水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
2009/02/06
水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)字水利的重要組成部分，也是近期數(shù)字水利系統(tǒng)建設(shè)中的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)。工作人員通過(guò)該系統(tǒng)可在監(jiān)控中心或者工作計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)水利設(shè)施，實(shí)時(shí)觀測(cè)水資源現(xiàn)狀，大大提高了工作效率；而在抗洪救災(zāi)中，通過(guò)該系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測(cè)和指揮，對(duì)于氣候惡劣人員難以達(dá)到的地區(qū)，本系統(tǒng)更是起到了不可替代的作用。本文對(duì)近期水利監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行探討，重點(diǎn)針對(duì)智能視頻檢測(cè)技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，以期拋磚引玉，促進(jìn)視頻監(jiān)控新技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用和推廣。
在水利行業(yè)中的應(yīng)用面逐漸擴(kuò)大
以往水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要為防汛抗洪服務(wù)，在汛期保障水利設(shè)施的安全，隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水利行業(yè)的進(jìn)一步推廣，系統(tǒng)將逐漸在水利部門(mén)的日常管理中發(fā)揮作用，例如用于水資源管理、水利設(shè)施周邊安全、航運(yùn)管理及水體環(huán)境監(jiān)測(cè)。預(yù)計(jì)水體污染監(jiān)控將成為下一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，屆時(shí)高清晰度視頻監(jiān)控系統(tǒng)（分辨率達(dá)到1024×768以上）更能發(fā)揮作用，能對(duì)污染物的分布和發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程觀測(cè)，同時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)和環(huán)保監(jiān)測(cè)設(shè)備及系統(tǒng)的有效聯(lián)動(dòng)，獲取相關(guān)的污染指標(biāo)數(shù)據(jù)并和視頻形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)備份，作為領(lǐng)導(dǎo)決策和執(zhí)法的依據(jù)。
為適應(yīng)以上趨勢(shì)，在新建視頻監(jiān)控系統(tǒng)中必須要預(yù)留更多接口，同時(shí)能做好持續(xù)改進(jìn)和適應(yīng)。
流域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控逐漸成為主流
以往水利視頻監(jiān)控以單個(gè)水利工程設(shè)施監(jiān)控為主，往往附屬在閘門(mén)控制系統(tǒng)中，為本地工作人員服務(wù)。近幾年出現(xiàn)了以流域和大區(qū)域?yàn)閱挝坏拇笮吐?lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該類系統(tǒng)可使領(lǐng)導(dǎo)遠(yuǎn)程監(jiān)視水利設(shè)施狀況，同時(shí)避免由于只看到單個(gè)水利設(shè)施而無(wú)法了解上下游各個(gè)相關(guān)站點(diǎn)情況的尷尬局面，在防汛抗洪過(guò)程中為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)提供了全局決策依據(jù)。在此情況下，新建水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)必然將遠(yuǎn)程監(jiān)視以及流域的整體監(jiān)控作為必備的技術(shù)要求，同時(shí)已建監(jiān)控點(diǎn)也將逐步實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)改造和接入。各省水利管理部門(mén)為適合這種發(fā)展趨勢(shì)逐步出臺(tái)了相應(yīng)的配套標(biāo)準(zhǔn)，以期實(shí)現(xiàn)水利視頻監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)化，相關(guān)廠家應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)這一標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。
從技術(shù)上而言，流域監(jiān)控系統(tǒng)必然對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)以及服務(wù)器平臺(tái)提出了更高的要求，在此過(guò)程中，必須要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器分布式部署，同時(shí)解決服務(wù)器級(jí)聯(lián)、備份以及互相支援等問(wèn)題，提高流媒體服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)效率以滿足大流量視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)，并確保不堵塞現(xiàn)有水利專網(wǎng)。
系統(tǒng)有三級(jí)結(jié)構(gòu)，主要有省水利廳、市水利局和大型水利設(shè)施管理處等三級(jí)，各級(jí)可獨(dú)立工作，也可級(jí)聯(lián)協(xié)同工作。
無(wú)線技術(shù)的推廣和應(yīng)用
