周湘龍，李雅箐

（廣西壯族自治區(qū)環(huán)境信息中心，廣西 南寧 530028）

0 引言

生態(tài)環(huán)境宣傳教育是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，也是推動生態(tài)文明建設(shè)的重要手段和途徑［1］。近年來，我國大力推進(jìn)生態(tài)環(huán)境宣傳教育工作，通過自然體驗(yàn)、咨詢展示、研究實(shí)踐等多種方式增強(qiáng)公眾生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的展板、普通的多媒體聲光電等方式已無法滿足信息時代公眾資訊獲取需求。

隨著環(huán)境信息化及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息技術(shù)已成為推進(jìn)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要手段，通過遠(yuǎn)距離長光程遙控監(jiān)控成為現(xiàn)實(shí)需要。近年來，數(shù)公里以上遠(yuǎn)距離激光攝像機(jī)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)幾倍或幾十倍于傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的觀察范圍和夜視能力，利用高臺觀測點(diǎn)的高度，配合攝像機(jī)云臺的性能，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)對大面積區(qū)域進(jìn)行非接觸、遠(yuǎn)距離、大范圍、360度全方位的精確監(jiān)控?；谶@一技術(shù)優(yōu)勢，遠(yuǎn)距離視頻監(jiān)控技術(shù)已被應(yīng)用于森林火情預(yù)警［2］、高速公路建設(shè)［3］、線性工程安全管理［4］等領(lǐng)域，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)管領(lǐng)域中很早就被應(yīng)用于城市環(huán)境質(zhì)量大區(qū)域監(jiān)控［5］、污染源排污狀況監(jiān)控［6］。青海建設(shè)了以視頻和遙感監(jiān)測為核心的自然生態(tài)保護(hù)監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了全省五大生態(tài)功能區(qū)全覆蓋［7］，探索綜合實(shí)現(xiàn)人類活動和野生動物的監(jiān)測監(jiān)管。

1 生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

1.1 全面提高數(shù)據(jù)應(yīng)用價值

為有效存儲前端豐富的感知數(shù)據(jù)，提升管理業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)利用價值，采用云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全區(qū)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)多方監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中存儲與共享業(yè)務(wù)，更好地支持大數(shù)據(jù)分析與挖掘等多樣化的業(yè)務(wù)實(shí)戰(zhàn)，提高生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。

1.2 提供精細(xì)化管理及服務(wù)

為滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)、野生動植物觀測、突發(fā)事件處置、服務(wù)民生等需求，以全區(qū)視頻聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)為導(dǎo)向，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)為依托，打造重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)功能區(qū)“可感知、可防控、可研判”的智慧大數(shù)據(jù)，輔助科學(xué)決策及生態(tài)研究，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的精細(xì)化管理及服務(wù)提供支撐。

1.3 增加生態(tài)環(huán)境宣傳的公眾體驗(yàn)感

近年來，我國大力推進(jìn)生態(tài)環(huán)境宣傳教育工作，通過自然體驗(yàn)、咨詢展示、研究實(shí)踐等多種方式增強(qiáng)公眾生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的展板、普通的多媒體聲光電等方式已無法滿足信息時代公眾資訊獲取需求。通過高清視頻物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)足不出戶即可觀看特定區(qū)域的自然景觀和野生動植物，將極大提高公眾現(xiàn)場體驗(yàn)感。

2 生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目在廣西區(qū)內(nèi)選取南寧市青秀山、南寧市那考河濕地公園、崇左白頭葉猴保護(hù)區(qū)、防城港北侖河口紅樹林、梧州界首斷面、百色西江源頭、玉林九洲江山角斷面、桂林陽朔漓江8個重要生態(tài)環(huán)境觀測區(qū)域，分別代辦廣西區(qū)內(nèi)城市綠肺、城市黑臭水體生態(tài)綜合整治工程、野生動物保護(hù)區(qū)、紅樹林保護(hù)區(qū)、跨省河流交界、重點(diǎn)治理河流和風(fēng)景名勝區(qū)的典型代表區(qū)域。本次研究將結(jié)合上述8個重要生態(tài)環(huán)境觀測區(qū)域，基于GIS設(shè)計(jì)開發(fā)一套集成展示全區(qū)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和各觀測點(diǎn)位實(shí)時監(jiān)控視頻的廣西“金不換”生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)融合及環(huán)境可視化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 觀測點(diǎn)位選取

