◎ 左天惠，袁 菱，周映彤

1.廣西自然資源調查監(jiān)測院，廣西 南寧 530219

2.自然資源部北部灣經(jīng)濟區(qū)自然資源監(jiān)測評價工程技術創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530219

為加快構建自然資源統(tǒng)一調查監(jiān)測體系，廣西重點打造“天—空—地—人—網(wǎng)”自然資源立體監(jiān)測網(wǎng)，為全區(qū)自然資源管理監(jiān)測監(jiān)管提供全覆蓋、高頻次、多渠道、立體式的多源數(shù)據(jù)保障[1]。鐵塔視頻數(shù)據(jù)作為實時感知網(wǎng)中地聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，具有不易受到云層遮擋等自然因素影響、全天候實時獲取視頻信息和主動獲取遠程控制等特點，可有效填補航空航天遙感與地面觀測網(wǎng)絡之間的尺度空缺，因此，如何利用鐵塔視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)無人值守全天候自然資源監(jiān)測監(jiān)管是當前研究的重要課題[2-3]。

目前，全國部分省市已開展基于鐵塔視頻的自然資源監(jiān)測監(jiān)管工作，并開發(fā)了智能監(jiān)管系統(tǒng)。其中，江蘇省“慧眼守土”系統(tǒng)、浙江省嘉興市“國土天眼”系統(tǒng)、山東省聊城市高空瞭望“電子眼”系統(tǒng)等取得了不錯的應用效果[3]。智能監(jiān)管系統(tǒng)的視頻融合化程度和智能感知水平，直接影響了視頻在自然資源管理中應用場景的廣度和深度，其中湖南省、江蘇省等地的系統(tǒng)初步實現(xiàn)了自然資源監(jiān)測智能化，支持視頻數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)融合，支持自然資源疑似違法目標及行為特征等自動識別與預警，應用場景較為豐富。研究小組通過借鑒國內(nèi)各省、市鐵塔視頻應用經(jīng)驗，圍繞廣西自然資源監(jiān)測監(jiān)管問題圖斑發(fā)現(xiàn)與識別智能化、疑問圖斑遠程舉證等需求，以自然資源“一張圖”為數(shù)據(jù)底版，對視頻數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)、綜合監(jiān)測監(jiān)管成果數(shù)據(jù)融合進行初探。

1 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體架構

研究小組基于綜合監(jiān)測監(jiān)管已有業(yè)務流程及框架，利用已建綜合監(jiān)測監(jiān)管平臺的成果及已有基礎設施資源、數(shù)據(jù)資源，采用5G、移動地理信息、人工智能等技術，將鐵塔視頻有機融入到綜合監(jiān)測監(jiān)管“天—空—地—人—網(wǎng)”一體化監(jiān)測網(wǎng)絡中[4]，建設全覆蓋、多場景、智能化的監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)自然資源要素全生命周期監(jiān)測監(jiān)管。系統(tǒng)架構主要包括支撐層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層、用戶層、標準與規(guī)范體系和信息安全保障體系等7 大版塊（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

支撐層主要包括鐵塔視頻硬件環(huán)境支撐和平臺支撐?；诖髷?shù)據(jù)GIS 引擎及視頻GIS 引擎，支撐層為智能監(jiān)管系統(tǒng)提供高性能的加速引擎，硬件環(huán)境則按照云服務模式和云架構，形成按需動態(tài)擴展的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡通信資源，結合視頻監(jiān)測需求，可動態(tài)調整、擴展視頻分析設備和視頻存儲資源等硬件資源。

數(shù)據(jù)層根據(jù)自然資源監(jiān)管業(yè)務需求，整合了現(xiàn)有的自然資源年度變更數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、行政管理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層利用坐標轉換技術，將自然資源地理信息數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)套合，為監(jiān)管系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

服務層包括數(shù)據(jù)服務、功能服務、接口服務和成果服務等，是系統(tǒng)的核心層。重點是實現(xiàn)并提供視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)采集服務，基于視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用人工智能技術等擴展視頻智能分析服務，提高自然資源監(jiān)管智能化、信息化和自動化。

