中國鐵塔股份有限公司河北省分公司 陳 欣 劉永明

中國電信河北分公司 相 瑩

廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計院有限公司 黃星輝

綜合監(jiān)控類項目作為利國利民的重點項目，目前從技術(shù)層面看，已具有成熟的商用環(huán)境和技術(shù)支撐能力，但從工程規(guī)劃角度，仍然有部分重點問題暫時沒有很好的解決方案。本文重點針對監(jiān)控項目各參與方均非常關(guān)心的核心問題，如何科學的評估規(guī)劃監(jiān)控點位的覆蓋效果，提出一種借助GIS系統(tǒng)分析功能性表面的視域來確定不同區(qū)域中可見性的思路。在工程實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套基于空間可見性算法的監(jiān)控覆蓋效果仿真方案模型。并通過案例項目的展示，驗證了仿真模型的可操作性。

1 需求分析

縱觀綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，單從功能目標上來說，監(jiān)控、監(jiān)管、監(jiān)測為其核心內(nèi)涵。目前主流監(jiān)控設(shè)備廠商的監(jiān)控設(shè)備技術(shù)能力可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場景，但在監(jiān)控系統(tǒng)點位規(guī)劃階段，工程各參與方，包括政府監(jiān)管部門、企業(yè)客戶、設(shè)備廠家、規(guī)劃設(shè)計單位、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)單位等共同關(guān)心的核心問題，如何科學的評估監(jiān)控點位布局后可預測的覆蓋效果，在如今絕大多數(shù)監(jiān)控類項目中并沒有很好的評估方法。

2 解決思路

本文從工程實際出發(fā)，提出一種新型應(yīng)用實施例，提供一種基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真方法，以提供給規(guī)劃人員作為參考以快速優(yōu)化監(jiān)控覆蓋方案，獲得更好的覆蓋效果以及更準確的覆蓋率。包括：

（1）接收目標覆蓋區(qū)域的地形高程數(shù)據(jù)、目標覆蓋區(qū)域的基礎(chǔ)信息、視頻監(jiān)控設(shè)備選型參數(shù)以及存量鐵塔站點信息。

（2）根據(jù)所述地形高程數(shù)據(jù)和所述基礎(chǔ)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)校正后獲得所述目標覆蓋區(qū)域?qū)嶋H的高程數(shù)據(jù)。

（3）基于所述實際的高程數(shù)據(jù)、所述視頻監(jiān)控設(shè)備選型參數(shù)以及所述存量鐵塔站點信息，采用空間可見性算法進行仿真，獲得控覆蓋效果仿真方法，還包括當所述覆蓋率低于期望值時，通過視域分析工具篩選出鐵塔站點中覆蓋半徑重合度高的鐵塔站點，以剔除所述覆蓋半徑重合度高的鐵塔站點。

接收新增鐵塔站點后的目標覆蓋區(qū)域的地形高程數(shù)據(jù)、目標覆蓋區(qū)域的基礎(chǔ)信息、監(jiān)控設(shè)備選型參數(shù)以及鐵塔站點信息，并采用空間可見性算法進行仿真，獲得優(yōu)化后的覆蓋效果仿真結(jié)果；其中，所述新增的鐵塔站點在剔除覆蓋半徑重合度高的存量站點后，根據(jù)預設(shè)的要求規(guī)劃新增鐵塔站點后得到。

進一步地，所述基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真系方法，還包括：

接收經(jīng)過現(xiàn)場勘察校正后的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述校正后的數(shù)據(jù)，采用所述空間可見性算法進行仿真，獲得最終的覆蓋效果仿真結(jié)果。

進一步地，所述地形高程數(shù)據(jù)包括含有所述地形高程數(shù)據(jù)的地形圖。

進一步地，所述目標覆蓋區(qū)域的基礎(chǔ)信息包括：目標覆蓋區(qū)域的被監(jiān)控物高度信息

進一步地，所述視頻監(jiān)控設(shè)備的選型參數(shù)包括：攝像機掛高、掃描的水平范圍、掃描的垂直范圍以及覆蓋半徑。

進一步地，所述鐵塔站點信息包括：鐵塔經(jīng)緯度信息、鐵塔高度信息。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實施例監(jiān)控覆蓋效果更接近于實際，能夠提供給規(guī)劃人員作為參考以快速優(yōu)化監(jiān)控覆蓋方案，獲得更好的覆蓋效果以及更準確的覆蓋率。