為確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)成效，觀測點(diǎn)選擇需注意以下情況：①視野開闊，前端無遮擋物，方便對生態(tài)環(huán)境觀測；②土層厚實(shí)，以便牢靠安裝監(jiān)控塔；③抵達(dá)路徑通暢，方便施工及維護(hù)；④方圓2 km內(nèi)有運(yùn)營商基站，方便傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；⑤滿足森林防火智能監(jiān)控及無線網(wǎng)橋傳輸?shù)囊?；⑥場地平坦，附近無高大建筑物遮擋；⑦工程地質(zhì)良好，避開斷層、古河道及可能塌方、滑坡的地段；⑧選擇安全的環(huán)境，避開易燃易爆的場所和粉塵及有害氣體的污染源；⑨避開低洼地，防止雨水淹灌；⑩避免鐵塔建設(shè)及供電桿路設(shè)置占用農(nóng)田、綠地；?避開軍事設(shè)施或敏感管控區(qū)。

在

項(xiàng)目需求調(diào)研過程中，以各區(qū)域自然景觀分布和動物活動區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘察，確定了8個觀測點(diǎn)部署位置。

3.2 觀測點(diǎn)位現(xiàn)場端視頻觀測設(shè)施設(shè)計(jì)

3.2.1 監(jiān)控塔設(shè)計(jì)要求

觀測點(diǎn)是否需要修建監(jiān)控塔，可以根據(jù)選址點(diǎn)的實(shí)際情況確定，優(yōu)先選取觀測點(diǎn)位置建有可利用的鐵塔?？紤]到生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程觀測系統(tǒng)需要對生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行長期觀測，鐵塔要求使用20年以上。根據(jù)本項(xiàng)目要求，監(jiān)控塔設(shè)計(jì)要求如下。

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)觀測距離要求大于5 km，為防止被觀測路徑上一些不可預(yù)測的類似樹木的遮擋物遮擋視線，本項(xiàng)目8個觀測點(diǎn)的監(jiān)控塔設(shè)計(jì)高度均為25 m。

（2）考慮到抗風(fēng)要求，監(jiān)控塔四柱管式設(shè)計(jì)，主材為鋼管，輔材為角鋼，材質(zhì)為Q235B，抗損能力達(dá)到風(fēng)10級及地震6級。

（3）塔身整體的承重要求要能承受住兩個人的重量和一個高清重載激光一體化云臺的重量（高清重載激光一體化云臺大概80 kg）。

（4）距離塔頂1.5 m處要有一個工作平臺，工作平臺要能承受兩個工作人員的重量。

（5）塔頂要有一個直徑為700 mm的平臺，要求是4~6 mm厚的鋼板，并且上面要打上攝像機(jī)云臺設(shè)備的固定孔。

（6）避雷針裝在工作平臺的圍欄上面，要求至少3 m高，防雷接地在前段控制箱內(nèi)安裝電源、信號、視頻三合一防雷模塊，做好防雷保護(hù)措施；在塔架頂部安裝專用避雷針，塔架基礎(chǔ)位置做聯(lián)合接地網(wǎng)；塔架地腳螺栓與接地網(wǎng)接地極連接，保證接地阻值小于4Ω。

（7）防盜在塔架距地面高度5 m以上的位置安裝一套紅外防盜報警探測器、一套紅外一體化夜視攝像機(jī)和一套語音喇叭系統(tǒng)，當(dāng)有人靠近塔架時，系統(tǒng)自動報警，管理中心值班人員可通過喊話的方式，讓入侵人員離開；防止設(shè)施設(shè)備被盜或者人為的破壞。

（8）設(shè)計(jì)采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的方式為前端設(shè)備提供后備電源，并配備室外型紅外線監(jiān)測裝置、室外球形攝像機(jī)、聲光報警器及室外防水音柱等組成的監(jiān)測報警系統(tǒng)。

3.2.2 攝像機(jī)設(shè)計(jì)要求

本項(xiàng)目選取的點(diǎn)位基本都在室外，部分點(diǎn)位甚至在人之罕至的野外地區(qū)，因此相關(guān)設(shè)備需適應(yīng)日曬雨淋的室外環(huán)境，超遠(yuǎn)距離的觀測要求，晝夜不停運(yùn)行要求，針對這些要求綜合考慮，選取清晰度百萬像素以上，支持虛焦偵測、自動后調(diào)焦、微調(diào)焦距、激光補(bǔ)光、光學(xué)透霧等功能，采用渦輪蝸桿傳動云臺，適應(yīng)工作環(huán)境溫度為-35~70 ℃，IP66防護(hù)等級的攝像機(jī)。

3.3 視頻數(shù)據(jù)傳輸及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)

前端攝像機(jī)傳輸1 080 P視頻圖像的碼流為4 Mb/s，存儲和實(shí)時觀測雙碼流的情況下，碼流為8 Mb/s?？紤]到監(jiān)測報警系統(tǒng)的室外球形攝像機(jī)在觸發(fā)報警時會回傳1路視頻碼流回指揮中心，碼流為2 Mb/s。因此，每個觀測點(diǎn)需布設(shè)1條10 M及以上專線到中心機(jī)房。具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.2 觀測管控端平臺