由于水庫(kù)大壩等水利監(jiān)控點(diǎn)分布在較廣闊的范圍內(nèi)，與監(jiān)控中心的距離較遠(yuǎn)，利用傳統(tǒng)的有線連接方式，線路鋪設(shè)成本高昂，且施工周期長(zhǎng)，有時(shí)因?yàn)楹恿魃矫}等障礙難以架設(shè)線纜，這些問(wèn)題均可采用無(wú)線方式進(jìn)行解決，所以無(wú)線傳輸方式在水利行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中比較受青睞，其所占比例越來(lái)越高�，F(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾種：
- 衛(wèi)星通訊網(wǎng)技術(shù)；
- 微波數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸技術(shù)；
- 基于運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)；
- 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)（包含WiMAX技術(shù)）。
衛(wèi)星通訊網(wǎng)技術(shù)由于成本較高，不適合水利行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。水利部門(mén)可采用微波數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行視頻傳輸，但是應(yīng)盡量滿足微波方式的視距傳輸要求，在空曠處建設(shè)效果較好。
基于運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)也就是利用現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，主要有中國(guó)移動(dòng)的GPRS/EDGE網(wǎng)絡(luò)和中國(guó)聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際數(shù)據(jù)上傳速度一般在60kbps左右，在這樣的帶寬下視頻效果不夠理想，為更好的在該網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)視頻編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸流控部分進(jìn)行優(yōu)化。而新推出的3G網(wǎng)絡(luò)理論上可基本滿足傳輸實(shí)時(shí)視頻的要求，但由于種種原因其穩(wěn)定應(yīng)用尚需時(shí)日。
無(wú)線局域網(wǎng)可以滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)囊螅瑫r(shí)現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)通過(guò)中繼等方式顯著提高了覆蓋半徑，已經(jīng)可以滿足中小型水利設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。最新的WiMAX技術(shù)可實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)無(wú)線覆蓋的要求，當(dāng)然WiMAX技術(shù)成本還比較高，大規(guī)模推廣尚有一定難度。
在水利行業(yè)中，建議采用無(wú)線局域網(wǎng)和基于運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)相結(jié)合的方式，在較易鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)處建設(shè)無(wú)線局域網(wǎng)，在某些難點(diǎn)或不便鋪設(shè)處通過(guò)CDMA或者EDGE傳輸視頻。
另外通過(guò)無(wú)線方式也可對(duì)車輛和人員進(jìn)行移動(dòng)視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)可視化的調(diào)度和指揮，在水利行業(yè)抗洪搶險(xiǎn)作業(yè)中，人員、車輛的調(diào)度是重中之重，而在調(diào)度過(guò)程中，人員和車輛的位置和實(shí)時(shí)視頻是關(guān)鍵信息，因而在系統(tǒng)中需要對(duì)GPS定位系統(tǒng)和GIS 系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保調(diào)度人員快速確定相關(guān)人員和車輛的位置。
結(jié)合水利部門(mén)預(yù)案系統(tǒng)
根據(jù)原有經(jīng)驗(yàn)并參考行業(yè)要求對(duì)一些突發(fā)事件預(yù)先做出資源人力調(diào)配，并規(guī)定相應(yīng)的處理流程即為預(yù)案，不同的現(xiàn)場(chǎng)信息會(huì)導(dǎo)致不同的預(yù)案。預(yù)案處理在水利部門(mén)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工作流程，特別是在防汛抗洪過(guò)程中，預(yù)案能指導(dǎo)快速?zèng)Q策從而起到了至關(guān)重要的作用。其可分為幾種等級(jí)，最低等級(jí)為報(bào)警聯(lián)動(dòng)，稍復(fù)雜的是固定處理流程，最復(fù)雜的是建立專家人工智能庫(kù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獲取的某些信息進(jìn)行綜合考慮并給出專家意見(jiàn)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，專家預(yù)案使用較少，主要采用固定處理流程的預(yù)案。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)在獲知現(xiàn)場(chǎng)情況的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)預(yù)案提供相應(yīng)的資源分布圖，例如汛期的物資儲(chǔ)備情況、人員配備情況等并進(jìn)一步通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)指揮。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)做到和資源數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合并實(shí)現(xiàn)雙向的語(yǔ)音對(duì)講，在條件允許的情況下，應(yīng)和水利行業(yè)視頻會(huì)商系統(tǒng)相結(jié)合，真正做到監(jiān)控指揮一體化。產(chǎn)生報(bào)警后主要對(duì)視頻系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，同時(shí)處理相關(guān)數(shù)據(jù)形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣就可供下節(jié)所論述的智能搜索引擎進(jìn)行智能搜索。
