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水利視頻監控系統的發(fā)展趨勢

2009/02/06

　　水利視頻監控系統是數字水利的重要組成部分，也是近期數字水利系統建設中的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)。工作人員通過(guò)該系統可在監控中心或者工作計算機上實(shí)時(shí)監控各個(gè)水利設施，實(shí)時(shí)觀(guān)測水資源現狀，大大提高了工作效率；而在抗洪救災中，通過(guò)該系統也可實(shí)現遠程觀(guān)測和指揮，對于氣候惡劣人員難以達到的地區，本系統更是起到了不可替代的作用。本文對近期水利監控系統的技術(shù)趨勢進(jìn)行探討，重點(diǎn)針對智能視頻檢測技術(shù)在水利行業(yè)中的應用進(jìn)行介紹，以期拋磚引玉，促進(jìn)視頻監控新技術(shù)在水利行業(yè)的應用和推廣。

在水利行業(yè)中的應用面逐漸擴大

　　以往水利視頻監控系統主要為防汛抗洪服務(wù)，在汛期保障水利設施的安全，隨著(zhù)視頻監控系統在水利行業(yè)的進(jìn)一步推廣，系統將逐漸在水利部門(mén)的日常管理中發(fā)揮作用，例如用于水資源管理、水利設施周邊安全、航運管理及水體環(huán)境監測。預計水體污染監控將成為下一個(gè)應用熱點(diǎn)，屆時(shí)高清晰度視頻監控系統（分辨率達到1024×768以上）更能發(fā)揮作用，能對污染物的分布和發(fā)展趨勢等進(jìn)行有效的遠程觀(guān)測，同時(shí)應實(shí)現和環(huán)保監測設備及系統的有效聯(lián)動(dòng)，獲取相關(guān)的污染指標數據并和視頻形成統一的數據備份，作為領(lǐng)導決策和執法的依據。

　　為適應以上趨勢，在新建視頻監控系統中必須要預留更多接口，同時(shí)能做好持續改進(jìn)和適應。

流域聯(lián)網(wǎng)監控逐漸成為主流

　　以往水利視頻監控以單個(gè)水利工程設施監控為主，往往附屬在閘門(mén)控制系統中，為本地工作人員服務(wù)。近幾年出現了以流域和大區域為單位的大型聯(lián)網(wǎng)監控系統，該類(lèi)系統可使領(lǐng)導遠程監視水利設施狀況，同時(shí)避免由于只看到單個(gè)水利設施而無(wú)法了解上下游各個(gè)相關(guān)站點(diǎn)情況的尷尬局面，在防汛抗洪過(guò)程中為各級領(lǐng)導提供了全局決策依據。在此情況下，新建水利視頻監控系統必然將遠程監視以及流域的整體監控作為必備的技術(shù)要求，同時(shí)已建監控點(diǎn)也將逐步實(shí)現聯(lián)網(wǎng)改造和接入。各省水利管理部門(mén)為適合這種發(fā)展趨勢逐步出臺了相應的配套標準，以期實(shí)現水利視頻監控的標準化，相關(guān)廠(chǎng)家應及時(shí)跟進(jìn)這一標準化過(guò)程。

　　從技術(shù)上而言，流域監控系統必然對系統架構以及服務(wù)器平臺提出了更高的要求，在此過(guò)程中，必須要實(shí)現服務(wù)器分布式部署，同時(shí)解決服務(wù)器級聯(lián)、備份以及互相支援等問(wèn)題，提高流媒體服務(wù)器的轉發(fā)效率以滿(mǎn)足大流量視頻數據的轉發(fā)和分發(fā)，并確保不堵塞現有水利專(zhuān)網(wǎng)。

　　系統有三級結構，主要有省水利廳、市水利局和大型水利設施管理處等三級，各級可獨立工作，也可級聯(lián)協(xié)同工作。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)的推廣和應用

　　由于水庫大壩等水利監控點(diǎn)分布在較廣闊的范圍內，與監控中心的距離較遠，利用傳統的有線(xiàn)連接方式，線(xiàn)路鋪設成本高昂，且施工周期長(cháng)，有時(shí)因為河流山脈等障礙難以架設線(xiàn)纜，這些問(wèn)題均可采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行解決，所以無(wú)線(xiàn)傳輸方式在水利行業(yè)監控系統中比較受青睞，其所占比例越來(lái)越高。現有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要有以下幾種：