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用電子政務(wù)外網(wǎng)計(jì)算資源部署視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理平臺，觀測管控端可通過電子政務(wù)外網(wǎng)調(diào)度和展示現(xiàn)場端攝像機(jī)實(shí)時圖像，同時可控制現(xiàn)場端每臺攝像機(jī)。操作人員可以通過平臺可發(fā)出指令，對云臺的四向轉(zhuǎn)動及對鏡頭的調(diào)焦變倍均可進(jìn)行操作，同時實(shí)現(xiàn)在多路攝像機(jī)之間的切換，可對圖像進(jìn)行錄入、回放、處理等操作。平臺設(shè)計(jì)采用可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)以便未來系統(tǒng)升級，設(shè)計(jì)能提供第三方接口軟件API、SDK或網(wǎng)關(guān)軟件，實(shí)現(xiàn)視頻流、設(shè)備狀態(tài)、控制的共享。

本項(xiàng)目對WEB請求接口進(jìn)行了緩存速率優(yōu)化，通過編碼和壓縮格式轉(zhuǎn)換、主碼流和輔碼流切換等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瀏覽器嵌入播放時保持流暢，避免頁面播放造成的卡頓，提高了視頻點(diǎn)擊響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)快速播放。 視頻多媒體工作站上可以按需要進(jìn)行圖像解碼，不同的工作站瀏覽同一個視頻源時可以根據(jù)情況解壓成不同分辨率的視頻流。

3.4 可視化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于“廣西天地圖”最新二維矢量地圖、影像地圖為基礎(chǔ)，通過GIS、RS和GPS技術(shù)的綜合應(yīng)用，將二維GIS技術(shù)與各環(huán)境要素的實(shí)時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)相融合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的動態(tài)查詢和在線分析制圖，建立管理信息化、分析作業(yè)可視化的環(huán)境管理和決策GIS應(yīng)用系統(tǒng)。

3.4.1 GIS功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目可視化設(shè)計(jì)的地理信息應(yīng)用服務(wù)應(yīng)構(gòu)建通用、統(tǒng)一的二維WebGIS平臺，并具備以下基本功能。

（1）實(shí)現(xiàn)包括地圖基本操作、地圖點(diǎn)位維護(hù)、空間查詢、空間統(tǒng)計(jì)、最佳路徑分析、緩沖區(qū)分析、插值分析等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空間查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過圖表、表格、動畫結(jié)合電子地圖進(jìn)行直觀展示。

（2）管理現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)，不同的用戶可按其權(quán)限瀏覽查看或者下載共享的空間數(shù)據(jù)；提供空間數(shù)據(jù)瀏覽功能，用戶除可以瀏覽共享的地圖服務(wù)數(shù)據(jù)外，還可以瀏覽自有的數(shù)據(jù)，將自有的數(shù)據(jù)加載至已有地圖，實(shí)現(xiàn)地圖的疊加并能制圖打印。

（3）用戶能夠在地圖上進(jìn)行地理要素的標(biāo)注和保存，并能共享給指定用戶。

（4）可視化系統(tǒng)預(yù)留接口，以便于后期與數(shù)字廣西協(xié)同調(diào)度指揮中心對接、統(tǒng)一展示和指揮調(diào)度。

3.4.2 視頻觀測管理設(shè)計(jì)

集成觀測管控端平臺，實(shí)現(xiàn)基于“一張圖”的視頻觀測管理功能，其主要功能如下。

（1）視頻點(diǎn)位管理。通過二維地圖精準(zhǔn)的地理環(huán)境信息，可對現(xiàn)有視頻點(diǎn)位的信息進(jìn)行更快速、精準(zhǔn)的查看和管理，有利于全域視頻信息的快速準(zhǔn)確調(diào)用。

（2）視頻域維護(hù)。在二維GIS地圖中，利用視頻域分析功能，可對各視頻點(diǎn)的可視域范圍進(jìn)行維護(hù)管理（包括視頻域的高度、寬度等），實(shí)現(xiàn)在地圖上直接查看各個視頻的可視范圍，一方面便于對視頻布點(diǎn)的規(guī)劃，另一方面有利于視頻的快速調(diào)閱、查看。

（3）視頻搜索及視頻調(diào)閱。在二維地圖中可根據(jù)真實(shí)的地理環(huán)境，更快速地調(diào)取事件周邊的視頻進(jìn)行查閱。同時，在二維地圖上可支持按點(diǎn)、按面、按系統(tǒng)線路，以及建筑物范圍等多種條件進(jìn)行視頻的搜索，有效提高了視頻調(diào)取效率。

