生態環境教育遠程視頻觀測系統設計與研究

周湘龍，李雅箐

（廣西壯族自治區環境信息中心，廣西 南寧 530028）

0 引言

生態環境宣傳教育是推進生態文明建設的重要組成部分，也是推動生態文明建設的重要手段和途徑［1］。近年來，我國大力推進生態環境宣傳教育工作，通過自然體驗、咨詢展示、研究實踐等多種方式增強公眾生態環境保護意識。隨著信息技術的發展，傳統的展板、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。

隨著環境信息化及網絡技術的發展，大數據、“互聯網+”等信息技術已成為推進環境治理體系和治理能力現代化的重要手段，通過遠距離長光程遙控監控成為現實需要。近年來，數公里以上遠距離激光攝像機的應用，可以實現幾倍或幾十倍于傳統監控設備的觀察范圍和夜視能力，利用高臺觀測點的高度，配合攝像機云臺的性能，可以輕而易舉地實現對大面積區域進行非接觸、遠距離、大范圍、360度全方位的精確監控?；谶@一技術優勢，遠距離視頻監控技術已被應用于森林火情預警［2］、高速公路建設［3］、線性工程安全管理［4］等領域，在生態環境監管領域中很早就被應用于城市環境質量大區域監控［5］、污染源排污狀況監控［6］。青海建設了以視頻和遙感監測為核心的自然生態保護監測網，實現了全省五大生態功能區全覆蓋［7］，探索綜合實現人類活動和野生動物的監測監管。

1 生態環境教育遠程視頻觀測系統設計目的

1.1 全面提高數據應用價值

為有效存儲前端豐富的感知數據，提升管理業務的數據利用價值，采用云計算技術，實現全區重點保護區多方監測數據的集中存儲與共享業務，更好地支持大數據分析與挖掘等多樣化的業務實戰，提高生態環境大數據的應用價值。

1.2 提供精細化管理及服務

為滿足生態環境保護、野生動植物觀測、突發事件處置、服務民生等需求，以全區視頻聯網和應用服務為導向，以云計算、大數據、深度學習等技術為依托，打造重點生態保護功能區“可感知、可防控、可研判”的智慧大數據，輔助科學決策及生態研究，為生態環境保護的精細化管理及服務提供支撐。

1.3 增加生態環境宣傳的公眾體驗感

近年來，我國大力推進生態環境宣傳教育工作，通過自然體驗、咨詢展示、研究實踐等多種方式增強公眾生態環境保護意識。隨著信息技術的發展，傳統的展板、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。通過高清視頻物聯網技術，實現足不出戶即可觀看特定區域的自然景觀和野生動植物，將極大提高公眾現場體驗感。

2 生態環境教育遠程視頻觀測系統總體架構設計

2.1 項目背景

本項目在廣西區內選取南寧市青秀山、南寧市那考河濕地公園、崇左白頭葉猴保護區、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個重要生態環境觀測區域，分別代辦廣西區內城市綠肺、城市黑臭水體生態綜合整治工程、野生動物保護區、紅樹林保護區、跨省河流交界、重點治理河流和風景名勝區的典型代表區域。本次研究將結合上述8個重要生態環境觀測區域，基于GIS設計開發一套集成展示全區環境質量監測數據和各觀測點位實時監控視頻的廣西“金不換”生態環境數據融合及環境可視化監控系統。

2.2 總體架構設計

生態環境教育遠程視頻觀測系統總體架構設計如圖1所示。

圖1 生態環境教育遠程視頻觀測系統總體架構設計

3 生態環境教育遠程視頻觀測系統設計

3.1 觀測點位選取

為確保系統設計成效，觀測點選擇需注意以下情況：①視野開闊，前端無遮擋物，方便對生態環境觀測；②土層厚實，以便牢靠安裝監控塔；③抵達路徑通暢，方便施工及維護；④方圓2 km內有運營商基站，方便傳輸網絡建設；⑤滿足森林防火智能監控及無線網橋傳輸的要求；⑥場地平坦，附近無高大建筑物遮擋；⑦工程地質良好，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避免鐵塔建設及供電桿路設置占用農田、綠地；?避開軍事設施或敏感管控區。

