基于深度學(xué)習(xí)的河湖采砂智能監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：針對河湖采砂監(jiān)管中的痛點—河湖水域采砂船非法超采問題，設(shè)計了一套基于深度學(xué)習(xí)的河湖采砂智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)集成采砂量監(jiān)測設(shè)備、采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測服務(wù)管理平臺，設(shè)備可全天候?qū)崟r監(jiān)測河湖采砂船的采砂量，結(jié)合采砂船船只檢測模型對非法采砂船進行視頻實時監(jiān)測，并通過無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至管理平臺。通過實驗分析表明，該系統(tǒng)能實時監(jiān)測采砂船的采砂量，并對采砂船違規(guī)行為實時發(fā)出報警信號，解決傳統(tǒng)采砂監(jiān)管中效率低、實時性差、取證不及時等問題，為河湖采砂智能化監(jiān)管提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：河湖采砂；采砂監(jiān)管；視頻監(jiān)測；采砂船檢測；深度學(xué)習(xí)；智能化監(jiān)管

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.004

0 引 言

河湖承載著重要的資源、生態(tài)功能，但是隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會基本工程建設(shè)的步伐加快，河砂需求不斷增加，日益惡劣的非法采砂行為使得河湖生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅[1]，一定程度上影響河勢穩(wěn)定、居民日常用水需求和船只通航[2-3]。目前針對采砂管理相繼出臺了多項政策制度，但是仍然不可避免有采砂過量、采砂船非法采砂等行為出現(xiàn)。受限于采砂水域復(fù)雜、監(jiān)管區(qū)域廣、監(jiān)管人數(shù)不足、監(jiān)管手段信息化程度低等因素[4]，長久以來采砂監(jiān)管并未取得理想效果，迫切需要開發(fā)新的智能化監(jiān)管系統(tǒng)。

河湖采砂監(jiān)測主要包括采砂船采砂量的監(jiān)測以及非法采砂船的監(jiān)測。現(xiàn)有的采砂船采砂監(jiān)管手段主要有：

（1）專人專項管理，由監(jiān)管人員使用執(zhí)法車、執(zhí)法船等工具進行流動采砂船采砂監(jiān)測[5]，此方法耗費大量的人力物力，受監(jiān)管時間、區(qū)域等限制，效率低下，同時暴露了管理不到位、配備技術(shù)落后、定位不精準(zhǔn)等問題[6]；

（2）雷達監(jiān)測，主要包括激光雷達和脈沖雷達，激光雷達技術(shù)在河湖出入口針對進出的采砂船灰度圖像計算采砂船數(shù)量，統(tǒng)計河湖采砂的大概進程，脈沖雷達可實現(xiàn)全天候大范圍采砂船行為特征監(jiān)控，但是監(jiān)測對象為靜態(tài)船只，動態(tài)監(jiān)測效果較差[7]；

（3）視頻監(jiān)測，分為攝像頭安裝在岸邊、執(zhí)法船上兩種，位于岸邊的視頻監(jiān)測設(shè)備可將區(qū)域劃分為可采區(qū)和禁采區(qū)[8]，但存在監(jiān)控范圍受限、建設(shè)成本高的問題，可將攝像頭布設(shè)在執(zhí)法船上作為一種輔助監(jiān)測手段；

（4）VTS系統(tǒng)，系統(tǒng)使用雷達信號，結(jié)合AIS、視頻監(jiān)控，綜合判斷采砂船是否在禁采區(qū)域采砂[9]?，F(xiàn)階段長江水域、部分南方省市已在河湖水域布設(shè)采砂監(jiān)測設(shè)施[10-11]，但設(shè)施的信息化程度不高。

綜上所述，現(xiàn)今的采砂監(jiān)管方案設(shè)計雖已初步形成河湖采砂信息化監(jiān)管框架，但在智能化實時監(jiān)管方面仍存在不足，還存在采砂水域監(jiān)測不全面、集成化程度低等問題，特別是采砂船超采實時監(jiān)測預(yù)警和非法采砂船實時識別等問題還未得到有效解決。

為滿足采砂監(jiān)管智能化、集成化的需求，文中設(shè)計了一款基于深度學(xué)習(xí)的河湖采砂智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過將采砂量監(jiān)測設(shè)備安裝在合法采砂船上獲取采砂船的采砂量數(shù)據(jù)、采砂船的定位信息和工作狀態(tài)，并通過采砂量監(jiān)測設(shè)備的無線通信模塊將采砂船實時數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)管云平臺。智能視頻監(jiān)測設(shè)備負(fù)責(zé)對采砂水域采砂船的監(jiān)測，設(shè)備搭載網(wǎng)絡(luò)攝像頭和無線通信模塊，將采集的采砂船視頻數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)管云平臺，并部署采砂船檢測模型，實現(xiàn)非法采砂船的識別，真正實現(xiàn)河湖采砂水域全天候?qū)崟r智能化監(jiān)測。

