徐蘇維，唐 華，楊 彪

(1.南京市國(guó)土資源信息中心，江蘇 南京 210005;2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210005)

2017年，南京市啟動(dòng)“慧眼守土”項(xiàng)目建設(shè)，搭建了“慧眼守土”視頻監(jiān)管平臺(tái)，在全市得到廣泛應(yīng)用。2020年，圍繞自然資源部“提升國(guó)土空間治理能力，優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)格局，促進(jìn)資源節(jié)約利用，全面提升自然資源社會(huì)化服務(wù)水平”的指導(dǎo)思想[1]，南京市規(guī)劃和自然資源局在自然資源監(jiān)管領(lǐng)域不斷深化“慧眼守土”綜合動(dòng)態(tài)智能監(jiān)管平臺(tái)的應(yīng)用，為更好的履行好自然資源高效監(jiān)管職責(zé)，在土地開發(fā)利用過(guò)程的監(jiān)管基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)礦產(chǎn)資源的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效、智能的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，最大限度減少礦山偷盜采等現(xiàn)象的發(fā)生。

1 “慧眼守土”平臺(tái)

1.1 總體架構(gòu)

“慧眼守土”視頻監(jiān)管平臺(tái)，以通信基站為基礎(chǔ)搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，通過(guò)專線實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)接入到市規(guī)劃和自然資源局政務(wù)網(wǎng)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有國(guó)土資源“一張圖”建設(shè)成果進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)基于地圖的實(shí)時(shí)視頻瀏覽及業(yè)務(wù)應(yīng)用。以視頻監(jiān)控為主要載體，通過(guò)監(jiān)控探頭的坐標(biāo)、高度、角度實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目地塊精準(zhǔn)化視頻監(jiān)控；通過(guò)具體項(xiàng)目的預(yù)設(shè)位，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過(guò)程的視頻拍照取證監(jiān)控[2-3]；與國(guó)土審批、監(jiān)管、執(zhí)法監(jiān)察等業(yè)務(wù)深度結(jié)合，充分挖掘視頻監(jiān)控在國(guó)土行業(yè)的應(yīng)用潛力。考慮到內(nèi)網(wǎng)保密要求，平臺(tái)及存儲(chǔ)設(shè)備匯聚在運(yùn)營(yíng)商機(jī)房，通過(guò)光纖專線實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)到國(guó)土資源政務(wù)內(nèi)網(wǎng)的接入，通過(guò)網(wǎng)閘、防火墻等安全設(shè)備后，再接入核心交換機(jī)。分局及國(guó)土所采用移動(dòng)光纖連接，用于承載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)調(diào)用，與國(guó)土現(xiàn)有專網(wǎng)隔離，互不影響，也為現(xiàn)有專網(wǎng)線路起到備份作用。

1.2 技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 技術(shù)路線

依據(jù)“慧眼守土”視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，如圖1所示，深化自然資源“一張圖”及電子政務(wù)業(yè)務(wù)審批應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)審批“實(shí)地化”審查。過(guò)去，業(yè)務(wù)人員只能使用“一張圖”系統(tǒng)的靜態(tài)圖斑輔助業(yè)務(wù)審批，現(xiàn)在以監(jiān)控探頭為主要載體，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)視頻資源，保證了數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目審批業(yè)務(wù)的視頻監(jiān)控監(jiān)管“落地化”管理[4]，如圖2所示，達(dá)到以地找視頻，以視頻找地的效果。

圖1 視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系

圖2 借助可視域?qū)崿F(xiàn)視頻和地圖的互操作

(1)以地找視頻

在一張圖與視頻結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過(guò)點(diǎn)擊任意圖斑能夠快速地調(diào)出相應(yīng)的視頻信息，獲得該地塊的實(shí)時(shí)視頻畫面。

(2)以視頻找地

通過(guò)視頻瀏覽能夠快速地在一張圖上進(jìn)行圖斑定位，查詢?cè)摰貕K的地類、報(bào)批、供地、規(guī)劃等相關(guān)屬性信息。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)天地網(wǎng)一體化動(dòng)態(tài)融合：通過(guò)給無(wú)人機(jī)安裝高清攝像機(jī)，結(jié)合衛(wèi)星測(cè)繪遙感數(shù)據(jù)，以及地面基站鐵塔上的高清攝像機(jī)畫面，依托運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)AI等一系列智能處理手段，將違法現(xiàn)象證據(jù)留存，實(shí)現(xiàn)天地網(wǎng)一體化動(dòng)態(tài)融合[5]。

