基于无线通信和视频监控技术的移动目标监控GIS系统设计

曹建成，贠建明，金 鼎

（国家测绘地理信息局陕西基础地理信息中心，陕西西安710054）

一、引 言

视频监控是安全防范系统的重要组成部分，它能将监控点采集的视频流实时地传输给监控中心，以便于监控中心进行远程监控，并对突发事件及时指挥处置。因此，其以直观、准确、及时和信息内容丰富的特点而被广泛应用于许多场合，特别是用于对重要区域或远程地点的监视和控制。近年来，随着计算机、网络，以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术有了长足的发展，其在电力系统、电信机房、工厂、城市交通、水利系统、小区治安等领域也得到了越来越广泛的应用［1］。

传统的视频监控技术是基于有线网络来实现的，其特点是速度快、带宽宽、无辐射，但这种技术也存在着明显的缺点:① 布点受限制，一般都要选择靠近有线接入点的地方，限制了布点的灵活性;②布点工程量大，需要提前铺设网线和光纤，由于基础网络的工程量往往会很大，因此一般有线监控比较适用于已存在基础网络的场合;③ 工程周期长，铺设基础网络耗时耗力;④欠缺灵活性，扩展和调整不方便，会增加工程量和不必要的基础网络建设;⑤ 缺乏移动性，这是有线网络的先天缺陷［2］。

在某些特殊行业和特殊工种，由于受环境和条件限制，无法布设有线网络，如在安全、保卫部门对违法犯罪嫌疑人进行现场跟踪、核污染环境的事态处置等情况下，往往需要跟踪人员、身着特种装备的技术人员或机器人等将现场视频传回指挥或监控中心，便于领导和专家根据现场情况及时作出决策，而这种状况在有线网络环境下是难以解决的。为了解决有线网络视频监控存在的问题，具备施工简便、成本低等优势的无线视频监控应运而生［3］，从而使视频监控彻底摆脱了因有线而带来的种种限制。伴随着我国3G网络覆盖的开始，以及COFDM、WiFi等技术的飞速发展和卫星的民用化，无线视频监控相关技术如终端技术、组网技术、传输技术等取得了持续进步，误码率、切换效率、时延、带宽稳定性等方面也得到了进一步优化，无线视频监控进入飞速发展的时代［2］。

传统的移动视频监控系统仅仅是将视频、音频等数据信息通过无线通信平台上传输到监控中心，无法对移动终端进行精确定位，实时跟踪更是无从谈起［4］。随着GIS的广泛应用，将视频监控系统与地理信息系统相结合，既可以发挥视频监控系统实时图像可视化的优势，又可以让管理人员全面了解视频监控对象的空间分布状况［5］。与传统的单纯获取监控目标的实时音、视频信息的视频监控系统相比，集成了空间位置信息的视频监控系统将在增强用户空间位置意识、辅助用户应急决策等方面发挥更大的作用［6］。

二、系统设计

1.总体思路

本系统设计目标是为了实现安保等部门对事件现场的隐秘跟踪和后方指挥，由侦察人员携带便携式视频监控设备和空间定位设备，通过无线通信网络将事件现场视频和空间位置实时传回后方指挥中心，便于指挥中心决策者及时了解现场实时情况并作出决策。因此，在现场需要两种设备:视频监控设备和空间定位设备。由于工作性质的特殊性，所需要的视频监控设备和空间定位设备必须做到最小，以便于携带和隐藏。

对于现场空间定位，现在主流的空间定位技术主要采用GPS定位技术，GPS定位信号的回传可以采用GPRS方式。由于GPS的大量民用化，GPS芯片已经可以设计得很小，而移动运营商的SIM卡也只有小硬币大小，因此可将这两种设备进行集成，组装成一个新的空间定位及信息回传的移动通信终端硬件设备，最小可以做到跟手表一样大小。通过这种设备可以定时将GPS信号通过GPRS传回后端指挥中心的定位服务器，并实现语音通话功能。

对于现场视频监控，也可以采用移动运营商的GPRS或3G技术实现。但由于视频信息数据量大，无论是GPRS还是3G都还存在延时问题，因此本系统采用最新的4G技术，将现场视频实时传回后端指挥中心视频监控服务器。

