基于無線通信和視頻監控技術的移動目標監控GIS系統設計

曹建成，贠建明，金 鼎

（國家測繪地理信息局陜西基礎地理信息中心，陜西西安710054）

一、引 言

視頻監控是安全防范系統的重要組成部分，它能將監控點采集的視頻流實時地傳輸給監控中心，以便于監控中心進行遠程監控，并對突發事件及時指揮處置。因此，其以直觀、準確、及時和信息內容豐富的特點而被廣泛應用于許多場合，特別是用于對重要區域或遠程地點的監視和控制。近年來，隨著計算機、網絡，以及圖像處理、傳輸技術的飛速發展，視頻監控技術有了長足的發展，其在電力系統、電信機房、工廠、城市交通、水利系統、小區治安等領域也得到了越來越廣泛的應用［1］。

傳統的視頻監控技術是基于有線網絡來實現的，其特點是速度快、帶寬寬、無輻射，但這種技術也存在著明顯的缺點:① 布點受限制，一般都要選擇靠近有線接入點的地方，限制了布點的靈活性;②布點工程量大，需要提前鋪設網線和光纖，由于基礎網絡的工程量往往會很大，因此一般有線監控比較適用于已存在基礎網絡的場合;③ 工程周期長，鋪設基礎網絡耗時耗力;④欠缺靈活性，擴展和調整不方便，會增加工程量和不必要的基礎網絡建設;⑤ 缺乏移動性，這是有線網絡的先天缺陷［2］。

在某些特殊行業和特殊工種，由于受環境和條件限制，無法布設有線網絡，如在安全、保衛部門對違法犯罪嫌疑人進行現場跟蹤、核污染環境的事態處置等情況下，往往需要跟蹤人員、身著特種裝備的技術人員或機器人等將現場視頻傳回指揮或監控中心，便于領導和專家根據現場情況及時作出決策，而這種狀況在有線網絡環境下是難以解決的。為了解決有線網絡視頻監控存在的問題，具備施工簡便、成本低等優勢的無線視頻監控應運而生［3］，從而使視頻監控徹底擺脫了因有線而帶來的種種限制。伴隨著我國3G網絡覆蓋的開始，以及COFDM、WiFi等技術的飛速發展和衛星的民用化，無線視頻監控相關技術如終端技術、組網技術、傳輸技術等取得了持續進步，誤碼率、切換效率、時延、帶寬穩定性等方面也得到了進一步優化，無線視頻監控進入飛速發展的時代［2］。

傳統的移動視頻監控系統僅僅是將視頻、音頻等數據信息通過無線通信平臺上傳輸到監控中心，無法對移動終端進行精確定位，實時跟蹤更是無從談起［4］。隨著GIS的廣泛應用，將視頻監控系統與地理信息系統相結合，既可以發揮視頻監控系統實時圖像可視化的優勢，又可以讓管理人員全面了解視頻監控對象的空間分布狀況［5］。與傳統的單純獲取監控目標的實時音、視頻信息的視頻監控系統相比，集成了空間位置信息的視頻監控系統將在增強用戶空間位置意識、輔助用戶應急決策等方面發揮更大的作用［6］。

二、系統設計

1.總體思路

本系統設計目標是為了實現安保等部門對事件現場的隱秘跟蹤和后方指揮，由偵察人員攜帶便攜式視頻監控設備和空間定位設備，通過無線通信網絡將事件現場視頻和空間位置實時傳回后方指揮中心，便于指揮中心決策者及時了解現場實時情況并作出決策。因此，在現場需要兩種設備:視頻監控設備和空間定位設備。由于工作性質的特殊性，所需要的視頻監控設備和空間定位設備必須做到最小，以便于攜帶和隱藏。

對于現場空間定位，現在主流的空間定位技術主要采用GPS定位技術，GPS定位信號的回傳可以采用GPRS方式。由于GPS的大量民用化，GPS芯片已經可以設計得很小，而移動運營商的SIM卡也只有小硬幣大小，因此可將這兩種設備進行集成，組裝成一個新的空間定位及信息回傳的移動通信終端硬件設備，最小可以做到跟手表一樣大小。通過這種設備可以定時將GPS信號通過GPRS傳回后端指揮中心的定位服務器，并實現語音通話功能。

對于現場視頻監控，也可以采用移動運營商的GPRS或3G技術實現。但由于視頻信息數據量大，無論是GPRS還是3G都還存在延時問題，因此本系統采用最新的4G技術，將現場視頻實時傳回后端指揮中心視頻監控服務器。