(2)無(wú)人機(jī)攝影準(zhǔn)實(shí)時(shí)三維實(shí)景精細(xì)建模：結(jié)合無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，研究大比例尺地形測(cè)繪無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集方法；研究高精度、高效的無(wú)人機(jī)影像處理方法，建立面向大比例尺地形測(cè)繪的無(wú)人機(jī)影像處理技術(shù)流程[6]。

(3)與“一張圖”系統(tǒng)集成融合：實(shí)現(xiàn)國(guó)土圖斑與視頻影像資料的雙向查詢、準(zhǔn)確定位、變化檢測(cè)、預(yù)警、數(shù)據(jù)更新，提升地類規(guī)劃、報(bào)批、供地、供后跟蹤、執(zhí)法等業(yè)務(wù)審批效率。

(4)智能分析比對(duì)：通過(guò)多方位定時(shí)拍照手段挖掘視頻監(jiān)控技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩處定時(shí)拍照，一是在開啟多方位拍照功能的前提下每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)攝像頭分別在上午11點(diǎn)和下午2點(diǎn)轉(zhuǎn)至八個(gè)方位各拍攝一張照片；二是關(guān)聯(lián)項(xiàng)目詳情的攝像頭，可手動(dòng)設(shè)置拍照時(shí)間和拍照位置。系統(tǒng)將自動(dòng)拍攝的照片形成基于時(shí)間軸的成果展示，方便追溯土地利用的變化情況，跟蹤項(xiàng)目用地開工進(jìn)展，為土地違法案件提供取證依據(jù)。通過(guò)智能識(shí)別手段深度分析監(jiān)控成果。借助人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段對(duì)定時(shí)拍攝的照片進(jìn)行處理，自動(dòng)比對(duì)篩選出疑似違法用地的照片，用戶結(jié)合推送照片和實(shí)時(shí)視頻信息、“一張圖”土地利用現(xiàn)狀圖層等其他信息進(jìn)行綜合分析判斷，明確系統(tǒng)檢測(cè)正誤[7]。

2 礦山監(jiān)測(cè)監(jiān)管應(yīng)用場(chǎng)景

目前基于“慧眼守土”平臺(tái)普通攝像頭來(lái)監(jiān)測(cè)礦山，如圖3所示，存在監(jiān)測(cè)不清、不能實(shí)時(shí)監(jiān)管礦山儲(chǔ)量變化等問(wèn)題[8]，通過(guò)研究三維遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法，在礦區(qū)不同位置安裝兩臺(tái)高清攝像頭。根據(jù)攝影測(cè)量交會(huì)定點(diǎn)原理，通過(guò)自動(dòng)化控制，定期采集礦山視頻影像，提供固定式、粗放式的日常管理和地點(diǎn)精準(zhǔn)、信息準(zhǔn)確、時(shí)效及時(shí)的預(yù)警報(bào)警，實(shí)現(xiàn)視頻威懾、證據(jù)留存。同時(shí)結(jié)合礦山原始地形資料和設(shè)計(jì)圖，自動(dòng)計(jì)算、分析礦山儲(chǔ)量變化；將監(jiān)測(cè)成果存入礦山數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)面域、無(wú)人值守、全自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，滿足礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)管、儲(chǔ)量檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化管理的要求。

圖3 “慧眼守土”攝像頭疊加一張圖礦產(chǎn)管理數(shù)據(jù)

2.1 技術(shù)路線

在礦區(qū)安裝高清攝像頭，實(shí)時(shí)采集礦山視頻影像，通過(guò)4G無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將視頻影像自動(dòng)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，基于攝影測(cè)量原理對(duì)視頻關(guān)鍵幀時(shí)序影像進(jìn)行量測(cè)化處理，重建礦區(qū)多時(shí)相三維立體模型，自動(dòng)計(jì)算、分析礦山儲(chǔ)量變化。技術(shù)路線如圖4所示。重點(diǎn)研究新方法中的視頻影像量測(cè)化處理關(guān)鍵技術(shù)：

圖4 技術(shù)路線

(1)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)亞像素級(jí)現(xiàn)場(chǎng)精確標(biāo)定，保證視頻監(jiān)測(cè)影像的可量測(cè)化精度；

(2)解決無(wú)控制點(diǎn)的影像高精度自動(dòng)定向問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)視頻時(shí)序影像厘米級(jí)相對(duì)定位精度；

(3)克服影像仿射變形、遮擋、噪聲等影響，實(shí)現(xiàn)視頻影像的稠密匹配，滿足場(chǎng)景稠密三維重建的要求；

(4)與國(guó)土資源“一張圖”集成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的在線發(fā)布、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與成果的信息化管理。