3.4.3 環(huán)境質(zhì)量可視化與分析設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目從監(jiān)視性監(jiān)測和特定監(jiān)測為主要出發(fā)點(diǎn)，通過與環(huán)保監(jiān)測各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口開發(fā)對接，在二維地圖實(shí)現(xiàn)包括各主要環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的管理、查詢統(tǒng)計(jì)分析，以及環(huán)境質(zhì)量制圖分析。系統(tǒng)基于Web瀏覽器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，免安裝，可直接運(yùn)行。

針對全區(qū)所接入的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，在“一張圖”上實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)信息的動態(tài)的監(jiān)測，其具體功能如下。

（1）環(huán)境質(zhì)量實(shí)施監(jiān)測?？筛鶕?jù)不同監(jiān)測點(diǎn)的類別（如大氣監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測等），在地圖上直接查看不同類別監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前最新監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表展示。可在“一張圖”上對不同監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)天或歷史的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)圖表展示，以便及時掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，在地圖上以曲線圖表的方式將監(jiān)測歷史變化數(shù)據(jù)動態(tài)展示。

（3）監(jiān)測信息查詢。可直接在二維地圖中通過多種方式進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位信息查詢，其方式如下：可通過監(jiān)測點(diǎn)位的名稱、所屬機(jī)構(gòu)或監(jiān)測點(diǎn)位的類型進(jìn)行查詢；可通過圓選、矩形或多邊形選擇，在圖上畫出相應(yīng)的范圍，查找區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)位；可查看某個監(jiān)測點(diǎn)位的詳細(xì)信息，以及當(dāng)前及歷史的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.5 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

（1）與“廣西天地圖”對接設(shè)計(jì)。按照“廣西天地圖”開放接口對接要求進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，調(diào)用廣西全區(qū)最新二維矢量地圖、影像地圖，以此為底圖，并結(jié)合本項(xiàng)目的GIS可視化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與環(huán)境管理各流程環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合展示。

（2）與環(huán)境在線平臺對接設(shè)計(jì)。根據(jù)地圖系統(tǒng)展示需求，通過HTTP接口或WebService接口方式對接廣西生態(tài)環(huán)境信息資源中心，獲取水質(zhì)、城市空氣、近岸海域的實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過可視化展示模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的展示和環(huán)境質(zhì)量專題分析展示。

3.6 信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目系統(tǒng)安全等級保護(hù)定級為第二級，其部署的數(shù)據(jù)中心已通過第三級等級保護(hù)測評，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)為電子政務(wù)外網(wǎng)，因此系統(tǒng)的安全防護(hù)主要通過信息安全防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)，結(jié)合所在數(shù)據(jù)中心及電子政務(wù)外網(wǎng)平臺現(xiàn)有的安全防護(hù)系統(tǒng)，按二級等級保護(hù)要求，實(shí)現(xiàn)對本項(xiàng)目系統(tǒng)的安全防護(hù)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)研究的生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程視頻觀測系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程接口方式控制云臺角度姿態(tài)，視頻平臺多碼流的壓縮、緩存機(jī)制設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)演示無須安裝客戶端，實(shí)現(xiàn)瀏覽器終端遠(yuǎn)程控制?；贕IS技術(shù)，建成兼具大屏幕展示和公眾互動功能的生態(tài)環(huán)境教育遠(yuǎn)程觀測系統(tǒng)。在“一張圖”上集成展示廣西生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和各觀測點(diǎn)位的實(shí)時監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)環(huán)境管理信息的落地，提高了生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，推動了環(huán)境信息資源的高效、精準(zhǔn)應(yīng)用，以更加精細(xì)的動態(tài)方式實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)管與保護(hù)，通過趣味互動的方式達(dá)到生態(tài)文明教育宣傳的目的。隨著視聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等新技術(shù)的產(chǎn)生，“場景化學(xué)習(xí)”“場景化參觀”將成為下一階段生態(tài)文明宣傳教育平臺研發(fā)的主要方向。結(jié)合新技術(shù)將生態(tài)文明宣傳教育打破傳統(tǒng)的空間局限，通過增強(qiáng)人于場景之間人機(jī)交互的即時互動，提升參觀體驗(yàn)，達(dá)到參觀者主動感知學(xué)習(xí)的宣傳教育方式。

在生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)、信息技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，生態(tài)文明宣傳教育工作面臨著新時代的挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合最新信息化技術(shù)，在滿足環(huán)境監(jiān)管需求的同時，創(chuàng)新生態(tài)文明宣傳教育方式，著力打造互動性強(qiáng)、內(nèi)容新穎的綠色發(fā)展理念教育宣傳平臺，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)同共進(jìn)，建設(shè)美麗中國。