衛星通訊網(wǎng)技術(shù)；

微波數據網(wǎng)傳輸技術(shù)；

基于運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)；

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)（包含WiMAX技術(shù)）。

　　衛星通訊網(wǎng)技術(shù)由于成本較高，不適合水利行業(yè)大規模應用。水利部門(mén)可采用微波數據網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行視頻傳輸，但是應盡量滿(mǎn)足微波方式的視距傳輸要求，在空曠處建設效果較好。
　　基于運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)也就是利用現有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸，主要有中國移動(dòng)的GPRS/EDGE網(wǎng)絡(luò )和中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò )。這些網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際數據上傳速度一般在60kbps左右，在這樣的帶寬下視頻效果不夠理想，為更好的在該網(wǎng)絡(luò )條件下進(jìn)行數據傳輸，系統應針對視頻編碼及網(wǎng)絡(luò )傳輸流控部分進(jìn)行優(yōu)化。而新推出的3G網(wǎng)絡(luò )理論上可基本滿(mǎn)足傳輸實(shí)時(shí)視頻的要求，但由于種種原因其穩定應用尚需時(shí)日。

　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)視頻傳輸的要求，同時(shí)現有的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通過(guò)中繼等方式顯著(zhù)提高了覆蓋半徑，已經(jīng)可以滿(mǎn)足中小型水利設施的網(wǎng)絡(luò )覆蓋要求。最新的WiMAX技術(shù)可實(shí)現城鎮無(wú)線(xiàn)覆蓋的要求，當然WiMAX技術(shù)成本還比較高，大規模推廣尚有一定難度。

　　在水利行業(yè)中，建議采用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和基于運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)相結合的方式，在較易鋪設網(wǎng)絡(luò )處建設無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，在某些難點(diǎn)或不便鋪設處通過(guò)CDMA或者EDGE傳輸視頻。

　　另外通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式也可對車(chē)輛和人員進(jìn)行移動(dòng)視頻監控，實(shí)現可視化的調度和指揮，在水利行業(yè)抗洪搶險作業(yè)中，人員、車(chē)輛的調度是重中之重，而在調度過(guò)程中，人員和車(chē)輛的位置和實(shí)時(shí)視頻是關(guān)鍵信息，因而在系統中需要對GPS定位系統和GIS 系統進(jìn)行重點(diǎn)設計，確保調度人員快速確定相關(guān)人員和車(chē)輛的位置。

結合水利部門(mén)預案系統

　　根據原有經(jīng)驗并參考行業(yè)要求對一些突發(fā)事件預先做出資源人力調配，并規定相應的處理流程即為預案，不同的現場(chǎng)信息會(huì )導致不同的預案。預案處理在水利部門(mén)是一個(gè)標準的工作流程，特別是在防汛抗洪過(guò)程中，預案能指導快速決策從而起到了至關(guān)重要的作用。其可分為幾種等級，最低等級為報警聯(lián)動(dòng)，稍復雜的是固定處理流程，最復雜的是建立專(zhuān)家人工智能庫，對現場(chǎng)獲取的某些信息進(jìn)行綜合考慮并給出專(zhuān)家意見(jiàn)。在現有技術(shù)條件下，專(zhuān)家預案使用較少，主要采用固定處理流程的預案。

　　視頻監控系統在獲知現場(chǎng)情況的同時(shí)，應根據預案提供相應的資源分布圖，例如汛期的物資儲備情況、人員配備情況等并進(jìn)一步通過(guò)系統實(shí)現現場(chǎng)指揮。在系統設計過(guò)程中，應做到和資源數據庫的結合并實(shí)現雙向的語(yǔ)音對講，在條件允許的情況下，應和水利行業(yè)視頻會(huì )商系統相結合，真正做到監控指揮一體化。產(chǎn)生報警后主要對視頻系統和地理信息系統進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，同時(shí)處理相關(guān)數據形成統一的數據庫，這樣就可供下節所論述的智能搜索引擎進(jìn)行智能搜索。

