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水利視頻監(jiān)控系統的發(fā)展趨勢

2009/02/06

　　水利視頻監(jiān)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和亮點。工作人員通過該系統可在監(jiān)控中心或者工作計算機上實時監(jiān)控各個水利設施，實時觀測水資源現狀，大大提高了工作效率；而在抗洪救災中，通過該系統也可實現遠程觀測和指揮，對于氣候惡劣人員難以達到的地區(qū)，本系統更是起到了不可替代的作用。本文對近期水利監(jiān)控系統的技術趨勢進行探討，重點針對智能視頻檢測技術在水利行業(yè)中的應用進行介紹，以期拋磚引玉，促進視頻監(jiān)控新技術在水利行業(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(jiān)控系統主要為防汛抗洪服務，在汛期保障水利設施的安全，隨著視頻監(jiān)控系統在水利行業(yè)的進一步推廣，系統將逐漸在水利部門的日常管理中發(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(jiān)測。預計水體污染監(jiān)控將成為下一個應用熱點，屆時高清晰度視頻監(jiān)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)展趨勢等進行有效的遠程觀測，同時應實現和環(huán)保監(jiān)測設備及系統的有效聯動，獲取相關的污染指標數據并和視頻形成統一的數據備份，作為領導決策和執(zhí)法的依據。

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

流域聯網監(jiān)控逐漸成為主流

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

　　從技術上而言，流域監(jiān)控系統必然對系統架構以及服務器平臺提出了更高的要求，在此過程中，必須要實現服務器分布式部署，同時解決服務器級聯、備份以及互相支援等問題，提高流媒體服務器的轉發(fā)效率以滿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網。

　　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，也可級聯協同工作。

無線技術的推廣和應用

　　由于水庫大壩等水利監(jiān)控點分布在較廣闊的范圍內，與監(jiān)控中心的距離較遠，利用傳統的有線連接方式，線路鋪設成本高昂，且施工周期長，有時因為河流山脈等障礙難以架設線纜，這些問題均可采用無線方式進行解決，所以無線傳輸方式在水利行業(yè)監(jiān)控系統中比較受青睞，其所占比例越來越高�，F有無線網絡主要有以下幾種：

衛(wèi)星通訊網技術；

微波數據網傳輸技術；

基于運營商的無線網絡傳輸技術；

無線局域網技術（包含WiMAX技術）。

　　衛(wèi)星通訊網技術由于成本較高，不適合水利行業(yè)大規(guī)模應用。水利部門可采用微波數據網傳輸技術進行視頻傳輸，但是應盡量滿足微波方式的視距傳輸要求，在空曠處建設效果較好。
　　基于運營商的無線網絡傳輸技術也就是利用現有無線網絡運營商平臺進行網絡傳輸，主要有中國移動的GPRS/EDGE網絡和中國聯通的CDMA網絡。這些網絡的實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，為更好的在該網絡條件下進行數據傳輸，系統應針對視頻編碼及網絡傳輸流控部分進行優(yōu)化。而新推出的3G網絡理論上可基本滿足傳輸實時視頻的要求，但由于種種原因其穩(wěn)定應用尚需時日。

　　無線局域網可以滿足實時視頻傳輸的要求，同時現有的無線局域網通過中繼等方式顯著提高了覆蓋半徑，已經可以滿足中小型水利設施的網絡覆蓋要求。最新的WiMAX技術可實現城鎮(zhèn)無線覆蓋的要求，當然WiMAX技術成本還比較高，大規(guī)模推廣尚有一定難度。

　　在水利行業(yè)中，建議采用無線局域網和基于運營商的無線網絡傳輸技術相結合的方式，在較易鋪設網絡處建設無線局域網，在某些難點或不便鋪設處通過CDMA或者EDGE傳輸視頻。

　　另外通過無線方式也可對車輛和人員進行移動視頻監(jiān)控，實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、車輛的調度是重中之重，而在調度過程中，人員和車輛的位置和實時視頻是關鍵信息，因而在系統中需要對GPS定位系統和GIS 系統進行重點設計，確保調度人員快速確定相關人員和車輛的位置。

結合水利部門預案系統

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

　　視頻監(jiān)控系統在獲知現場情況的同時，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一步通過系統實現現場指揮。在系統設計過程中，應做到和資源數據庫的結合并實現雙向的語音對講，在條件允許的情況下，應和水利行業(yè)視頻會商系統相結合，真正做到監(jiān)控指揮一體化。產生報警后主要對視頻系統和地理信息系統進行聯動，同時處理相關數據形成統一的數據庫，這樣就可供下節(jié)所論述的智能搜索引擎進行智能搜索。

智能化技術的逐漸應用

智能搜索引擎

　　以往錄像檢索等工作是通過時間檢索，此種方式搜索時所花時間往往很長，為確定某個場景需要進行多次檢索，給工作人員帶來較多的工作負擔。為解決這一問題，在水利行業(yè)中逐漸出現了以事件檢索為主的檢索模式，如對一些專用水利事件（開關閘門等）進行分類檢索并連動回放。這些事件信息可存放在專門的數據庫文件中,并與視頻信息關聯，也可作為附加信息或用戶信息嵌在視頻流中，通過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智能視頻檢測獲得，從而實現更為有效和智能化的事件記錄和檢索模式。圖5為通過水雨情信息檢索錄像的界面示意，水雨情信息可直接通過查詢事件獲得，并直接回放此時的錄像，對于開關閘門等事件也可按照此種方式檢索錄像。