1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

采砂智能監(jiān)測系統(tǒng)包括三部分，分別為采砂船采砂量監(jiān)測設(shè)備、智能視頻監(jiān)測設(shè)備、采砂監(jiān)測服務(wù)管理平臺。系統(tǒng)通過集成化設(shè)計，實現(xiàn)采砂量和采砂船的全面智能監(jiān)測。將采砂量監(jiān)測設(shè)備部署在待監(jiān)測采砂船上，作為采砂量監(jiān)測節(jié)點完成采砂船采砂數(shù)據(jù)的采集，通過設(shè)備無線通信模塊完成采砂數(shù)據(jù)的發(fā)送；將智能視頻監(jiān)測設(shè)備部署于采砂水域岸邊，實時獲取被監(jiān)測區(qū)域視頻數(shù)據(jù)并設(shè)計無線通信模塊，將視頻數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)管云平臺；采砂智能監(jiān)管云平臺接收來自采砂量監(jiān)測設(shè)備和智能視頻監(jiān)測設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前采砂船是否存在過量采砂違規(guī)行為。在云平臺部署采砂船檢測模型，根據(jù)智能視頻監(jiān)測設(shè)備采集的采砂船視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)非法采砂船的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)采砂船采砂量的全方位監(jiān)測，提高采砂智能化、實時性、集成化監(jiān)管水平，一定程度上節(jié)約人力物力，河湖采砂實時全方位監(jiān)管性能得到有效改善。監(jiān)管系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 采砂量監(jiān)測設(shè)備

采砂量監(jiān)測設(shè)備包括系統(tǒng)微處理器、電源供電模塊、串口通信模塊、RS 485采集傳感模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊和ADC電池電壓采集模塊。電源供電模塊為設(shè)備供電，完成采砂量采集工作，系統(tǒng)微處理器負(fù)責(zé)接收傳感數(shù)據(jù)、采砂船定位數(shù)據(jù)和電池電壓電量信息，并將數(shù)據(jù)進行融合處理，設(shè)定發(fā)送格式，通過無線通信模塊將采砂船信息數(shù)據(jù)包上傳至監(jiān)測服務(wù)管理平臺。其中RS 485接口外接振動傳感器、光電傳感器等判斷當(dāng)前采砂船的工作狀態(tài)以及采砂船砂斗數(shù)量，根據(jù)砂石質(zhì)量與砂斗數(shù)量計算出當(dāng)前采砂船的采砂量，監(jiān)測服務(wù)管理平臺通過分析采砂量數(shù)據(jù)即可判斷當(dāng)前采砂船是否過量采砂，便于后續(xù)監(jiān)管人員發(fā)送預(yù)警信號并定點執(zhí)法。采砂量監(jiān)測設(shè)備設(shè)計原理如圖2所示。

1.3 采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備

將采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備部署在岸邊完成采砂水域采砂船的視頻監(jiān)測工作，實時監(jiān)測當(dāng)前是否有非法采砂船駛?cè)搿ＴO(shè)備硬件由I.MX6ULL核心板、以太網(wǎng)模塊、無線通信模塊、LCD模塊、5 V/12 V電源供電模塊、串口通信模塊等構(gòu)成。通過以太網(wǎng)接口搭載網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲取現(xiàn)場采砂視頻，借助無線通信模塊遠(yuǎn)程實時傳輸至監(jiān)測服務(wù)管理平臺，其中LCD模塊可作為輔助工具便于實地查看監(jiān)測視頻。監(jiān)測服務(wù)管理平臺根據(jù)部署船只目標(biāo)檢測識別模型對過往船只進行識別預(yù)警。采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備電路原理如圖3所示。

2 平臺系統(tǒng)驗證與分析

2.1 各部分功能測試分析

2.1.1 傳感器采集采砂數(shù)據(jù)

采砂量監(jiān)測設(shè)備的多個傳感器對采砂船數(shù)據(jù)進行采集、分析、測試。使用上位機查看接收數(shù)據(jù)，可進入傳感器配置界面進行采集傳感器的功能配置。通過RS 485接口發(fā)送傳感器讀取數(shù)據(jù)命令，返回傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)至微處理器，處理器內(nèi)進行采砂數(shù)據(jù)的綜合分析處理，發(fā)送并處理成功后上位機打印采砂船當(dāng)前工作狀態(tài)及采砂量信息。采砂量數(shù)據(jù)采集測試如圖4所示。