圖1是實施例中的基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真方法的流程圖。

圖1 實施例中的基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真方法的流程圖

圖2是其中一種優(yōu)選實施例中的基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真方法示意圖。

圖2 其中一種優(yōu)選實施例中的基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真方法示意圖

本實施例主要利用GIS工具，運用空間可見性算法，分析功能基于所述存量鐵塔站點以及所述視頻監(jiān)控設(shè)備的覆蓋效果仿真結(jié)果。

進一步地，所述的基于空間可見性分析的視頻監(jiān)控覆蓋效果仿真方法，還包括：

（1）將所述覆蓋效果仿真結(jié)果矢量化，并與所述目標覆蓋區(qū)域矢量進行相交處理，獲得相交面積。

（2）根據(jù)所述相交面積與所述目標覆蓋區(qū)域的總面積獲得覆蓋率。

進一步地，所述的基于空間可見性分析的視頻監(jiān)性表面的視域來確定不同區(qū)域中的可見性?？臻g可見性分析得到的兩種輸出類型如圖3所示。

圖3 空間可見性分析得到的兩種輸出類型

Arcgis中的可見性分析算法通過在要素屬性數(shù)據(jù)集中指定不同的項，可限制所檢查的柵格區(qū)域。例如：觀測點高程值、垂直偏移、水平掃描角度、垂直掃描角度以及掃描距離。相當于給我們提供了9項控制參數(shù)：SPOT、OFFSETA、OFFSETB、AZIMUTH1、AZIMUTH2、VERT1、VERT2、RADIUS1和RADIUS2?？臻g可見性算法9項控制參數(shù)如圖4所示。

圖4 空間可見性算法9項控制參數(shù)

SPOT項用來定義觀測點的表面高程。OFFSETA項將以表面單位指示要添加到觀測點z值的垂直距離。OFFSETB項將以表面單位指示要添加到各像元z值的垂直距離，因為分析可見性時需要考慮該距離。AZIMUTH1項定義掃描范圍的起始角度。AZIMUTH2項定義掃描范圍的結(jié)束角度。AZIMUTH2的值必須大于AZIMUTH1的值。VERT1項用于定義掃描的水平角上限。VERT2項用于定義掃描的水平角下限。VERT2的值必須小于VERT1的值。RADIUS1項用于定義確定可見性的起始距離。請注意，RADIUS1搜索距離之內(nèi)的像元在輸出柵格中不可見，但仍會妨礙RADIUS1和RADIUS2之間像元的可見性。超出RADIUS2搜索距離的像元將從分析中排除。RADIUS2的值應(yīng)大于RADIUS1的值。

如表1所示，結(jié)合項目實際情況，參照主流監(jiān)控設(shè)備廠商攝像機技術(shù)參數(shù)的典型取值，將相關(guān)技術(shù)參數(shù)帶入到空間可見性分析中的9個控制選項中，可以得到類似表2所示的參數(shù)配置詳表。

表1 主流監(jiān)控設(shè)備技術(shù)參數(shù)

表2 監(jiān)控項目覆蓋效果仿真參數(shù)典型示例

3 應(yīng)用案例

以某片區(qū)森林防火監(jiān)控項目規(guī)劃為例，該項目由林場責任單位牽頭，借助某通信基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)公司提供的通信鐵塔為載體，實現(xiàn)目標片區(qū)森林防火實時監(jiān)控及預警功能。

數(shù)據(jù)輸入階段，項目的實際輸入?yún)?shù)有：01項目區(qū)域含有地形高程數(shù)據(jù)的地形圖（理論上地形圖精度越高，仿真效果越接近實際），02目標覆蓋林區(qū)的基礎(chǔ)信息，包括覆蓋林場區(qū)域范圍、區(qū)域海拔、各子片區(qū)平均樹木高度、林區(qū)面積等，03目標覆蓋區(qū)域存量通信鐵塔基礎(chǔ)信息，包括站點經(jīng)緯度、塔高、塔體類型等，04本項目預采用的監(jiān)控設(shè)備技術(shù)參數(shù)，包括攝像機掛高、攝像機覆蓋半徑、覆蓋目標類型等。