在

項目需求調研過程中，以各區域自然景觀分布和動物活動區域為重點，經過現場實地勘察，確定了8個觀測點部署位置。

3.2 觀測點位現場端視頻觀測設施設計

3.2.1 監控塔設計要求

觀測點是否需要修建監控塔，可以根據選址點的實際情況確定，優先選取觀測點位置建有可利用的鐵塔?？紤]到生態環境遠程觀測系統需要對生態功能區進行長期觀測，鐵塔要求使用20年以上。根據本項目要求，監控塔設計要求如下。

（1）設計目標觀測距離要求大于5 km，為防止被觀測路徑上一些不可預測的類似樹木的遮擋物遮擋視線，本項目8個觀測點的監控塔設計高度均為25 m。

（2）考慮到抗風要求，監控塔四柱管式設計，主材為鋼管，輔材為角鋼，材質為Q235B，抗損能力達到風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云臺設備的固定孔。

（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安裝電源、信號、視頻三合一防雷模塊，做好防雷保護措施；在塔架頂部安裝專用避雷針，塔架基礎位置做聯合接地網；塔架地腳螺栓與接地網接地極連接，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和一套語音喇叭系統，當有人靠近塔架時，系統自動報警，管理中心值班人員可通過喊話的方式，讓入侵人員離開；防止設施設備被盜或者人為的破壞。

（8）設計采用風光互補發電系統的方式為前端設備提供后備電源，并配備室外型紅外線監測裝置、室外球形攝像機、聲光報警器及室外防水音柱等組成的監測報警系統。

3.2.2 攝像機設計要求

本項目選取的點位基本都在室外，部分點位甚至在人之罕至的野外地區，因此相關設備需適應日曬雨淋的室外環境，超遠距離的觀測要求，晝夜不停運行要求，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、自動后調焦、微調焦距、激光補光、光學透霧等功能，采用渦輪蝸桿傳動云臺，適應工作環境溫度為-35~70 ℃，IP66防護等級的攝像機。

3.3 視頻數據傳輸及管理系統設計

3.3.1 遠程傳輸網絡

前端攝像機傳輸1 080 P視頻圖像的碼流為4 Mb/s，存儲和實時觀測雙碼流的情況下，碼流為8 Mb/s。考慮到監測報警系統的室外球形攝像機在觸發報警時會回傳1路視頻碼流回指揮中心，碼流為2 Mb/s。因此，每個觀測點需布設1條10 M及以上專線到中心機房。具體網絡設計如圖2所示。

圖2 生態環境教育遠程視頻觀測系統網絡架構設計

3.3.2 觀測管控端平臺

本項目設計采用電子政務外網計算資源部署視頻監控數據管理平臺，觀測管控端可通過電子政務外網調度和展示現場端攝像機實時圖像，同時可控制現場端每臺攝像機。操作人員可以通過平臺可發出指令，對云臺的四向轉動及對鏡頭的調焦變倍均可進行操作，同時實現在多路攝像機之間的切換，可對圖像進行錄入、回放、處理等操作。平臺設計采用可擴展結構以便未來系統升級，設計能提供第三方接口軟件API、SDK或網關軟件，實現視頻流、設備狀態、控制的共享。

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

3.4 可視化設計

本項目設計基于“廣西天地圖”最新二維矢量地圖、影像地圖為基礎，通過GIS、RS和GPS技術的綜合應用，將二維GIS技術與各環境要素的實時在線監測數據相融合，實現環境業務數據的動態查詢和在線分析制圖，建立管理信息化、分析作業可視化的環境管理和決策GIS應用系統。

3.4.1 GIS功能設計

本項目可視化設計的地理信息應用服務應構建通用、統一的二維WebGIS平臺，并具備以下基本功能。

（1）實現包括地圖基本操作、地圖點位維護、空間查詢、空間統計、最佳路徑分析、緩沖區分析、插值分析等業務數據的空間查詢、統計、分析，查詢統計結果通過圖表、表格、動畫結合電子地圖進行直觀展示。

（2）管理現有的空間數據，不同的用戶可按其權限瀏覽查看或者下載共享的空間數據；提供空間數據瀏覽功能，用戶除可以瀏覽共享的地圖服務數據外，還可以瀏覽自有的數據，將自有的數據加載至已有地圖，實現地圖的疊加并能制圖打印。