應用層以數(shù)據(jù)層和服務層為基礎，按照自然資源監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務需求建設智能監(jiān)管系統(tǒng)，將區(qū)域內(nèi)全部鐵塔視頻數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)和服務層數(shù)據(jù)集成并展示在系統(tǒng)中，實現(xiàn)自然資源違法事件自動識別、判定及預警信息推送，視圖聯(lián)動舉證等，減少人為觀察和數(shù)據(jù)備份等工作，提高工作效率，全面提升自然資源監(jiān)測監(jiān)管能力。

1.2 系統(tǒng)業(yè)務流程

研究小組按照變化發(fā)現(xiàn)、研判分析、視頻調度、核查舉證4 個方面來構建系統(tǒng)業(yè)務流程。

首先，基于視頻監(jiān)控自動識別并推送預警信息，根據(jù)業(yè)務適配規(guī)則，將內(nèi)容與土地利用、行政管理等自然資源管理數(shù)據(jù)進行疊加分析，過濾無效預警信息；其次，對剩余預警信息進行智能化定性分析，確定最終問題清單并推送至自然資源綜合監(jiān)測監(jiān)管平臺；再次，利用“以圖找攝像頭”功能，對航天航空遙感影像數(shù)據(jù)提取的變化疑問圖斑進行快速定位，找到最近的鐵塔視頻點；最后，通過鐵塔攝像頭視圖聯(lián)動、視頻遠程控制、自由調焦等功能，快速定位并調整合適的拍攝角度，進行遠程舉證。系統(tǒng)業(yè)務流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務流程圖

1.3 智能研判業(yè)務規(guī)則設計

靈活制訂鐵塔視頻智能識別預警成果研判規(guī)則，是提高鐵塔視頻監(jiān)測監(jiān)管自動化、智能化的基礎。研究小組根據(jù)綜合監(jiān)測監(jiān)管作業(yè)經(jīng)驗，對不同的監(jiān)測監(jiān)管對象，制訂相應的研判業(yè)務適配規(guī)則，具體規(guī)則如表1 所示。

表1 鐵塔視頻的自然資源綜合監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務適配規(guī)則表

1.4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S 架構，基于HTML5+JavaScript開發(fā)，主要圍繞監(jiān)測預警與遠程舉證業(yè)務進行功能設計開發(fā)，實現(xiàn)視頻監(jiān)測分析預警、監(jiān)控綜合展示及運維等3 大模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖3 所示，鐵塔視頻智能監(jiān)管系統(tǒng)如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構圖

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)頁版主界面圖

1.4.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心模塊主要包括監(jiān)測預警、圖斑研判、遠程控制、拍照及視頻錄制等功能。該模塊是系統(tǒng)核心業(yè)務模塊，利用雙坐標轉換、電子圍欄和視頻行為智能監(jiān)測與識別等技術，實現(xiàn)了視頻監(jiān)測分析預警、智能研判等業(yè)務需求，形成“視頻主動監(jiān)測—問題圖斑自動識別—智能綜合研判”的全流程信息化支撐體系。監(jiān)控中心通過“以圖斑找攝像頭”功能，快速定位疑問圖斑周邊的鐵塔視頻，同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)攝像頭遠程控制，快速調整外業(yè)舉證的拍攝角度，完成對疑問圖斑的遠程舉證拍照及視頻拍攝，實現(xiàn)足不出戶即可完成外業(yè)舉證。

1.4.2 展示中心

展示中心模塊主要包括統(tǒng)計查詢、設備接入展示、電子地圖、預警信息等功能。該模塊圍繞自然資源監(jiān)管重點事項，利用可視化數(shù)據(jù)大屏集中展示鐵塔視頻接入情況及其狀態(tài)、視頻監(jiān)測問題清單、處置情況臺賬等，用戶和管理人員可以方便、快捷、直觀地了解鐵塔視頻智能監(jiān)管系統(tǒng)運行情況及成效。

1.4.3 運維中心

運維中心模塊主要包括后臺數(shù)據(jù)管理、視頻成果管理、規(guī)則配置、電子圍欄管理、用戶及權限管理和日志管理等功能。系統(tǒng)管理人員利用該模塊進行數(shù)據(jù)管理、服務管理和用戶權限管理等，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