水利專用的智能視頻檢測技術

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

智能視頻檢測技術需要注意以下幾個方面：

針對某個行業(yè)的應用進行特別設計，現有的通用視頻處理算法往往只能對某些特定場景有較好的效果，因而在應用過程中，需要針對行業(yè)應用和現場環(huán)境進行優(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行特別處理；

在應用前對場景進行充分的學習和適應，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程進行自動學習，但是也存在學習時間過長，有時甚至出現無法收斂的情況，因而在應用中需對該過程進行適當的人工干預，確保針對現場環(huán)境設置合適參數；

現有的智能視頻檢測產品主要有兩種形態(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；

智能視頻檢測技術在現有條件下已經可以代替人工完成大部分工作，不過要完全代替人工還需時日，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，在技術上須對著重解決以下問題。

一般地，視頻圖像中運動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(jiān)控而言，由于畫面同時包含水面，而水面在動態(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、相鄰幀運動方向連續(xù)、紋理特殊等特點，基于這些特點，水面波紋的干擾可被排除；

水利視頻監(jiān)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條件不是很好的狀況進行特別設計；

在獲取到異常情況后及時作出聯動，例如當人員違規(guī)進入壩區(qū)時，可在通過軟件平臺進行遠程自動喊話進行嚇阻，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的應用可細分為以下幾個方面，針對不同應用需對算法進行適應性設計。

1、閘門開閉檢測

　　水利工程中閘門各種各樣，有分洪閘、沖沙閘、節(jié)制閘、船閘等，由于閘門在開閉過程中受力巨大，容易損壞，常會出現開閉不到位、卡死等情況，一種解決方案是采用閘門開閉檢測開關，但有時閘門需要運行在半閉狀態(tài)，此時開閉檢測開關就不易檢測了。智能視頻監(jiān)控能有效地解決這個問題，使得閘門不間斷自動監(jiān)測成為可能。由于閘門在開閉狀態(tài)下圖像內容不同，通過檢測與閘門開啟有關的特征點在圖像上的位置，如檢測閘門上部傳動部分，就可利用視頻分析檢測閘門狀態(tài)。

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

2、決堤、漫溢檢測

　　在汛期中，決堤或水漫過溢出堤壩會引起嚴重后果，必須密切監(jiān)視，視頻監(jiān)控使得無須在現場就可不間斷監(jiān)視，但長長的堤壩需要大量的攝像機和監(jiān)視器，也就需要大量的監(jiān)控值班人員，智能視頻監(jiān)控可實現決堤、漫溢自動檢測和預警。由于在發(fā)生決堤或水漫出堤壩時，圖像內容會發(fā)生改變，通過對圖像內容的分析，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。系統通過水位檢測，并與設定的警戒線比較，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間。

3、人體檢測

　　現實生活中，每年都有人因越過堤壩游泳或進入水利禁區(qū)造成人員傷亡，如每年在錢塘江堤壩處由于違規(guī)觀潮導致人員傷亡的事故屢見不鮮，人體檢測技術可在有人翻越堤壩時及時報警，從而避免惡性事故的發(fā)生。

　　人體檢測主要采用活動目標分割、跟蹤、檢測等技術。一般為靜止場景，容易采用高斯模型或差分檢測實現背景提取，從而利用減背景方法實現活動目標分割，實現警戒區(qū)域入侵檢測和報警。進一步，對于檢測到的活動目標采用Harr特征分析，利用AdaBoost和支持向量機等技術可實現是否是人體的判別，從而實現只對活動人體目標的檢測。通過對人體目標的進行一步特征分析，如服飾顏色、人臉特征等，還可實現多攝像機間的目標交接和跟蹤�？梢栽诘贪逗徒麉^(qū)設置視頻警戒線并應用以上技術，從而檢測到有人翻越堤壩、進入堤岸或水域時及時發(fā)出報警。

總結

　　隨著系統應用的逐漸深化和擴展，水利行業(yè)視頻監(jiān)控系統將逐漸朝數字化、網絡化和智能化方向發(fā)展，應用面越來越廣，大規(guī)模聯網的流域監(jiān)控成為發(fā)展趨勢，利用各種無線通信技術擴展監(jiān)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提高視頻監(jiān)控系統的自動化程度，將成為未來水利視頻監(jiān)控系統的重要特征。特別是智能化技術使大規(guī)模視頻監(jiān)控更具實用意義，可大幅節(jié)省人力和監(jiān)視設備，在水利行業(yè)的應用將有廣闊的前景，并推進水利視頻監(jiān)控系統向智能化的綜合管理系統發(fā)展。在此過程中，各個參與其中的廠家應針對水利行業(yè)的特殊需求和環(huán)境進行深入開發(fā)并推出適用的設備和軟件平臺，和水利管理部門一起推進視頻監(jiān)控系統在水利行業(yè)的應用和發(fā)展。

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