基于GIS高點視頻定位的研究及應用

陳春霜 福建省郵電規劃設計院有限公司 福州市 350003

0 引言

地理信息系統（Geographic Information System簡稱GIS）是隨著地理科學、空間科學、計算機技術、遙感技術和信息科學發展起來的一門技術，是一個能夠對空間相關數據進行采集、管理、分析和可視化輸出的計算機信息系統［1］。將視頻監控系統與地理信息系統結合，既可以發揮視頻監控系統實時圖像可視化的優勢，又可以充分發揮GIS管理空間數據的特點，讓使用人員能夠全面地、實時地了解監控礦山等對象的空間分布狀況及變化情況，并結合視頻圖像數據與空間數據進行融合分析，為使用人員決策或踏勘提供實時可靠的證據鏈［2］。

本文利用鐵塔公司的高點鐵塔現有資源（包含高塔、機房、電力系統、傳輸系統等基礎設施）最大化降低建設成本實現快速部署前端攝像頭，并針對高點視頻中礦山場景需要監控的對象進行定位研究，能實現GIS空間數據管理和視頻監控圖像管理有效融合應用，解決業內人士衛片圖斑核查時效差、現場勘探定位困難等問題。

1 高點視頻GIS監測技術

高點視頻監測技術的基本思路是：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公里范圍內的礦山開采行為進行7×24小時實時監控，及時發現礦山開采違法行為、及時制止礦山開采違法行為，最終達到“早發現、早制止、嚴查處”的目的。高點視頻監測技術的實現主要包括兩條路線：一是通過先進技術選擇合適的鐵塔站點搭載攝像頭，攝像頭安裝、調試、上線后，對觀察到的礦山視頻進行分析并獲取相對應的視頻信息；二是對選擇好的鐵塔站點進行緩沖區分析確定研究區域，同時利用ArcGIS軟件針對緩沖區制作可視域范圍和解決該區域參照物精準定位問題，接著采用遙感監測手段對研究區進行礦山遙感信息提取，以獲取研究區范圍內的礦山基本信息。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，最終實現對鐵塔周邊范圍內的礦山進行實時監控。

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

圖1 視頻GIS基本路線圖

遙感監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，結合礦山區域的矢量圖斑和地形地貌衛星影像高程圖，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記出明顯的參照物，其次對已知攝像頭的掛載高度、經緯度、俯仰角和水平角度計算出該礦區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換算成距離L，如圖2所示。

孔云峰教授提出的公路地理數據與視頻數據集成的技術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）之間的邏輯關系，實現方式是將空間位置、方位、速度等信息進行音頻調制，并存儲在視頻數據的一個聲道中；播放視頻影像時，再將空間數據音頻解調。另一種實現方式是為視頻影像建立專門的元數據，描述特定視頻幀與地理位置的對照關系，考慮到視頻影像采集是一個連續過程，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）之間建立對應關系，通過移動工程車輛和人員的地理坐標來調用其相應的視頻文件，同時視頻文件建立影元數據，通過內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搭載攝像頭監測礦山的目的。因此，首先要通過對礦山及站點數據進行空間分析（如緩沖區分析，疊加分析等，初步篩選出鐵塔站點；其次，對站點一定范圍內（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，根據外業核查效果，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、周邊環境等影響。為了達到合適的監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，這就要求安裝環境盡可能保證監控視野廣、無障礙、監控角度大等條件。因此，通過將鐵塔提升到一定的高度，如20米至40米，來滿足監控的要求。攝像頭安裝調試成功后，需要對獲取的視頻圖像及各種信號等進行分析。攝像頭可實現方位角3600，俯仰角-150到900全方位、7×24小時實時監控。

視頻分析主要是通過對視頻圖像內容進行分析。首先，手動控制攝像頭進行3600旋轉，大致觀察周邊環境找出典型參照物（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定位；其次，大致確定視野范圍內可以觀察到的礦山；最后，進一步確認視野范圍內礦山的位置、范圍，并獲取相對應的視頻信息。

圖3 典型參考物圖

2.3 遙感監測手段摸底調查

把最終選定的鐵塔站點3km緩沖區作為研究區，采用礦山遙感監測手段對研究區范圍內的礦山開發活動進行摸底調查，并獲取相應的礦山基本信息。

需要基礎數據類型：以3km緩沖區作為研究區，疊加歷年自然資源部下發圖斑（新到舊）、歷年礦權（新到舊）、對應區域的影像，進行礦山開發狀況的調查（包括開采面圖斑范圍的勾繪與屬性的賦值）。

調查內容主要包括：礦山名稱、礦種類型、歷年下發圖斑信息、最新期次的礦權資料、對應的站點名稱；判斷礦山有無有效采礦權；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 視頻與遙感監測信息的融合

視頻分析獲取的視頻信息與遙感監測手段獲取的礦山基本信息分別屬于兩個不同領域，很難準確判斷“誰對誰錯”。因此，為了達到準確、實時監控礦山的目的，需要通過融合手段，將視頻看到的礦山與室內遙感手段監測的礦山進行一一對應、匹配，最終實現給視頻觀察到的礦山賦予礦山名稱、礦種類型、歷年下發圖斑信息以及最新期次的礦權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的解譯標志進行定位；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的礦山；最后，對于監控視頻可以有效觀察到的開采面，進行一對一監測點編號，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示意圖

融合的關鍵問題在于：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，這就涉及到如何實現對監測區塊（電子圍欄）進行準確劃分。針對常見的礦產資源違法類型，目前主要采用以下幾種方法進行監測區塊（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測區塊即可（圖6）；只要在區塊范圍內出現挖掘機、運輸車、礦山人員等就進行報警，同時由野外調查人員進行核實。②疑似越界礦山，首先需要借助遙感影像、礦權等一系列資料，獲取開采面遙感影像的界內部分，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越界部分，并把這一部分設置為監測區塊（圖7）。對于越界部分監測區塊范圍內出現挖掘機、運輸車、礦山人員等就進行報警，同時由調查人員進行核實。③對于視頻監控不到有效開采面的部分，可以通過以下間接標志進行監測（例如：在視頻監控范圍內確認礦山道路是否只有一條；是否可以有效觀察到作業灰塵等跡象）。

圖6 無證礦山電子圍欄圈定示意圖（框內為預警區域）

圖7 有證礦山電子圍欄圈定示意圖（框內為預警區域）

3 高點監控建設難點以及解決方案

高點監控建設的重點和難點是前端高點監控關鍵點的監控桿塔、電力、網絡傳輸通道等基礎配套設施的建設。同時礦山附近站點如何保障后續設備維護、電力保障以及基礎配套設施維護也是難點問題。

4 結束語

通過借助鐵塔公司高點位鐵塔的基站資源，最大化減低建設成本和建設難度，同時視頻與遙感監測信息的高度融合得到廣泛應用，減少現場作業人員實地踏勘的難度和衛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用，以彌補各自的不足。