（3）用戶能夠在地圖上進行地理要素的標注和保存，并能共享給指定用戶。

（4）可視化系統預留接口，以便于后期與數字廣西協同調度指揮中心對接、統一展示和指揮調度。

3.4.2 視頻觀測管理設計

集成觀測管控端平臺，實現基于“一張圖”的視頻觀測管理功能，其主要功能如下。

（1）視頻點位管理。通過二維地圖精準的地理環境信息，可對現有視頻點位的信息進行更快速、精準的查看和管理，有利于全域視頻信息的快速準確調用。

（2）視頻域維護。在二維GIS地圖中，利用視頻域分析功能，可對各視頻點的可視域范圍進行維護管理（包括視頻域的高度、寬度等），實現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的規劃，另一方面有利于視頻的快速調閱、查看。

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

3.4.3 環境質量可視化與分析設計

本項目從監視性監測和特定監測為主要出發點，通過與環保監測各業務系統的接口開發對接，在二維地圖實現包括各主要環境質量數據的管理、查詢統計分析，以及環境質量制圖分析。系統基于Web瀏覽器系統架構設計，免安裝，可直接運行。

針對全區所接入的環境質量監測數據，在“一張圖”上實現監測點信息的動態的監測，其具體功能如下。

（1）環境質量實施監測。可根據不同監測點的類別（如大氣監測、水環境監測等），在地圖上直接查看不同類別監測點的當前最新監測數據。

（2）監測數據圖表展示?？稍凇耙粡垐D”上對不同監測點當天或歷史的監測數據進行動態圖表展示，以便及時掌握監測數據的動態變化，在地圖上以曲線圖表的方式將監測歷史變化數據動態展示。

（3）監測信息查詢?？芍苯釉诙S地圖中通過多種方式進行監測點位信息查詢，其方式如下：可通過監測點位的名稱、所屬機構或監測點位的類型進行查詢；可通過圓選、矩形或多邊形選擇，在圖上畫出相應的范圍，查找區域內的監測點位；可查看某個監測點位的詳細信息，以及當前及歷史的監測數據。

3.5 系統接口設計

（1）與“廣西天地圖”對接設計。按照“廣西天地圖”開放接口對接要求進行開發實現，調用廣西全區最新二維矢量地圖、影像地圖，以此為底圖，并結合本項目的GIS可視化設計實現與環境管理各流程環節業務數據的融合展示。

（2）與環境在線平臺對接設計。根據地圖系統展示需求，通過HTTP接口或WebService接口方式對接廣西生態環境信息資源中心，獲取水質、城市空氣、近岸海域的實時監控數據，并通過可視化展示模塊實現環境質量監測的展示和環境質量專題分析展示。

3.6 信息安全系統設計

本項目系統安全等級保護定級為第二級，其部署的數據中心已通過第三級等級保護測評，運行網絡為電子政務外網，因此系統的安全防護主要通過信息安全防護系統建設，結合所在數據中心及電子政務外網平臺現有的安全防護系統，按二級等級保護要求，實現對本項目系統的安全防護。

4 結語

本文設計研究的生態環境教育遠程視頻觀測系統，通過遠程接口方式控制云臺角度姿態，視頻平臺多碼流的壓縮、緩存機制設計，使系統演示無須安裝客戶端，實現瀏覽器終端遠程控制?；贕IS技術，建成兼具大屏幕展示和公眾互動功能的生態環境教育遠程觀測系統。在“一張圖”上集成展示廣西生態環境監測數據和各觀測點位的實時監控視頻，實現環境管理信息的落地，提高了生態環境數據的應用價值，推動了環境信息資源的高效、精準應用，以更加精細的動態方式實現對環境的監管與保護，通過趣味互動的方式達到生態文明教育宣傳的目的。隨著視聯網、虛擬現實、增強現實、數字孿生等新技術的產生，“場景化學習”“場景化參觀”將成為下一階段生態文明宣傳教育平臺研發的主要方向。結合新技術將生態文明宣傳教育打破傳統的空間局限，通過增強人于場景之間人機交互的即時互動，提升參觀體驗，達到參觀者主動感知學習的宣傳教育方式。

在生態文明建設不斷推進、信息技術快速發展的大背景下，生態文明宣傳教育工作面臨著新時代的挑戰，應當結合最新信息化技術，在滿足環境監管需求的同時，創新生態文明宣傳教育方式，著力打造互動性強、內容新穎的綠色發展理念教育宣傳平臺，推動經濟發展與生態環境保護協同共進，建設美麗中國。