陳欣 馮衛(wèi)東 曹曉華 田浩男 肖瑤

（1.中國鐵塔股份有限公司河北省分公司 河北省石家莊市 050000）

（2.哈爾濱商業(yè)大學 黑龍江省哈爾濱市 150076 3.首都師范大學信息工程學院 北京市 100089）

目前，隨著土地違章建筑問題的日漸突出，及時發(fā)現(xiàn)違章建筑并處理就變得尤為重要[1][2]。社會對土地使用的需求量空前增加，加之土地資產(chǎn)的顯化，出現(xiàn)了各種違法用地、占地、非法采礦等現(xiàn)象，針對上述問題，政府也采取了相應(yīng)的措施，但是仍然需要執(zhí)法人員到現(xiàn)場處理，存在工作量巨大、效率低、巡查不及時等問題。為了更好的監(jiān)管違法占地、非采礦等情況，廊坊市自然資源和規(guī)劃局決定建立立體化視頻執(zhí)法監(jiān)察與地理信息系統(tǒng)，通過視頻監(jiān)控設(shè)備定時定點抓拍圖像、圖像智能識別等方法，結(jié)合地理信息核心數(shù)據(jù)庫和視頻綜合管理系統(tǒng)，將整個區(qū)域的自然資源放在監(jiān)控視野下。構(gòu)建立體化、全方位視頻執(zhí)法監(jiān)察系統(tǒng)，從而實現(xiàn)第一時間發(fā)現(xiàn)、第一時間上報、第一時間執(zhí)法的目標，從源頭上遏制違法占地案件，強化自然資源執(zhí)法監(jiān)察部門應(yīng)急調(diào)度指揮能力。在政府部門的嚴厲執(zhí)法下，違法占地現(xiàn)象將會大大減少。

本文采用高塔（中國鐵塔公司通信信號塔）結(jié)合人工智能技術(shù)，解決自然資源全天候、全覆蓋的智能監(jiān)測問題。具體來說，在通信信號塔高點上（40米至80米）架設(shè)360度實時巡航的高清攝像機，以15分鐘一圈的速度進行巡航，實時分析所采集的實時視頻數(shù)據(jù)，通過深度學習算法智能識別建筑物搭建的事前、事中、事后的各種要素特征，及早發(fā)現(xiàn)、及早制止違章建筑?；阼F塔高點的智能監(jiān)測問題，除了違建物特征智能識別之外，另外一個亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)是基于單目攝像機的目標精準定位問題。其基于以下需求：

（1）違建物發(fā)生地點的精準定位對執(zhí)法具有重要的意義。首先違建物建設(shè)具有隱蔽性，有些建設(shè)于高墻之內(nèi)，為執(zhí)法造成了障礙?；诰珳识ㄎ患夹g(shù)能夠準確定位到違建物建設(shè)地點，為執(zhí)法提供了便利。

（2）精細化管理的需要。目前，按自然資源部要求，實行網(wǎng)格化管理，執(zhí)法權(quán)下方到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，精準定位能夠準確判斷事件發(fā)生，由誰負責、由誰處置。

（3）衛(wèi)片核查的需要。自然資源部每三個月提供一次衛(wèi)星圖斑數(shù)據(jù)，需要市縣自然資源管理部門進行核查，這項工作量巨大。通過精準定位技術(shù)能夠準確根據(jù)圖斑經(jīng)緯度信息，自動調(diào)控攝像機畫面到指定地點，大大提高了衛(wèi)片核查的效率。

（4）聯(lián)合執(zhí)法的需要。通過精準定位技術(shù)，能夠準確調(diào)度發(fā)生地附近的攝像機資源，從各個角度全方位展示違法建筑開工現(xiàn)場，支撐市、縣、鄉(xiāng)多級的聯(lián)合現(xiàn)場執(zhí)法。

1 三種坐標系

（1）相機坐標系：以相機感光原件為坐標系原點，Zc軸與鏡頭的光軸平行。所有相機坐標系中的坐標點是以攝像機的視角而言的。對于空間中固定的一點，其在相機坐標系中的坐標會隨著相機位置的變動而改變。

（2）世界坐標系：人為定義的、實際空間中的坐標系。例如，人為指定了房間左下角為世界坐標系原點，向上是Z軸。世界坐標系與相機坐標系本沒有任何關(guān)系，但物理空間中某點的坐標可以在兩個坐標系之間轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的方法也很簡單，就是透視變換。