智能化技術(shù)的逐漸應用

智能搜索引擎

　　以往錄像檢索等工作是通過(guò)時(shí)間檢索，此種方式搜索時(shí)所花時(shí)間往往很長(cháng)，為確定某個(gè)場(chǎng)景需要進(jìn)行多次檢索，給工作人員帶來(lái)較多的工作負擔。為解決這一問(wèn)題，在水利行業(yè)中逐漸出現了以事件檢索為主的檢索模式，如對一些專(zhuān)用水利事件（開(kāi)關(guān)閘門(mén)等）進(jìn)行分類(lèi)檢索并連動(dòng)回放。這些事件信息可存放在專(zhuān)門(mén)的數據庫文件中,并與視頻信息關(guān)聯(lián)，也可作為附加信息或用戶(hù)信息嵌在視頻流中，通過(guò)數據庫檢索或視頻流搜索獲得事件信息。該事件信息也可通過(guò)智能視頻檢測獲得，從而實(shí)現更為有效和智能化的事件記錄和檢索模式。圖5為通過(guò)水雨情信息檢索錄像的界面示意，水雨情信息可直接通過(guò)查詢(xún)事件獲得，并直接回放此時(shí)的錄像，對于開(kāi)關(guān)閘門(mén)等事件也可按照此種方式檢索錄像。

水利專(zhuān)用的智能視頻檢測技術(shù)

智能視頻檢測技術(shù)近幾年逐漸從理論階段走向實(shí)用并成為未來(lái)視頻監控系統的核心技術(shù)，視頻檢測已經(jīng)在很多行業(yè)中獲得了應用，根據筆者的經(jīng)驗，在行業(yè)應用中要推進(jìn)

智能視頻檢測技術(shù)需要注意以下幾個(gè)方面：

針對某個(gè)行業(yè)的應用進(jìn)行特別設計，現有的通用視頻處理算法往往只能對某些特定場(chǎng)景有較好的效果，因而在應用過(guò)程中，需要針對行業(yè)應用和現場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設計，選擇適應行業(yè)環(huán)境條件的應用，例如在水利應用中必須對水波紋干擾進(jìn)行特別處理；

在應用前對場(chǎng)景進(jìn)行充分的學(xué)習和適應，視頻處理算法往往需要預設某些閾值靈敏度和參數，一些自適應算法可以對此過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習，但是也存在學(xué)習時(shí)間過(guò)長(cháng)，有時(shí)甚至出現無(wú)法收斂的情況，因而在應用中需對該過(guò)程進(jìn)行適當的人工干預，確保針對現場(chǎng)環(huán)境設置合適參數；

現有的智能視頻檢測產(chǎn)品主要有兩種形態(tài)，一種是采用集中檢測方式，在軟件平臺處完成檢測，一種是采用分布式檢測方式，在攝像機視頻處接入嵌入式設備完成檢測，在應用中推薦采用后一種模式；

智能視頻檢測技術(shù)在現有條件下已經(jīng)可以代替人工完成大部分工作，不過(guò)要完全代替人工還需時(shí)日，因而在應用中最好的模式是在智能視頻檢測的基礎上適當輔以人工。

對于水利行業(yè)而言，在技術(shù)上須對著(zhù)重解決以下問(wèn)題。

一般地，視頻圖像中運動(dòng)對象是需要檢測的感興趣目標，因此智能視頻檢測常以檢測圖像內容的變化為主，對于水利監控而言，由于畫(huà)面同時(shí)包含水面，而水面在動(dòng)態(tài)變化，因此提高了視頻檢測的難度。但是，水面波紋具有形狀不固定、相鄰幀運動(dòng)方向連續、紋理特殊等特點(diǎn)，基于這些特點(diǎn)，水面波紋的干擾可被排除；

水利視頻監控系統在夜間的應用較頻繁，因而智能視頻檢測應針對光線(xiàn)條件不是很好的狀況進(jìn)行特別設計；

在獲取到異常情況后及時(shí)作出聯(lián)動(dòng)，例如當人員違規進(jìn)入壩區時(shí)，可在通過(guò)軟件平臺進(jìn)行遠程自動(dòng)喊話(huà)進(jìn)行嚇阻，在系統建設中突出預防優(yōu)先的策略。