算法迭代階段，先是結(jié)合項目實際情況，對輸入的地形數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化?？紤]監(jiān)控設(shè)備的視距特性，通過Arcgis將林場區(qū)域的樹木高度信息與原始輸入的地形高程數(shù)據(jù)進行了矢量疊加，得到優(yōu)化后的區(qū)域高程樣本，帶入空間可見性分析的9個控制選項進行算法推算，得到基于存量鐵塔站點及擬采用監(jiān)控設(shè)備的覆蓋效果仿真現(xiàn)狀。案例項目算法迭代示意圖如圖5所示。

圖5 案例項目算法迭代示意

應(yīng)用Arcgis矢量數(shù)據(jù)處理工具，將覆蓋效果仿真現(xiàn)狀矢量化，與林場矢量覆蓋范圍做相交處理，可以得到精確的相交面積，即真實目標區(qū)域覆蓋面積，由此再精確計算出覆蓋率，如圖6所示，僅利用存量站點對于目標林場區(qū)域的覆蓋率甚低。

圖6 案例項目現(xiàn)狀覆蓋率測算示意

方案優(yōu)化階段，先是借助視域分析工具篩選存量站點中覆蓋半徑重合度高的站點，結(jié)合項目特征設(shè)立多項鐵塔站點新選址考慮因素，對目標覆蓋區(qū)域進行新增站址規(guī)劃，再將相關(guān)參數(shù)重新帶入空間可見性算法，得到優(yōu)化后方案的覆蓋率，通過判斷覆蓋率是否達到預期進行迭代優(yōu)化。同時，借助ArcScene的3D可視化能力，甚至可以做方案優(yōu)化前后的3D仿真效果對比。如圖7所示。

圖7 案例項目方案優(yōu)化示意

勘察校正階段，針對規(guī)劃方案進行現(xiàn)場勘察，重點排查現(xiàn)場復雜的外界環(huán)境對于監(jiān)控點位覆蓋效果的影響，如存量鐵塔周邊高大樹木、建筑物對于視線的遮擋。通過現(xiàn)場實勘的數(shù)據(jù)再次校正算法輸入?yún)?shù)，得到最優(yōu)的仿真效果。

最后，在項目實施后，課題小組還進行了仿真效果實際核驗，將實施監(jiān)控畫面與仿真3D渲染畫面進行比對，驗證得出仿真效果與實際基本一致。同時，通過核驗也得出一些有趣的問題待接下來進一步優(yōu)化，如可通過仿真方案優(yōu)化監(jiān)控設(shè)備安裝位置達到最佳視野，如監(jiān)控設(shè)備通過熱成像感應(yīng)器探測森林火災，可通過調(diào)整火災煙霧擴散范圍優(yōu)化目標區(qū)域高程數(shù)據(jù)等。案例項目仿真效果與實際監(jiān)控效果核驗示意如圖8所示。

圖8 案例項目仿真效果與實際監(jiān)控效果核驗示意

4 課題總結(jié)

關(guān)于GIS系統(tǒng)在通信類項目規(guī)劃設(shè)計階段的應(yīng)用，仍然是一個很開放、值得探索的方向，以本課題為例，如計算覆蓋實際面積、覆蓋范圍可視化、計算目標包含性、覆蓋目標長度統(tǒng)計、通視性分析等分析需求，在GIS工具的加持下，統(tǒng)計的科學性和效率得到巨大提升。

過去我們在評判監(jiān)控布局點位的覆蓋效果時，由于工具的匱乏，要么缺少整體性，要么考慮因素不全面，操作效率差。本文借鑒城市規(guī)劃中的景觀規(guī)劃方法，嘗試將GIS系統(tǒng)中的空間可見性分析應(yīng)用于監(jiān)控項目覆蓋效果仿真，從方法論的歸納到項目案例的展示，可以看出該方法具備可行性，且因為效率極高、功能創(chuàng)新、成果顯著，極具推廣意義。同時，雖然本文引用案例為偏遠地區(qū)，未來，隨著城市3D建筑模型數(shù)據(jù)的完善和開放，該方法論的應(yīng)用場景將會得到更大的釋放，如目前各大城市火熱進行的雪亮工程項目，均可以得到效果可觀的仿真方案。

希望此文可以給綜合監(jiān)控類項目相關(guān)規(guī)劃、咨詢、參建單位提供有益的參考。