基于鐵塔視頻的自然資源智能監管系統設計與實現

◎ 左天惠，袁 菱，周映彤

1.廣西自然資源調查監測院，廣西 南寧 530219

2.自然資源部北部灣經濟區自然資源監測評價工程技術創新中心，廣西 南寧 530219

為加快構建自然資源統一調查監測體系，廣西重點打造“天—空—地—人—網”自然資源立體監測網，為全區自然資源管理監測監管提供全覆蓋、高頻次、多渠道、立體式的多源數據保障[1]。鐵塔視頻數據作為實時感知網中地聯網的重要組成部分，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絡之間的尺度空缺，因此，如何利用鐵塔視頻數據實現無人值守全天候自然資源監測監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測監管工作，并開發了智能監管系統。其中，江蘇省“慧眼守土”系統、浙江省嘉興市“國土天眼”系統、山東省聊城市高空瞭望“電子眼”系統等取得了不錯的應用效果[3]。智能監管系統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、江蘇省等地的系統初步實現了自然資源監測智能化，支持視頻數據與業務數據融合，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各省、市鐵塔視頻應用經驗，圍繞廣西自然資源監測監管問題圖斑發現與識別智能化、疑問圖斑遠程舉證等需求，以自然資源“一張圖”為數據底版，對視頻數據與業務數據、綜合監測監管成果數據融合進行初探。

1 系統設計與實現

1.1 系統總體架構

研究小組基于綜合監測監管已有業務流程及框架，利用已建綜合監測監管平臺的成果及已有基礎設施資源、數據資源，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測監管“天—空—地—人—網”一體化監測網絡中[4]，建設全覆蓋、多場景、智能化的監管系統，實現自然資源要素全生命周期監測監管。系統架構主要包括支撐層、數據層、服務層、應用層、用戶層、標準與規范體系和信息安全保障體系等7 大版塊（見圖1）。

圖1 系統總體框架圖

支撐層主要包括鐵塔視頻硬件環境支撐和平臺支撐。基于大數據GIS 引擎及視頻GIS 引擎，支撐層為智能監管系統提供高性能的加速引擎，硬件環境則按照云服務模式和云架構，形成按需動態擴展的計算資源、存儲資源和網絡通信資源，結合視頻監測需求，可動態調整、擴展視頻分析設備和視頻存儲資源等硬件資源。

數據層根據自然資源監管業務需求，整合了現有的自然資源年度變更數據、規劃數據、行政管理數據和社會經濟數據。數據層利用坐標轉換技術，將自然資源地理信息數據與視頻監控數據套合，為監管系統提供數據支撐。

服務層包括數據服務、功能服務、接口服務和成果服務等，是系統的核心層。重點是實現并提供視頻監測數據動態采集服務，基于視頻監測數據，利用人工智能技術等擴展視頻智能分析服務，提高自然資源監管智能化、信息化和自動化。

應用層以數據層和服務層為基礎，按照自然資源監測監管業務需求建設智能監管系統，將區域內全部鐵塔視頻數據、數據層數據和服務層數據集成并展示在系統中，實現自然資源違法事件自動識別、判定及預警信息推送，視圖聯動舉證等，減少人為觀察和數據備份等工作，提高工作效率，全面提升自然資源監測監管能力。

1.2 系統業務流程

研究小組按照變化發現、研判分析、視頻調度、核查舉證4 個方面來構建系統業務流程。

首先，基于視頻監控自動識別并推送預警信息，根據業務適配規則，將內容與土地利用、行政管理等自然資源管理數據進行疊加分析，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測監管平臺；再次，利用“以圖找攝像頭”功能，對航天航空遙感影像數據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。系統業務流程如圖2 所示。

圖2 系統業務流程圖

1.3 智能研判業務規則設計

靈活制訂鐵塔視頻智能識別預警成果研判規則，是提高鐵塔視頻監測監管自動化、智能化的基礎。研究小組根據綜合監測監管作業經驗，對不同的監測監管對象，制訂相應的研判業務適配規則，具體規則如表1 所示。

表1 鐵塔視頻的自然資源綜合監測監管業務適配規則表

1.4 系統功能實現

系統采用B/S 架構，基于HTML5+JavaScript開發，主要圍繞監測預警與遠程舉證業務進行功能設計開發，實現視頻監測分析預警、監控綜合展示及運維等3 大模塊。系統功能模塊如圖3 所示，鐵塔視頻智能監管系統如圖4 所示。

圖3 系統功能架構圖

圖4 系統網頁版主界面圖

1.4.1 監控中心

監控中心模塊主要包括監測預警、圖斑研判、遠程控制、拍照及視頻錄制等功能。該模塊是系統核心業務模塊，利用雙坐標轉換、電子圍欄和視頻行為智能監測與識別等技術，實現了視頻監測分析預警、智能研判等業務需求，形成“視頻主動監測—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，同時利用物聯網技術實現攝像頭遠程控制，快速調整外業舉證的拍攝角度，完成對疑問圖斑的遠程舉證拍照及視頻拍攝，實現足不出戶即可完成外業舉證。

1.4.2 展示中心

展示中心模塊主要包括統計查詢、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管重點事項，利用可視化數據大屏集中展示鐵塔視頻接入情況及其狀態、視頻監測問題清單、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管系統運行情況及成效。

1.4.3 運維中心

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

1.4.4 應用實例

2022 年6 月系統試運行期間，研究小組利用南寧市邕寧區、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、全要素監測。研究小組對系統自動產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識別并發現問題圖斑28 個，其中合理變化圖斑15 個，疑似違法圖斑9 個。疊加自然資源業務管理數據分析后，確定并形成問題清單并下派圖斑5 個。同時，遠程核實衛星影像發現的“非糧化”“非農化”疑問圖斑，完成遠程舉證圖斑2 個，實現了足不出戶即可完成外業舉證（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

視頻圖像數據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測落地的核心技術，可為視頻圖像數據賦予地理空間屬性，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]，解決監測定位、定界等問題。

其算法主要采用視頻監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進行校正，實時解算鐵塔攝像頭姿態變化情況下的坐標，實現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，將土地利用數據、基本農田保護紅線和生態保護紅線等矢量數據二維地理坐標映射到視頻監控中，實現兩者坐標的相互統一。鐵塔在日常監測過程中，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測分析，準確判定視頻監控發現的事件坐標，并根據預制的業務適配規則自動進行研判，從而確定違法性質（見圖7）。

圖7 電子圍欄圖

2.3 視頻行為智能監測與識別技術

視頻行為智能監測與識別技術能夠對視頻中出現的異常行為進行監測并自動識別。研究小組利用動態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]，提前發現腳手架、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測監管信息化建設現狀及全區鐵塔視頻建設情況基礎上，根據自然資源綜合監測監管業務需求，研究并設計了鐵塔視頻智能監管系統總體架構、業務流程和業務智能研判規則等，同時開展了鐵塔視頻智能監測關鍵技術及功能實現研究。實例證明，該系統能夠為自然資源監測監管提供全天候不間斷監測服務，從而有效降低自然資源執法成本。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。