2.2 數(shù)據(jù)采集

以南京市棲霞江南小野田水泥有限公司棲霞烏龜山礦為監(jiān)測(cè)對(duì)象，如圖5所示，通過(guò)布設(shè)500萬(wàn)像素高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，具備人臉檢測(cè)、區(qū)域入侵檢測(cè)、越界檢測(cè)、進(jìn)入?yún)^(qū)域、離開區(qū)域、徘徊、人員聚集、場(chǎng)景變更、虛焦偵測(cè)、音頻異常檢測(cè)等功能。

圖5 棲霞江南小野田烏龜山露采礦山立體監(jiān)測(cè)

2.3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 雙相機(jī)模型現(xiàn)場(chǎng)高精度標(biāo)定方法

本文采用高精度的Luca Lucchese模型作為數(shù)碼相機(jī)畸變改正模型。該模型考慮徑向、切向畸變差，并保留了高階畸變系數(shù)，對(duì)各種鏡頭畸變差模精度可達(dá)到0.1像元以內(nèi)的高精度。同時(shí)，本文采用抗相關(guān)的攝像機(jī)精確標(biāo)定方法，即將畸變系數(shù)和內(nèi)方位元素分別在二維和三維控制場(chǎng)中進(jìn)行檢校，可以有效減弱未知參數(shù)之間相關(guān)性的影響，對(duì)各種數(shù)碼相機(jī)標(biāo)定的實(shí)際精度可達(dá)到0.1～0.2像素以內(nèi)。此外，該方法所使用的三維控制場(chǎng)對(duì)于物方控制點(diǎn)的空間點(diǎn)位分布要求略低于光束法，控制點(diǎn)可以分布于一個(gè)近似平面上。算法原理是依據(jù)平面控制場(chǎng)與像片的透視變換關(guān)系求解畸變系數(shù)，利用求得的畸變系數(shù)對(duì)三維控制場(chǎng)各控制點(diǎn)的像方坐標(biāo)進(jìn)行畸變差改正，然后代入共線方程平差解算內(nèi)方位元素。

2.3.2 無(wú)控制點(diǎn)的自由網(wǎng)光束法時(shí)序影像定向

影像定向的目的是重構(gòu)物像空間相對(duì)位置和姿態(tài)參數(shù)，為礦山地形三維重建提供基本參數(shù)，其精度也是決定監(jiān)測(cè)精度的主要因素之一?，F(xiàn)有的攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)定向方法都依賴于嚴(yán)格的物方控制或像方控制，否則時(shí)序監(jiān)測(cè)中三維重建的場(chǎng)景無(wú)法配準(zhǔn)到同一歐氏空間參考系，使監(jiān)測(cè)結(jié)果因缺乏統(tǒng)一的基準(zhǔn)而無(wú)法計(jì)算分析。然而，礦山遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)序影像定向存在特殊性，一是物方受開挖影響存在整體或局部形變，固定的物方控制模式不適宜；二是受風(fēng)力、溫度等影響，相機(jī)的位置和姿態(tài)存在一定程度的擾動(dòng)，難以保持嚴(yán)格固定，抵觸了像方控制“一勞永逸”的優(yōu)勢(shì)。在這種物方控制和像方控制都失效的情形下，時(shí)序影像定向因缺乏統(tǒng)一的基準(zhǔn)而成為一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系自由網(wǎng)空間定位與配準(zhǔn)難題?？紤]到時(shí)序監(jiān)測(cè)采用固定攝影裝置，相機(jī)位置和姿態(tài)變化范圍有限，擬采用前期影像的定向結(jié)果作為先驗(yàn)知識(shí)來(lái)約束后期影像的定向，改善平差結(jié)果，提高數(shù)據(jù)處理的精度。對(duì)于首期監(jiān)測(cè)(相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí))，先通過(guò)尺度空間特征點(diǎn)提取、描述、匹配、優(yōu)選，獲取魯棒定向點(diǎn)，再基于控制點(diǎn)或者其它高精度空間參考目標(biāo)，依次通過(guò)嚴(yán)格的相對(duì)定向、概略絕對(duì)定向，獲取影像的概略外方位和定向點(diǎn)物方坐標(biāo)，再通過(guò)光束法平差，精確標(biāo)定相機(jī)外參數(shù)初值。

2.3.3 寬基線傾斜攝影密集匹配方法

一是多原則、多策略、多層次影像匹配新方法，通過(guò)構(gòu)建視差約束、極幾何約束、整體一致性約束等多原則匹配策略與誤匹配剔除方法，以及分階匹配加密與精化，解決影像魯棒稠密匹配難題；二是匹配時(shí)序傳播：充分利用視頻監(jiān)控的大量冗余影像，提高匹配的可靠性。