1.4.4 應用實例

2022 年6 月系統(tǒng)試運行期間，研究小組利用南寧市邕寧區(qū)、橫州市和貴港市等28 個鐵塔視頻，對周邊2 km 有效范圍進行全天候、全要素監(jiān)測。研究小組對系統(tǒng)自動產(chǎn)出的預警信息及研判結果逐日、逐圖斑地進行人工分析，不斷更新視頻識別樣本庫和修正研判規(guī)則，逐步提升預判信息和研判結果的準確性。

期間，研究小組共利用系統(tǒng)識別并發(fā)現(xiàn)問題圖斑28 個，其中合理變化圖斑15 個，疑似違法圖斑9 個。疊加自然資源業(yè)務管理數(shù)據(jù)分析后，確定并形成問題清單并下派圖斑5 個。同時，遠程核實衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)的“非糧化”“非農(nóng)化”疑問圖斑，完成遠程舉證圖斑2 個，實現(xiàn)了足不出戶即可完成外業(yè)舉證（見圖5）。

圖5 鐵塔視頻遠程舉證圖

2 關鍵技術

2.1 視頻極坐標與地理坐標雙轉換算法

視頻圖像數(shù)據(jù)雖然能夠逼真地展示空間信息，但是缺少地理屬性，因此不能直接與地理信息系統(tǒng)進行深度融合。視頻極坐標與地理坐標雙轉換算法作為鐵塔視頻監(jiān)測落地的核心技術，可為視頻圖像數(shù)據(jù)賦予地理空間屬性，確保視頻圖像位置與地理空間位置的一致性，提高視頻坐標精度[5-6]，解決監(jiān)測定位、定界等問題。

其算法主要采用視頻監(jiān)測與鐵塔周邊正射影像結合的方式。首先，提取同名特征樣點，對攝像頭內(nèi)方位元素進行標定；其次，以攝像頭為圓心，將攝像頭360°視域按等角分為3 個方向，每個方向構建50 m、200 m、400 m 的3 個焦距面，并提取6～8 個均勻分布的同名點；最后，利用同名點對坐標雙轉換模型參數(shù)進行校正，實時解算鐵塔攝像頭姿態(tài)變化情況下的坐標，實現(xiàn)地理坐標與視頻極坐標的精準雙向轉換（見圖6）。

圖6 鐵塔視頻與正射影像融合圖

2.2 電子圍欄技術

電子圍欄技術通過坐標轉換，將土地利用數(shù)據(jù)、基本農(nóng)田保護紅線和生態(tài)保護紅線等矢量數(shù)據(jù)二維地理坐標映射到視頻監(jiān)控中，實現(xiàn)兩者坐標的相互統(tǒng)一。鐵塔在日常監(jiān)測過程中，對攝像頭抓拍照片中的挖掘機、建筑物材料等各類目標開展行為監(jiān)測分析，準確判定視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的事件坐標，并根據(jù)預制的業(yè)務適配規(guī)則自動進行研判，從而確定違法性質（見圖7）。

圖7 電子圍欄圖

2.3 視頻行為智能監(jiān)測與識別技術

視頻行為智能監(jiān)測與識別技術能夠對視頻中出現(xiàn)的異常行為進行監(jiān)測并自動識別。研究小組利用動態(tài)目標檢測算法建立各類工程要素等樣本庫，運用基于深度學習模型的目標檢測算法對視頻圖像中敏感的地物及工程設備等進行逐幀分析[7]，提前發(fā)現(xiàn)腳手架、無門窗的房屋和塔式起重機等施工設備，特征要素觸發(fā)預警后可進行行為跟蹤分析（見圖8）。

圖8 智能識別與預警成果圖

3 結 語

研究小組在調研廣西自然資源綜合監(jiān)測監(jiān)管信息化建設現(xiàn)狀及全區(qū)鐵塔視頻建設情況基礎上，根據(jù)自然資源綜合監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務需求，研究并設計了鐵塔視頻智能監(jiān)管系統(tǒng)總體架構、業(yè)務流程和業(yè)務智能研判規(guī)則等，同時開展了鐵塔視頻智能監(jiān)測關鍵技術及功能實現(xiàn)研究。實例證明，該系統(tǒng)能夠為自然資源監(jiān)測監(jiān)管提供全天候不間斷監(jiān)測服務，從而有效降低自然資源執(zhí)法成本。下一步研究應結合自然資源分布情況，充分考慮鐵塔的位置及其高度和信號傳輸方式等因素，讓鐵塔的布設更為合理。