在后端指挥中心，通过唯一编码将同一移动目标所携带的移动通信终端和视频监控终端进行绑定，并在指挥大厅电子地图上实现移动目标的实时空间定位，同时将该移动目标的实时视频监控信息以流媒体形式进行播放，使后端指挥人员既了解移动目标的空间位置，又了解该位置处的现场视频。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构示意图

2.功能设计

本系统在功能上共设计7个模块，分别实现从基本GIS地图操作、最优路径分析到实时监控、语音调度等一系列功能，并能覆盖移动无线视频监控工作的各个方面，其系统功能设计如图2所示。

1)地图操作。实现矢量地图、影像地图、三维地图等地理底图的在线切换、政区导航、地址检索、快速定位等。

图2 系统功能设计框图

2)导航分析。对移动目标在执行任务过程中目标活动区域等进行导航定位分析(如到达分析、路径分析)等，用于指挥中心对警力等优化部署的辅助决策。

3)实时监控。实时将当前移动目标所在的地理位置显示在指挥中心GIS系统的地图上，并且可以根据人员编号、手机号码等快速定位其他移动目标。

4)轨迹录制。录制当天移动目标执行任务的行程，实现对移动目标活动位置的完整跟踪。该功能将记录移动目标行动过程中关键点的位置、现场资料(文字、图片、视频)等。

5)视频录制。录制当天移动目标执行任务过程中对各类现场状况的视频监控和录制。该功能将记录移动目标在现场看到和听到的所有信息，并实时地传回指挥中心GIS系统，使得决策人员在指挥中心实现身临其境的现场指挥。

6)轨迹回放。对移动目标历史行程进行回放，实现移动目标位置、现场视频和电子地图三者历史数据的在线联动回放，再现现场实况，可用于案情研判及案例综合分析等。

7)语音调度。支持后端指挥人员基于视频录制模块传回的视频影像及轨迹录制模块传回的轨迹信息通过无线通信系统进行远程指挥，对现场移动目标的活动给出指示，同时支持现场移动目标与指挥中心决策者的其他语音互动。

3.逻辑设计

（1）系统运行逻辑设计

系统启动初始化完成之后，首先载入在线移动目标列表，列表中的每个在线移动目标都预先分配好了GPS设备和视频装置，并在系统中作相应的配置。系统将根据移动目标的基本信息，分别获取移动目标身上的GPS信号和视频信号，并经过加密的便携4G通信终端传输到移动目标监控系统终端平台。终端平台分别处理每个移动目标自行发送的GPS信号和视频信号，同时为了更加直观形象地表现移动目标所处的地理位置，按照格拉布斯准则对GPS坐标进行粗差剔除、坐标转换后显示在地图上［7］，并将获取到的视频在电子地图上实时绘制，同时记录移动目标的历史轨迹、执行后台视频录制，对其实施可视化实时监控。系统一个运行周期可完成从系统初始化、启动监控、地图展现、视频播放到轨迹回放的一整套移动目标监控流程。整个监控系统运行逻辑流程如图3所示。

图3 系统运行逻辑流程图

（2）系统数据结构设计

由于系统设计目标是实现多目标视频监控，因此会存在多个移动目标的空间信息和视频信息实时回传、存储、回放等，特别是视频信息数据量巨大，如果不能合理地组织和管理空间信息和视频信息，会对系统性能、稳定性和实用性造成很大的影响。系统采用Oracle 11g作为存储和管理系统数据的后台数据库，组织并建立了人员信息表、GPS设备信息表、轨迹信息表、轨迹点记录表、GPS信息实时表、视频录制记录表及视频存放文件夹。通过Oracle强大的数据库管理功能，满足后台数据库负荷平衡及存储大量空间数据的需求。系统数据结构设计如图4所示。

图4 系统数据结构设计图

1)人员信息表。用于存储记录移动目标的基本信息，包括人员ID、姓名、性别、身份证、GPS设备ID、视频设备ID等。在人员信息表中同时也记录了附挂在移动目标身上的GPS设备和视频设备ID信息。