2.3.4 儲(chǔ)量計(jì)算分析與預(yù)警方法

為計(jì)算礦山動(dòng)用儲(chǔ)量，建立礦山采區(qū)多時(shí)相數(shù)字高程模型(DEM)：(1)將礦山開采前的柵格地形圖矢量化，經(jīng)過(guò)插值，得到礦區(qū)范圍的原始DEM0；(2)根據(jù)設(shè)計(jì)的礦山終采境界圖，建立礦區(qū)終采境界DEM1；(3)根據(jù)數(shù)碼攝影測(cè)量采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取目前已開采區(qū)域R，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行插值，得到礦山開采宕口DEM2；(4)按照平面位置將DEM2與DEM0疊加，將區(qū)域R內(nèi)的DEM0數(shù)據(jù)替換為DEM2相同區(qū)域的數(shù)據(jù)，得到礦區(qū)當(dāng)前DEM3。

通過(guò)多時(shí)相礦區(qū)DEM疊加分析，自動(dòng)計(jì)算礦山開采面積、剝離量、已采礦量、剩余儲(chǔ)量等量化指標(biāo)，方法如下：

(1)分別計(jì)算礦界內(nèi)、最低采高H0以上DEM0、DEM1、DEM3 的體積，分別記為V0、V1、V3。

(2)計(jì)算總浮土層表面積S0：S0為H0高程以上、礦界內(nèi)的DEM0 的表面積。

(3)計(jì)算已剝離浮土層表面積S1：S1為H0高程以上、開采區(qū)域R內(nèi)的原始DEM0 的表面積。

(4)據(jù)體積V0、V1、V2以及含礦率α、礦石比重t、浮土層厚度h計(jì)算礦山已采量和剩余儲(chǔ)量：

總儲(chǔ)量(t)：T0=(V0-V1-S0×h)×a×t

已采量(t)：T1=(V0-V3-S1×h)×a×t

剩余儲(chǔ)量(t)：T2=T0-T1

結(jié)合終采境界三維模型，采用上述方法，分析越界開采情況，對(duì)越界開采等違法行為進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警。

2.3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與集成方法

一是生成測(cè)繪產(chǎn)品，如DEM、DOM、等高線等；二是通過(guò)DEM與DOM復(fù)合，實(shí)現(xiàn)礦山真實(shí)場(chǎng)景三維可視化；三是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與成果的信息化管理；四是與“一張圖”集成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的在線發(fā)布。

2.4 軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)基于VC++、OpenGL、GPU并行計(jì)算、多線程、面向?qū)ο缶幊痰燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)“影像數(shù)據(jù)輸入—數(shù)據(jù)處理與分析—礦山實(shí)景三維重建—儲(chǔ)量計(jì)算與預(yù)警—成果輸出在線發(fā)布”功能一體化，為面域、無(wú)人值守、高精度、全自動(dòng)化的礦山儲(chǔ)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了新技術(shù)手段，如圖6所示。

圖6 總體架構(gòu)

2.4.2 主要功能模塊

系統(tǒng)主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、柵格地圖矢量化與三維重建模塊、時(shí)序影像三維重建模塊、儲(chǔ)量計(jì)算分析模塊(如圖7所示)、三維可視化模塊(如圖8所示)。

圖7 儲(chǔ)量計(jì)算分析模塊

圖8 三維可視化模塊

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著自然資源管理業(yè)務(wù)的深度融合以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，“慧眼守土”在自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越重要，除了礦山監(jiān)測(cè)，在土地利用、耕地保護(hù)、違法用地等應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越廣。下一步工作主要是在“慧眼守土”1.0的基礎(chǔ)上，融合自然資源人工智能算法，利用實(shí)景視頻監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)自然資源管理耕地保護(hù)、礦山監(jiān)管、地災(zāi)監(jiān)測(cè)、森林防火、生態(tài)修復(fù)等場(chǎng)景的人工智能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，自然資源“一張圖”數(shù)據(jù)圖層與視頻實(shí)景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)套合、疊加分析，以科技手段助力自然資源管理工作。一是拓展“視圖聯(lián)動(dòng)”功能。通過(guò)映射算法建立三維視頻傾斜坐標(biāo)與地理坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)將業(yè)務(wù)圖層套合疊加在視頻監(jiān)控中，方便工作人員通過(guò)視頻監(jiān)控直觀的瀏覽地塊分布，并結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。二是挖掘AI預(yù)警功能。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)[9]，建立圖像識(shí)別原型[10]，包括板房棚房識(shí)別、腳手架識(shí)別、挖掘機(jī)識(shí)別等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控畫面中出現(xiàn)礦山偷盜采等違法行為時(shí)，自動(dòng)拍照取證，將相關(guān)的視頻點(diǎn)位數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器，在執(zhí)法監(jiān)察指揮中心進(jìn)行預(yù)警提示，全面提升監(jiān)測(cè)監(jiān)管的智慧化水平。