基于三維地理信息系統的礦山視頻監控系統設計與實現

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，數字化礦山作為綠色礦山建設的重要內容，其借助數字化技術對傳統礦山進行改造，改變了礦山的生產方式，可使礦山產生更大的社會效益、經濟效益，從生產、管理等方面提高礦山的時效性、規劃性，確保礦山發展的可持續性。對采礦業而言，建設數字礦山是挑戰亦是機遇，是采礦業實現創新發展的必然趨勢。國內外許多礦山企業都陸續開展了礦山的數字化建設。數字礦山是現代化礦山的發展方向，具體體現在數字化、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展目標，在此基礎上實現深度互聯，從而實現礦山安全高效的自動化生產以及礦山信息協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開發平臺技術、RTMP視頻推流技術等，設計并實現礦山環境三維模擬仿真、三維定位、監視監控三維一體的數字礦山監控系統，實現“管控一體化”，消除“管控狹縫”。

1 系統需求分析

1.1 數據需求

結合用戶需求分析，本文礦山視頻監控系統數據需求主要體現在以下兩點：

（1）三維地圖數據。三維地圖是系統進行三維漫游、視頻監控定位的載體。三維地圖數據的制作需要DEM（數字高程模型）、DOM（數字正射影像圖）、傾斜攝影三維模型、地名點數據、道路線數據等。

（2）視頻監控數據。視頻監控數據是系統的主體，主要包含視頻監控設備的位置信息（坐標）、視頻監控設備視頻流播放地址、視頻監控設備名稱等數據。

1.2 功能需求

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

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組件開發實現三維場景展示。

（2）礦山視頻監控整合需求。目前礦山監控有尾礦庫視頻監控、尾礦庫明渠視頻監控、露天邊坡視頻監控、炸藥庫安全視頻監控等，由于視頻監控設備安裝時間、設備型號、設備網絡配置等不統一，需要構建一個平臺對礦山已有的視頻監控進行整合。

（3）礦山視頻監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，將視頻監控鏈接以點圖層的形式疊加，以支持視頻監控點位搜索查詢。

2 三維地圖制作

2.1 數據獲取

本文礦山視頻監控系統的數據通過現場勘測獲得，主要包含以下幾類數據：

（1）DEM數據（.tif）。根據礦山采礦區的地理位置信息，在“地理空間數據云”網站下載該區域30米精度的DEM數據，然后在GIS工具軟件中對下載的DEM數據進行裁剪，獲得礦山區域的DEM數據。

（2）DOM數據（.tif）。在天地圖官網申請密鑰，申請使用天地圖衛星影像數據，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據，RTK地面控制點測量獲取控制點和檢查點數據，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、道路線數據（.shp）。通過現場調查獲取地名、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、道路線數據。

2.2 數據處理

首先在SuperMap iDesktop軟件中構建文件型數據源，新建三維場景，導入DEM數據添加到場景中構建三維地形，再導入地名點、道路線矢量數據添加到場景，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化（設置圖層可見高度、可見尺寸、地圖緩存等）。

3 系統設計

3.1 系統總體設計

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

圖1 系統架構圖

3.2 系統功能設計

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

圖2 系統功能設計圖

3.3 數據庫設計

利用現場獲取的礦山基礎屬性數據、三維模型數據制作礦山二維電子專題地圖（功能區劃圖、道路圖、規劃圖等），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、監控點位圖層進行分類，主要有道路圖層、建筑物圖層、視頻監控點等圖層，然后對視頻監控點位圖層添加屬性信息，構建二三維地理信息SuperMap文件型數據庫（.udbx），如表1所示。

表1 視頻監控屬性表結構

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3.4 開發環境

系統開發工具采用Visual Studio 2017，開發語言為C#，GIS二次開發組件平臺選擇SuperMap iObjects .NET 10i。

4 系統實現

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控，采用RTMP視頻推流技術實現視頻監控遠程查看，采用SuperMap iObjects開發平臺實現礦山三維場景瀏覽、位置定位、監控查詢和播放等功能，為礦山安全生產提供可視化管理平臺。

以下為本文系統主要功能的詳細介紹：

（1）系統用戶登錄和系統主界面。本系統用戶主要是礦山安全生產的管理人員，用戶需輸入賬號和密碼才可進入系統，輸入正確的賬號和密碼進入系統啟動界面如圖3所示。礦山視頻監控系統以三維地圖作為底圖疊加視頻監控點圖層數據，主界面如圖4所示，左上角為系統名稱，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、監控查詢、鷹眼地圖）。

圖3 系統啟動界面截圖

圖4 系統主界面截圖

（2）默認視角。本系統支持大屏多點觸控操作，該功能主要實現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。位置定位功能根據礦山采礦場、選礦場、尾礦庫、生活區等功能區劃，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控點位查看監控信息，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控圖層標注，彈出視頻監控窗體，如圖8所示。

圖7 查詢列表

圖8 視頻監控彈窗界面

（5）鷹眼地圖。該功能通過二維地圖窗口實現土地規劃地圖、功能區劃圖等的展示，通過二三維聯動功能實現二維專題地圖和實景三維模型場景同屏聯動查看以及快速查找目標視頻監控點位，輔助礦山規劃決策，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、監控點圖層構建三維場景，采用RTMP視頻推流技術獲得視頻監控鏈接，基于SuperMap iObjects二次開發平臺設計并實現了礦山視頻監控系統。本系統界面簡潔，用戶操作簡單，提供用戶登錄、默認視角、場景控制、位置定位、監控查詢等功能。本文視頻監控系統的設計與實現提升了礦山視頻監控設備的使用價值，為礦山安全生產提供了可視化管理平臺。本系統是實現數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。