展示空間信息，但是缺少地理屬性，因此不能直接與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行深度融合。視頻極坐標(biāo)與地理坐標(biāo)雙轉(zhuǎn)換算法作為鐵塔視頻監(jiān)測(cè)落地的核心技術(shù)，可為視頻圖像數(shù)據(jù)賦予地理空間屬性，確保視頻圖像位置與地理空間位置的一致性，提高視頻坐標(biāo)精度[5-6]，解決監(jiān)測(cè)定位、定界等問題。

其算法主要采用視頻監(jiān)測(cè)與鐵塔周邊正射影像結(jié)合的方式。首先，提取同名特征樣點(diǎn)，對(duì)攝像頭內(nèi)方位元素進(jìn)行標(biāo)定；其次，以攝像頭為圓心，將攝像頭360°視域按等角分為3 個(gè)方向，每個(gè)方向構(gòu)建50 m、200 m、400 m 的3 個(gè)焦距面，并提取6～8 個(gè)均勻分布的同名點(diǎn)；最后，利用同名點(diǎn)對(duì)坐標(biāo)雙轉(zhuǎn)換模型參數(shù)進(jìn)行校正，實(shí)時(shí)解算鐵塔攝像頭姿態(tài)變化情況下的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地理坐標(biāo)與視頻極坐標(biāo)的精準(zhǔn)雙向轉(zhuǎn)換（見圖6）。

圖6 鐵塔視頻與正射影像融合圖

2.2 電子圍欄技術(shù)

電子圍欄技術(shù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將土地利用數(shù)據(jù)、基本農(nóng)田保護(hù)紅線和生態(tài)保護(hù)紅線等矢量數(shù)據(jù)二維地理坐標(biāo)映射到視頻監(jiān)控中，實(shí)現(xiàn)兩者坐標(biāo)的相互統(tǒng)一。鐵塔在日常監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)攝像頭抓拍照片中的挖掘機(jī)、建筑物材料等各類目標(biāo)開展行為監(jiān)測(cè)分析，準(zhǔn)確判定視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的事件坐標(biāo)，并根據(jù)預(yù)制的業(yè)務(wù)適配規(guī)則自動(dòng)進(jìn)行研判，從而確定違法性質(zhì)（見圖7）。

圖7 電子圍欄圖

2.3 視頻行為智能監(jiān)測(cè)與識(shí)別技術(shù)

視頻行為智能監(jiān)測(cè)與識(shí)別技術(shù)能夠?qū)σ曨l中出現(xiàn)的異常行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)并自動(dòng)識(shí)別。研究小組利用動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)算法建立各類工程要素等樣本庫，運(yùn)用基于深度學(xué)習(xí)模型的目標(biāo)檢測(cè)算法對(duì)視頻圖像中敏感的地物及工程設(shè)備等進(jìn)行逐幀分析[7]，提前發(fā)現(xiàn)腳手架、無門窗的房屋和塔式起重機(jī)等施工設(shè)備，特征要素觸發(fā)預(yù)警后可進(jìn)行行為跟蹤分析（見圖8）。

圖8 智能識(shí)別與預(yù)警成果圖

3 結(jié) 語

研究小組在調(diào)研廣西自然資源綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管信息化建設(shè)現(xiàn)狀及全區(qū)鐵塔視頻建設(shè)情況基礎(chǔ)上，根據(jù)自然資源綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，研究并設(shè)計(jì)了鐵塔視頻智能監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)智能研判規(guī)則等，同時(shí)開展了鐵塔視頻智能監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)研究。實(shí)例證明，該系統(tǒng)能夠?yàn)樽匀毁Y源監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供全天候不間斷監(jiān)測(cè)服務(wù)，從而有效降低自然資源執(zhí)法成本。下一步研究應(yīng)結(jié)合自然資源分布情況，充分考慮鐵塔的位置及其高度和信號(hào)傳輸方式等因素，讓鐵塔的布設(shè)更為合理。