智能化技術(shù)的逐漸應(yīng)用
智能搜索引擎
以往錄像檢索等工作是通過(guò)時(shí)間檢索，此種方式搜索時(shí)所花時(shí)間往往很長(zhǎng)，為確定某個(gè)場(chǎng)景需要進(jìn)行多次檢索，給工作人員帶來(lái)較多的工作負(fù)擔(dān)。為解決這一問(wèn)題，在水利行業(yè)中逐漸出現(xiàn)了以事件檢索為主的檢索模式，如對(duì)一些專用水利事件（開(kāi)關(guān)閘門(mén)等）進(jìn)行分類檢索并連動(dòng)回放。這些事件信息可存放在專門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中,并與視頻信息關(guān)聯(lián)，也可作為附加信息或用戶信息嵌在視頻流中，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索或視頻流搜索獲得事件信息。該事件信息也可通過(guò)智能視頻檢測(cè)獲得，從而實(shí)現(xiàn)更為有效和智能化的事件記錄和檢索模式。圖5為通過(guò)水雨情信息檢索錄像的界面示意，水雨情信息可直接通過(guò)查詢事件獲得，并直接回放此時(shí)的錄像，對(duì)于開(kāi)關(guān)閘門(mén)等事件也可按照此種方式檢索錄像。
水利專用的智能視頻檢測(cè)技術(shù)
智能視頻檢測(cè)技術(shù)近幾年逐漸從理論階段走向?qū)嵱貌⒊蔀槲磥?lái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)，視頻檢測(cè)已經(jīng)在很多行業(yè)中獲得了應(yīng)用，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，在行業(yè)應(yīng)用中要推進(jìn)
智能視頻檢測(cè)技術(shù)需要注意以下幾個(gè)方面：
- 針對(duì)某個(gè)行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的通用視頻處理算法往往只能對(duì)某些特定場(chǎng)景有較好的效果，因而在應(yīng)用過(guò)程中，需要針對(duì)行業(yè)應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇適應(yīng)行業(yè)環(huán)境條件的應(yīng)用，例如在水利應(yīng)用中必須對(duì)水波紋干擾進(jìn)行特別處理；
- 在應(yīng)用前對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)和適應(yīng)，視頻處理算法往往需要預(yù)設(shè)某些閾值靈敏度和參數(shù)，一些自適應(yīng)算法可以對(duì)此過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，但是也存在學(xué)習(xí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有時(shí)甚至出現(xiàn)無(wú)法收斂的情況，因而在應(yīng)用中需對(duì)該過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)，確保針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)置合適參數(shù)；
- 現(xiàn)有的智能視頻檢測(cè)產(chǎn)品主要有兩種形態(tài)，一種是采用集中檢測(cè)方式，在軟件平臺(tái)處完成檢測(cè)，一種是采用分布式檢測(cè)方式，在攝像機(jī)視頻處接入嵌入式設(shè)備完成檢測(cè)，在應(yīng)用中推薦采用后一種模式；
- 智能視頻檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)有條件下已經(jīng)可以代替人工完成大部分工作，不過(guò)要完全代替人工還需時(shí)日，因而在應(yīng)用中最好的模式是在智能視頻檢測(cè)的基礎(chǔ)上適當(dāng)輔以人工。
對(duì)于水利行業(yè)而言，在技術(shù)上須對(duì)著重解決以下問(wèn)題。
- 一般地，視頻圖像中運(yùn)動(dòng)對(duì)象是需要檢測(cè)的感興趣目標(biāo)，因此智能視頻檢測(cè)常以檢測(cè)圖像內(nèi)容的變化為主，對(duì)于水利監(jiān)控而言，由于畫(huà)面同時(shí)包含水面，而水面在動(dòng)態(tài)變化，因此提高了視頻檢測(cè)的難度。但是，水面波紋具有形狀不固定、相鄰幀運(yùn)動(dòng)方向連續(xù)、紋理特殊等特點(diǎn)，基于這些特點(diǎn)，水面波紋的干擾可被排除；
- 水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)在夜間的應(yīng)用較頻繁，因而智能視頻檢測(cè)應(yīng)針對(duì)光線條件不是很好的狀況進(jìn)行特別設(shè)計(jì)；
- 在獲取到異常情況后及時(shí)作出聯(lián)動(dòng)，例如當(dāng)人員違規(guī)進(jìn)入壩區(qū)時(shí)，可在通過(guò)軟件平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)喊話進(jìn)行嚇阻，在系統(tǒng)建設(shè)中突出預(yù)防優(yōu)先的策略。
水利行業(yè)中智能視頻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可細(xì)分為以下幾個(gè)方面，針對(duì)不同應(yīng)用需對(duì)算法進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。
1、閘門(mén)開(kāi)閉檢測(cè)