在后端指揮中心，通過唯一編碼將同一移動目標所攜帶的移動通信終端和視頻監控終端進行綁定，并在指揮大廳電子地圖上實現移動目標的實時空間定位，同時將該移動目標的實時視頻監控信息以流媒體形式進行播放，使后端指揮人員既了解移動目標的空間位置，又了解該位置處的現場視頻。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構示意圖

2.功能設計

本系統在功能上共設計7個模塊，分別實現從基本GIS地圖操作、最優路徑分析到實時監控、語音調度等一系列功能，并能覆蓋移動無線視頻監控工作的各個方面，其系統功能設計如圖2所示。

1)地圖操作。實現矢量地圖、影像地圖、三維地圖等地理底圖的在線切換、政區導航、地址檢索、快速定位等。

圖2 系統功能設計框圖

2)導航分析。對移動目標在執行任務過程中目標活動區域等進行導航定位分析(如到達分析、路徑分析)等，用于指揮中心對警力等優化部署的輔助決策。

3)實時監控。實時將當前移動目標所在的地理位置顯示在指揮中心GIS系統的地圖上，并且可以根據人員編號、手機號碼等快速定位其他移動目標。

4)軌跡錄制。錄制當天移動目標執行任務的行程，實現對移動目標活動位置的完整跟蹤。該功能將記錄移動目標行動過程中關鍵點的位置、現場資料(文字、圖片、視頻)等。

5)視頻錄制。錄制當天移動目標執行任務過程中對各類現場狀況的視頻監控和錄制。該功能將記錄移動目標在現場看到和聽到的所有信息，并實時地傳回指揮中心GIS系統，使得決策人員在指揮中心實現身臨其境的現場指揮。

6)軌跡回放。對移動目標歷史行程進行回放，實現移動目標位置、現場視頻和電子地圖三者歷史數據的在線聯動回放，再現現場實況，可用于案情研判及案例綜合分析等。

7)語音調度。支持后端指揮人員基于視頻錄制模塊傳回的視頻影像及軌跡錄制模塊傳回的軌跡信息通過無線通信系統進行遠程指揮，對現場移動目標的活動給出指示，同時支持現場移動目標與指揮中心決策者的其他語音互動。

3.邏輯設計

（1）系統運行邏輯設計

系統啟動初始化完成之后，首先載入在線移動目標列表，列表中的每個在線移動目標都預先分配好了GPS設備和視頻裝置，并在系統中作相應的配置。系統將根據移動目標的基本信息，分別獲取移動目標身上的GPS信號和視頻信號，并經過加密的便攜4G通信終端傳輸到移動目標監控系統終端平臺。終端平臺分別處理每個移動目標自行發送的GPS信號和視頻信號，同時為了更加直觀形象地表現移動目標所處的地理位置，按照格拉布斯準則對GPS坐標進行粗差剔除、坐標轉換后顯示在地圖上［7］，并將獲取到的視頻在電子地圖上實時繪制，同時記錄移動目標的歷史軌跡、執行后臺視頻錄制，對其實施可視化實時監控。系統一個運行周期可完成從系統初始化、啟動監控、地圖展現、視頻播放到軌跡回放的一整套移動目標監控流程。整個監控系統運行邏輯流程如圖3所示。

圖3 系統運行邏輯流程圖

（2）系統數據結構設計

由于系統設計目標是實現多目標視頻監控，因此會存在多個移動目標的空間信息和視頻信息實時回傳、存儲、回放等，特別是視頻信息數據量巨大，如果不能合理地組織和管理空間信息和視頻信息，會對系統性能、穩定性和實用性造成很大的影響。系統采用Oracle 11g作為存儲和管理系統數據的后臺數據庫，組織并建立了人員信息表、GPS設備信息表、軌跡信息表、軌跡點記錄表、GPS信息實時表、視頻錄制記錄表及視頻存放文件夾。通過Oracle強大的數據庫管理功能，滿足后臺數據庫負荷平衡及存儲大量空間數據的需求。系統數據結構設計如圖4所示。

圖4 系統數據結構設計圖

1)人員信息表。用于存儲記錄移動目標的基本信息，包括人員ID、姓名、性別、身份證、GPS設備ID、視頻設備ID等。在人員信息表中同時也記錄了附掛在移動目標身上的GPS設備和視頻設備ID信息。