2.1.2 GPS定位

采砂量監(jiān)測設(shè)備的GPS定位功能測試。GPS定位模塊通過串口通信的方式實時發(fā)送采砂船定位信息至微處理器，微處理器通過數(shù)據(jù)包解析處理后將其打印，其打印內(nèi)容主要包括采砂船實時坐標(biāo)的經(jīng)度、緯度信息，上位機界面可實現(xiàn)可視化展示地圖定位。GPS定位測試如圖5所示。

2.1.3 數(shù)據(jù)上報

采砂量監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)上報功能測試。設(shè)備數(shù)據(jù)上報使用無線通信模塊實現(xiàn)，設(shè)備通過串口通信搭載4G網(wǎng)絡(luò)通信模組，模組聯(lián)網(wǎng)配置即可將數(shù)據(jù)組包發(fā)送至監(jiān)測服務(wù)管理平臺的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。數(shù)據(jù)上報功能測試如圖6

所示。

2.1.4 視頻監(jiān)測

采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測功能測試。采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備通過以太網(wǎng)接口外接網(wǎng)絡(luò)攝像頭，實時獲取采砂監(jiān)測區(qū)域視頻數(shù)據(jù)，采集的視頻數(shù)據(jù)通過設(shè)備搭載的4G網(wǎng)絡(luò)模組遠(yuǎn)程推流至監(jiān)測服務(wù)管理平臺，管理平臺拉流查看視頻數(shù)據(jù)，在平臺部署采砂船船只檢測模型，可對視頻內(nèi)的船只進行監(jiān)測分析以判斷是否有非法采砂船。視頻監(jiān)測功能測試如圖7所示。

2.1.5 采砂船船只檢測測試

采砂船檢測模型功能測試。在監(jiān)測服務(wù)管理平臺部署采砂船船只目標(biāo)檢測模型，完成對采砂水域船只的檢測，將船只分為不同的類別進行判斷。將采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)作為模型輸入，平臺完成模型推理，最后輸出實際檢測效果圖。從圖8可以看出，輸入視頻源中的船只能被檢測出船只類別。

2.2 整體功能測試分析

系統(tǒng)包括采砂船采砂量監(jiān)測和采砂船船只視頻監(jiān)測兩

部分。

船載采砂量監(jiān)測設(shè)備整體安裝如圖9所示。設(shè)備通過RS 485接口傳感器外接振動傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器。系統(tǒng)上電后，振動傳感器開始工作，檢測當(dāng)前采砂船是否正常啟動，如果正常則光電傳感器采集采砂船砂斗數(shù)據(jù)進而判斷當(dāng)前采砂狀態(tài)，最后通過超聲波傳感器獲取采砂船的采砂量數(shù)據(jù)。采砂量數(shù)據(jù)收集完畢后由4G網(wǎng)絡(luò)模組遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。

采砂船視頻監(jiān)控設(shè)備如圖10所示。以太網(wǎng)接口外接網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲取采砂水域?qū)崟r視頻動態(tài)，并通過4G無線通信模組遠(yuǎn)程發(fā)送至監(jiān)管服務(wù)管理平臺。在管理平臺即可由部署的采砂船檢測模型完成船只的目標(biāo)檢測。

3 結(jié) 語

文中就河湖水域采砂船過量采砂以及非法采砂船違規(guī)采砂的監(jiān)管問題進行了研究，利用嵌入式集成化技術(shù)和YOLOv5深度學(xué)習(xí)算法研發(fā)了一套基于深度學(xué)習(xí)的河湖采砂智能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)針對河湖采砂水域采砂監(jiān)管方面實時監(jiān)測難、取證難、設(shè)備集成化程度低等問題，設(shè)計了采砂量監(jiān)測設(shè)備、采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測服務(wù)管理平臺，采砂量監(jiān)測設(shè)備集成RS 485接口傳感器采集采砂船采砂量數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。采砂船視頻監(jiān)測設(shè)備通過以太網(wǎng)接口外接網(wǎng)絡(luò)攝像頭實時獲取采砂現(xiàn)場視頻流，推流至部署了采砂船船只檢測模型的監(jiān)測服務(wù)管理平臺進行非法采砂船監(jiān)測。系統(tǒng)實現(xiàn)了河湖采砂水域的全天候、大范圍、實時、高效率監(jiān)測，有效解決了傳統(tǒng)及現(xiàn)有采砂監(jiān)管手段存在的實時取證難、監(jiān)管盲區(qū)多、效率低下等問題。

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收稿日期：2023-09-01 修回日期：2023-10-11

作者簡介：王芳鑫（2003—），男，研究方向為嵌入式軟件開發(fā)。

張 晗（1999—），女，碩士在讀，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。