水利工程中閘門(mén)各種各樣，有分洪閘、沖沙閘、節(jié)制閘、船閘等，由于閘門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中受力巨大，容易損壞，常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)閉不到位、卡死等情況，一種解決方案是采用閘門(mén)開(kāi)閉檢測(cè)開(kāi)關(guān)，但有時(shí)閘門(mén)需要運(yùn)行在半閉狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)閉檢測(cè)開(kāi)關(guān)就不易檢測(cè)了。智能視頻監(jiān)控能有效地解決這個(gè)問(wèn)題，使得閘門(mén)不間斷自動(dòng)監(jiān)測(cè)成為可能。由于閘門(mén)在開(kāi)閉狀態(tài)下圖像內(nèi)容不同，通過(guò)檢測(cè)與閘門(mén)開(kāi)啟有關(guān)的特征點(diǎn)在圖像上的位置，如檢測(cè)閘門(mén)上部傳動(dòng)部分，就可利用視頻分析檢測(cè)閘門(mén)狀態(tài)。
系統(tǒng)還可以采用基于分割的跟蹤算法檢測(cè)閘門(mén)處的水位高低，在應(yīng)用中先用分水嶺算法等進(jìn)行圖像分割，而后基于模型進(jìn)行區(qū)域合并和跟蹤。一旦檢測(cè)到閘門(mén)狀態(tài)異常，或水位超過(guò)設(shè)定值（通過(guò)對(duì)水位標(biāo)尺的比對(duì)實(shí)現(xiàn)），則立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2、決堤、漫溢檢測(cè)
在汛期中，決堤或水漫過(guò)溢出堤壩會(huì)引起嚴(yán)重后果，必須密切監(jiān)視，視頻監(jiān)控使得無(wú)須在現(xiàn)場(chǎng)就可不間斷監(jiān)視，但長(zhǎng)長(zhǎng)的堤壩需要大量的攝像機(jī)和監(jiān)視器，也就需要大量的監(jiān)控值班人員，智能視頻監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)決堤、漫溢自動(dòng)檢測(cè)和預(yù)警。由于在發(fā)生決堤或水漫出堤壩時(shí)，圖像內(nèi)容會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)對(duì)圖像內(nèi)容的分析，包括差分檢測(cè)、紋理分析等手段，就可檢測(cè)是否出現(xiàn)決堤、水漫堤壩的現(xiàn)象。系統(tǒng)通過(guò)水位檢測(cè)，并與設(shè)定的警戒線比較，也可在水漫堤壩前發(fā)出預(yù)警，為工作人員提供一定的處理時(shí)間。
3、人體檢測(cè)
現(xiàn)實(shí)生活中，每年都有人因越過(guò)堤壩游泳或進(jìn)入水利禁區(qū)造成人員傷亡，如每年在錢(qián)塘江堤壩處由于違規(guī)觀潮導(dǎo)致人員傷亡的事故屢見(jiàn)不鮮，人體檢測(cè)技術(shù)可在有人翻越堤壩時(shí)及時(shí)報(bào)警，從而避免惡性事故的發(fā)生。
人體檢測(cè)主要采用活動(dòng)目標(biāo)分割、跟蹤、檢測(cè)等技術(shù)。一般為靜止場(chǎng)景，容易采用高斯模型或差分檢測(cè)實(shí)現(xiàn)背景提取，從而利用減背景方法實(shí)現(xiàn)活動(dòng)目標(biāo)分割，實(shí)現(xiàn)警戒區(qū)域入侵檢測(cè)和報(bào)警。進(jìn)一步，對(duì)于檢測(cè)到的活動(dòng)目標(biāo)采用Harr特征分析，利用AdaBoost和支持向量機(jī)等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)是否是人體的判別，從而實(shí)現(xiàn)只對(duì)活動(dòng)人體目標(biāo)的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)人體目標(biāo)的進(jìn)行一步特征分析，如服飾顏色、人臉特征等，還可實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)間的目標(biāo)交接和跟蹤。可以在堤岸和禁區(qū)設(shè)置視頻警戒線并應(yīng)用以上技術(shù)，從而檢測(cè)到有人翻越堤壩、進(jìn)入堤岸或水域時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。
總結(jié)
隨著系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸深化和擴(kuò)展，水利行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將逐漸朝數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，應(yīng)用面越來(lái)越廣，大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)的流域監(jiān)控成為發(fā)展趨勢(shì)，利用各種無(wú)線通信技術(shù)擴(kuò)展監(jiān)控范圍和預(yù)案提高快速?zèng)Q策和應(yīng)急指揮能力，利用智能視頻檢測(cè)技術(shù)提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，將成為未來(lái)水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要特征。特別是智能化技術(shù)使大規(guī)模視頻監(jiān)控更具實(shí)用意義，可大幅節(jié)省人力和監(jiān)視設(shè)備，在水利行業(yè)的應(yīng)用將有廣闊的前景，并推進(jìn)水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)向智能化的綜合管理系統(tǒng)發(fā)展。在此過(guò)程中，各個(gè)參與其中的廠家應(yīng)針對(duì)水利行業(yè)的特殊需求和環(huán)境進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)并推出適用的設(shè)備和軟件平臺(tái)，和水利管理部門(mén)一起推進(jìn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水利行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展。
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