2)GPS設備信息表。記錄了GPS設備的基本信息，包括GPS設備唯一碼、型號、廠家、采購時間等，并與人員信息進行了關聯。

3)視頻設備信息表。記錄了視頻設備的基本信息，包括視頻設備碼、視頻IP、設備名稱、型號、廠家、采購時間等，并與人員信息進行了關聯。

4)軌跡信息表。存儲移動目標錄制軌跡的基本信息，包括人員ID、軌跡ID、軌跡名稱、起始時間、終止時間、備注等。

5)軌跡點記錄表。記錄了移動目標的歷史軌跡信息，可用于移動目標軌跡回放。

6)GPS信息實時表。系統實時從GPS設備中獲取到GPS實時定位記錄，為了更有效地記錄來自不同GPS設備的GPS信息，將系統獲取的GPS信息存儲在GPS實時表中，系統始終更新實時表中相對應的GPS設備信息的記錄，以保證GPS信息的時效性。

7)視頻錄制記錄表。記錄了已錄制視頻的基本信息，如視頻名稱、錄制起止時間、視頻存放路徑等。

8)視頻存放文件夾。該文件夾用于存儲已錄制的視頻文件，在視頻錄制記錄表中記錄了該視頻文件的存放路徑。

三、系統實現

整個系統采用B/S架構，符合基于SOA的多層體系架構的思想。監控系統后臺基于ArcGIS Server 9.3.1及Oracle 11g設計開發，以完成整個系統的運行維護工作，并實現對移動通信設備、移動視頻設備與單兵偵察人員信息的預置和配置修改，主要供系統管理人員使用。監控系統前臺基于Mircosoft Visual Studio 2010+Silverlight4+ArcGIS API For Silverlight的開發環境開發實現，地圖資源采用“天地圖”在線地圖服務，并借助Silverlight強大的富客戶端表現能力及ArcGIS API For Silverlight的地圖表現能力，在瀏覽器端實現了地圖操作、軌跡繪制、視頻播放、導航分析等核心功能，具備較好的使用體驗，主要供指揮中心決策人員使用。監控系統移動端通過硬件集成實現了隱蔽攝像頭、GPS定位設備、4G通信終端的一體化，并集成便攜電源以保證長時間待機工作，主要供單兵偵查人員外出攜帶。系統運行界面如圖5所示。

圖5 系統運行界面

四、結束語

基于本文所提出的方案，采用小型化、便攜式的視頻設備、GPS設備，并結合最新的無線通信技術，實現了前線遠程視頻監控與后端信號空間定位、實時視頻展示的結合，較好地為刑偵、安保等特殊工作所需要的現場監控與后端指揮提供了解決辦法。在一些分布范圍廣、需要進行不定期進行移動巡查的行業和企業，如石油管道的巡檢、森林防火巡查、電力線路巡查等，也可采用本方案實現巡查現場的定位與實時視頻監控，對現場故障定位、后方會商決策提供技術支撐，因此具有較大的推廣價值。隨著設備制造、加工工藝的不斷改進，本方案中的設備還可以進一步集成與小型化，也可以進一步選擇、優化同時實現視頻信息、通信信息的通信網絡，滿足其他一些特定行業的應用需求。

［1］ 百度百科.視頻監控［EB/OL］.［2012-02-01］.http:∥baike.baidu.com/view/1242856.htm.

［2］ 百度百科.移動視頻監控 ［EB/OL］.［2012-02-01］.http:∥baike.baidu.com/view/2076619.htm.

［3］ 北京節點通網絡技術有限公司.森林防火無線視頻監控系統 ［EB/OL］.［202-02-01］.http:∥www.nodes.com.cn/wlan/solu_2008_senlin.asp.

［4］ 周輝，葉樺，仰燕蘭.基于WebGIS與車載移動視頻的智能車輛監控系統［J］.東南大學學報:自然科學版，2010，40(S1):192-197.

［5］ 秦凱，許慧鵬.基于 GIS的遠程移動視頻監控系統［J］. 地理空間信息，2008，6(1):87-89.

［6］ 黃丙湖，韓李濤，孫根云，等.三維GIS與視頻監控系統的集成與應用研究［J］.測繪通報，2011(1):49-51.

［7］ 江鹢，賀弢，明庭輝，等.基于GPS、GIS和移動通訊技術的國土資源移動巡查系統總體設計［J］.測繪通報，2010(6):65-68.