2)GPS设备信息表。记录了GPS设备的基本信息，包括GPS设备唯一码、型号、厂家、采购时间等，并与人员信息进行了关联。

3)视频设备信息表。记录了视频设备的基本信息，包括视频设备码、视频IP、设备名称、型号、厂家、采购时间等，并与人员信息进行了关联。

4)轨迹信息表。存储移动目标录制轨迹的基本信息，包括人员ID、轨迹ID、轨迹名称、起始时间、终止时间、备注等。

5)轨迹点记录表。记录了移动目标的历史轨迹信息，可用于移动目标轨迹回放。

6)GPS信息实时表。系统实时从GPS设备中获取到GPS实时定位记录，为了更有效地记录来自不同GPS设备的GPS信息，将系统获取的GPS信息存储在GPS实时表中，系统始终更新实时表中相对应的GPS设备信息的记录，以保证GPS信息的时效性。

7)视频录制记录表。记录了已录制视频的基本信息，如视频名称、录制起止时间、视频存放路径等。

8)视频存放文件夹。该文件夹用于存储已录制的视频文件，在视频录制记录表中记录了该视频文件的存放路径。

三、系统实现

整个系统采用B/S架构，符合基于SOA的多层体系架构的思想。监控系统后台基于ArcGIS Server 9.3.1及Oracle 11g设计开发，以完成整个系统的运行维护工作，并实现对移动通信设备、移动视频设备与单兵侦察人员信息的预置和配置修改，主要供系统管理人员使用。监控系统前台基于Mircosoft Visual Studio 2010+Silverlight4+ArcGIS API For Silverlight的开发环境开发实现，地图资源采用“天地图”在线地图服务，并借助Silverlight强大的富客户端表现能力及ArcGIS API For Silverlight的地图表现能力，在浏览器端实现了地图操作、轨迹绘制、视频播放、导航分析等核心功能，具备较好的使用体验，主要供指挥中心决策人员使用。监控系统移动端通过硬件集成实现了隐蔽摄像头、GPS定位设备、4G通信终端的一体化，并集成便携电源以保证长时间待机工作，主要供单兵侦查人员外出携带。系统运行界面如图5所示。

图5 系统运行界面

四、结束语

基于本文所提出的方案，采用小型化、便携式的视频设备、GPS设备，并结合最新的无线通信技术，实现了前线远程视频监控与后端信号空间定位、实时视频展示的结合，较好地为刑侦、安保等特殊工作所需要的现场监控与后端指挥提供了解决办法。在一些分布范围广、需要进行不定期进行移动巡查的行业和企业，如石油管道的巡检、森林防火巡查、电力线路巡查等，也可采用本方案实现巡查现场的定位与实时视频监控，对现场故障定位、后方会商决策提供技术支撑，因此具有较大的推广价值。随着设备制造、加工工艺的不断改进，本方案中的设备还可以进一步集成与小型化，也可以进一步选择、优化同时实现视频信息、通信信息的通信网络，满足其他一些特定行业的应用需求。

［1］ 百度百科.视频监控［EB/OL］.［2012-02-01］.http:∥baike.baidu.com/view/1242856.htm.

［2］ 百度百科.移动视频监控 ［EB/OL］.［2012-02-01］.http:∥baike.baidu.com/view/2076619.htm.

［3］ 北京节点通网络技术有限公司.森林防火无线视频监控系统 ［EB/OL］.［202-02-01］.http:∥www.nodes.com.cn/wlan/solu_2008_senlin.asp.

［4］ 周辉，叶桦，仰燕兰.基于WebGIS与车载移动视频的智能车辆监控系统［J］.东南大学学报:自然科学版，2010，40(S1):192-197.

［5］ 秦凯，许慧鹏.基于 GIS的远程移动视频监控系统［J］. 地理空间信息，2008，6(1):87-89.

［6］ 黄丙湖，韩李涛，孙根云，等.三维GIS与视频监控系统的集成与应用研究［J］.测绘通报，2011(1):49-51.

［7］ 江鹢，贺弢，明庭辉，等.基于GPS、GIS和移动通讯技术的国土资源移动巡查系统总体设计［J］.测绘通报，2010(6):65-68.