　　水利行業(yè)中智能視頻檢測技術(shù)的應用可細分為以下幾個(gè)方面，針對不同應用需對算法進(jìn)行適應性設計。

1、閘門(mén)開(kāi)閉檢測

　　水利工程中閘門(mén)各種各樣，有分洪閘、沖沙閘、節制閘、船閘等，由于閘門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中受力巨大，容易損壞，常會(huì )出現開(kāi)閉不到位、卡死等情況，一種解決方案是采用閘門(mén)開(kāi)閉檢測開(kāi)關(guān)，但有時(shí)閘門(mén)需要運行在半閉狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)閉檢測開(kāi)關(guān)就不易檢測了。智能視頻監控能有效地解決這個(gè)問(wèn)題，使得閘門(mén)不間斷自動(dòng)監測成為可能。由于閘門(mén)在開(kāi)閉狀態(tài)下圖像內容不同，通過(guò)檢測與閘門(mén)開(kāi)啟有關(guān)的特征點(diǎn)在圖像上的位置，如檢測閘門(mén)上部傳動(dòng)部分，就可利用視頻分析檢測閘門(mén)狀態(tài)。

　　系統還可以采用基于分割的跟蹤算法檢測閘門(mén)處的水位高低，在應用中先用分水嶺算法等進(jìn)行圖像分割，而后基于模型進(jìn)行區域合并和跟蹤。一旦檢測到閘門(mén)狀態(tài)異常，或水位超過(guò)設定值（通過(guò)對水位標尺的比對實(shí)現），則立即發(fā)出報警信號。

2、決堤、漫溢檢測

　　在汛期中，決堤或水漫過(guò)溢出堤壩會(huì )引起嚴重后果，必須密切監視，視頻監控使得無(wú)須在現場(chǎng)就可不間斷監視，但長(cháng)長(cháng)的堤壩需要大量的攝像機和監視器，也就需要大量的監控值班人員，智能視頻監控可實(shí)現決堤、漫溢自動(dòng)檢測和預警。由于在發(fā)生決堤或水漫出堤壩時(shí)，圖像內容會(huì )發(fā)生改變，通過(guò)對圖像內容的分析，包括差分檢測、紋理分析等手段，就可檢測是否出現決堤、水漫堤壩的現象。系統通過(guò)水位檢測，并與設定的警戒線(xiàn)比較，也可在水漫堤壩前發(fā)出預警，為工作人員提供一定的處理時(shí)間。

3、人體檢測

　　現實(shí)生活中，每年都有人因越過(guò)堤壩游泳或進(jìn)入水利禁區造成人員傷亡，如每年在錢(qián)塘江堤壩處由于違規觀(guān)潮導致人員傷亡的事故屢見(jiàn)不鮮，人體檢測技術(shù)可在有人翻越堤壩時(shí)及時(shí)報警，從而避免惡性事故的發(fā)生。

　　人體檢測主要采用活動(dòng)目標分割、跟蹤、檢測等技術(shù)。一般為靜止場(chǎng)景，容易采用高斯模型或差分檢測實(shí)現背景提取，從而利用減背景方法實(shí)現活動(dòng)目標分割，實(shí)現警戒區域入侵檢測和報警。進(jìn)一步，對于檢測到的活動(dòng)目標采用Harr特征分析，利用AdaBoost和支持向量機等技術(shù)可實(shí)現是否是人體的判別，從而實(shí)現只對活動(dòng)人體目標的檢測。通過(guò)對人體目標的進(jìn)行一步特征分析，如服飾顏色、人臉特征等，還可實(shí)現多攝像機間的目標交接和跟蹤。可以在堤岸和禁區設置視頻警戒線(xiàn)并應用以上技術(shù)，從而檢測到有人翻越堤壩、進(jìn)入堤岸或水域時(shí)及時(shí)發(fā)出報警。

總結

　　隨著(zhù)系統應用的逐漸深化和擴展，水利行業(yè)視頻監控系統將逐漸朝數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化方向發(fā)展，應用面越來(lái)越廣，大規模聯(lián)網(wǎng)的流域監控成為發(fā)展趨勢，利用各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)擴展監控范圍和預案提高快速決策和應急指揮能力，利用智能視頻檢測技術(shù)提高視頻監控系統的自動(dòng)化程度，將成為未來(lái)水利視頻監控系統的重要特征。特別是智能化技術(shù)使大規模視頻監控更具實(shí)用意義，可大幅節省人力和監視設備，在水利行業(yè)的應用將有廣闊的前景，并推進(jìn)水利視頻監控系統向智能化的綜合管理系統發(fā)展。在此過(guò)程中，各個(gè)參與其中的廠(chǎng)家應針對水利行業(yè)的特殊需求和環(huán)境進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)并推出適用的設備和軟件平臺，和水利管理部門(mén)一起推進(jìn)視頻監控系統在水利行業(yè)的應用和發(fā)展。

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