（3）成像平面坐標系：成像平面坐標系是主要用來表示物像在成像平面上的位置，單位是像素。而且，為了方便運算一般規(guī)定圖像的左上角為坐標原點，原點向右為橫軸正半軸，原點向下為縱軸正半軸。

2 相機標定

在我們進行圖像采集的時候，需要借助相機鏡頭在獲取清晰的圖像，而相機鏡頭特別是廣角鏡頭，一般都會有較為嚴重的畸變，也就是相機成像會產(chǎn)生扭曲，進而產(chǎn)生很大的誤差，嚴重影響測量結(jié)果。相機標定就是將世界坐標系轉(zhuǎn)換為相機坐標系，再由相機坐標系轉(zhuǎn)換為圖像坐標系的過程，最終求得變換矩陣，達成消除因相機鏡頭畸變而產(chǎn)生誤差的目的。從世界坐標系轉(zhuǎn)換為相機坐標系是一個由三維坐標轉(zhuǎn)換為三維坐標的過程，而由相機坐標系轉(zhuǎn)換為成像坐標系是將三維坐標轉(zhuǎn)換為二維坐標的過程。

本文應(yīng)用的標定方法為張正友標定法，僅需要一個棋盤格圖案的平面標定板來完成相機標定，實際使用中具有操作簡單、標定精度高等優(yōu)點[3]。

2.1 相機標定方法

通常的，我們使用棋盤標定圖和角點檢測算法來幫助我們完成相機標定，如圖1所示。具體步驟如下：

圖1：相機標定

（1）準備一張標準的棋盤標定圖；

（2）準備一張通過相機拍攝的棋盤標定圖；

（3）對兩張圖進行角點檢測，并根據(jù)對應(yīng)點的坐標計算投影矩陣，完成相機標定。

相機標定的結(jié)果通常與提取到的點坐標數(shù)量相關(guān)，當標準棋盤標定圖和拍攝的棋盤標定圖中對應(yīng)點的數(shù)量越多特別是靠近圖像邊緣的點數(shù)量越多，越可以減小在角點檢測時提取的點坐標的誤差，進而使最終結(jié)果越準確。

3 圖像采集

基于項目背景和需求分析，只需要對固定位置進行違章檢測和管理，由于違章具有時效長且變化緩慢等特性，需要對檢測區(qū)域內(nèi)進行長期的監(jiān)控部署。為了采集數(shù)據(jù)，選擇在村子周邊的鐵塔上搭建監(jiān)控攝像頭進行監(jiān)控，將高清攝像頭布置在需監(jiān)控的區(qū)域附近的鐵塔上，攝像頭能夠旋轉(zhuǎn)一周并在固定位置進行拍照，選取相同時間且光照良好的時間點拍攝確保光照對照片的影響相對較小，于是圖像的采集周期為每天一次。最佳采集時間為中午12點-下午3點。所以每天在確定的攝像點和確定時間拍攝來減少位置和光線對照片的影響。每天每個攝像頭抓取8張相片，像素為1920×1080，由此來對數(shù)據(jù)圖像樣本進行采集，同時能夠?qū)Υ龣z測區(qū)域進行實時監(jiān)控，讓采集的數(shù)據(jù)更清晰完整。采集的照片如圖2所示。

圖2：采集圖像

4 違章定位

基于鐵塔高點的智能監(jiān)測系統(tǒng)，除了違建物特征智能識別的問題之外，另外一個亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)是基于單目攝像機的目標精準定位問題。

4.1 CCD/CMOS相機成像模型

目前，在高點監(jiān)控領(lǐng)域一般采用CCD/CMOS槍機或球機。CCD/CMOS相機成像原理可以用小孔成像模型來表示，因為攝像機鏡頭（視場角）很小，相當于被拍攝物體通過小孔投影到感光元件CCD/CMOS上。如圖3所示。

圖3：成像模型

其中，光心是鏡頭的中心，成像界面是感光元器件，P是物理世界中的一個點，P’是P在成像界面中的成像點，f是相機焦距。

4.2 相機坐標系

攝像頭安置于通信信號塔的頂端，水平安裝。通過調(diào)整攝像機的俯仰角可控制監(jiān)測距離塔不同位置的區(qū)域，一般設(shè)置水平時俯仰角為0度，向下垂直時為90度；通過調(diào)整焦距可控制監(jiān)測區(qū)域的大小；通過云臺轉(zhuǎn)動可控制監(jiān)測不同的方位，一般設(shè)置正北為0度。

監(jiān)測區(qū)域的中心點與鏡頭之間的連線為Z軸，畫面的橫向為X軸方向，畫面的縱向為Y軸方向，畫面中心為坐標原點。由原點及X軸、Y軸、Z軸形成的坐標系稱為相機坐標系。如圖4所示。

圖4：相機安裝方式

4.3 透視矩陣

根據(jù)相機成像模型，將物理平面映射到成像平面，如圖5所示。這樣，相機成像平面是物理世界在相機中的映射。接著可以用一個透視矩陣（單應(yīng)性矩陣 Homography matrix）H來表示他們之間的映射關(guān)系，如公式（1）所示。

圖5：映射關(guān)系

矩陣H是一個3×3的矩陣，其值是兩個平面之間的映射關(guān)系。

H用{h00,h01,h02,h10,h11,h12,h20,h21,h22}表示，如果H除以h22，則變?yōu)閧h00/h22,h01/h22,h02/h22,h10/h22,h11/h22,h12/h22,h20/h22,h21/h22,1}，對H重新定義{h'00,h'01,h'02,h'10,h'11,h'12,h'20,h'21,1}，其中h'ij=hij/h22。則如果我們通過某種方法求出H的8個元素的值，就建立了相機圖像平面和物理世界之間的映射關(guān)系，通過一個物體在圖像中的像素位置，求出其在物理世界的坐標。

4.4 基于透視矩陣的定位方法

4.4.1 視場大小的確定

視場由相機本省參數(shù)和焦距大小決定，焦距由變焦倍數(shù)決定。一般焦距越小視場角越大，具體變換關(guān)系與所使用的鏡頭類型有關(guān)，可從廠家提供的相機參數(shù)中獲取。

4.4.2 坐標系的轉(zhuǎn)換

為了建立相機圖像與物理監(jiān)測區(qū)域之間的透視關(guān)系，需要將二者轉(zhuǎn)換成同一坐標系下。首先將物理世界wgs 84經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換成相機坐標系（既以相機為原點的直角坐標系），其次是將圖像的像素坐標系也轉(zhuǎn)換成相機坐標系。

4.4.3 透視關(guān)系的建立

通過標定方法標注同名點。同名點是圖像中物體與實際物體之間的同名關(guān)系，例如一個旗桿底部，在圖像中是一個像素位置，在物理世界中是一個經(jīng)緯度。同名點標注可以通過實際測量標注，也可以通過地圖進行標注。本文采用地圖標注的方法，使用Winform的標注工具。如圖6所示，在同名點標注工具中，左側(cè)為攝像機實時監(jiān)控畫面，右側(cè)是谷歌地圖。通過該工具可進行同一物體在攝像機畫面和地圖中的位置標注。通過標注8個以上同名點，可以用方程組求解或極大似然估計法確定透視矩陣中8個非1的參數(shù)。

圖6：實時監(jiān)控畫面（左）與谷歌地圖（右）

4.4.4 基于透視關(guān)系的定位

有了透視關(guān)系，就可以通過一個物體在畫面中的像素位置信息計算出該物體的經(jīng)緯度信息。

4.5 實驗及結(jié)果

在廊坊市某縣設(shè)立了祁各莊設(shè)立的高點攝像頭實際測試。實驗結(jié)果表明，采用該方法在1.5公里半徑的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，定位誤差小于20米。

5 結(jié)束語

本文主要研究了智能監(jiān)測系統(tǒng)中違建物精準定位的問題，該精準定位方法能夠準確定位到違建物建設(shè)地點，通過物體在畫面中的像素位置信息計算出經(jīng)緯度信息，自動調(diào)控攝像機畫面到指定地點，大大提高了衛(wèi)片核查的效率。通過該精準定位方法，能夠準確調(diào)度發(fā)生地附近的攝像機資源，從各個角度全方位展示違法建筑開工現(xiàn)場，方便后續(xù)對違章進行管理和處理操作。