水资源智能视频监控系统设计

江玉才 ，余 阳 ，瞿杨继 ，陶青川 ，鲍 江

(1. 重庆市水利信息中心，重庆 404100；2. 四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064 ）

0 引言

随着经济社会的不断进步、信息技术的迅猛发展和水利事业的全面推进，水利信息化逐步深入，目前已成为水利现代化的技术支撑和重要推动力量。水利图像视频监控[1]作为水利信息化的重要内容，在水利水资源管理方面发挥着重要作用。目前水利图像视频监控系统多采用数字视频处理编码技术，对水雨情、工灾情等现场进行图像视频采集录像与传输存储，这类系统存在一个主要问题：“重硬件采集”、“轻数据处理”，无法发挥图像视频信息的内在价值[2-3]。监控系统的分析判断主要依靠人工完成，存在漏报误报率较高、反应不及时、智能化程度不高等问题，导致图像视频信息无法真正发挥使用价值。同时，水利图像视频监控存在较多的野外水资源管理对象，传统的图像视频监控系统的通信存在较大的限制。鉴于此，提出一种水资源智能视频监控系统，采用 3G 网络[4]改善野外视频监控的通信，利用图像处理、人工智能等技术建立图像视频特征与水文水资源实时数据及水利工程运行状况的关系与数学模型，通过智能计算较准确得到水雨情实时数据，同时对水利工程运行的异常情况进行自动分析判断与报警。

1 智能视频监控系统结构与设计

监控系统由前端和中心监控 2 部分构成，前端部分安装在需要监控的水资源管理对象现场（取水口、水源地、水功能区、排污口等），中心部分安装在水资源管理部门的机房，两者通过 3G 无线网络进行通信连接，结构如图 1 所示。

图1 系统结构图

1.1 智能视频监控系统结构

1.1.1 前端部分

系统前端部分由供电、无线通信、视频采集及智能视频处理等模块组成，同时，配置一些必要的防雷、防雨雪等辅助设备。其中，供电模块根据水资源监控点处的实际情况分成 2 类，一类直接采用市电作为供电来源，另一类则采用太阳能作为供电来源；无线通信模块要求能够支持 CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA 几种网络通信方式；视频采集模块采用带云台的网络数字摄像机，输出数字视频图像并通过网络传输；智能视频处理模块采用嵌入式工业控制计算机作为分析设备，并配以智能分析软件，该模块是视频监控的重点，实现对水资源关键信息的自动智能分析，并完成与中心段的信息交互。

1.1.2 中心部分

系统中心部分由部署在水资源管理部门机房的服务器及安装在其上的分析软件组成，主要完成对多个前端部分的管理，接收前端信息，查看、存储视频图像并实现对视频图像的处理。

1.2 智能视频监控系统设计

1.2.1 前端部分设计

1）供电模块。设计供电模块时，考虑到系统的经济性，一般直接采用市电作为供电来源。如果部分野外水资源点比较偏僻，没有相应的电力基础设施，系统采用太阳能供电；当水资源点附近有市电基础设施时，则采用市电作为用电来源。

针对采用市电作为用电来源的前端部分，电源供电方式应采用 TN-S 制式。当电压波动超出 3%～5% 的范围时，采用稳压电源装置，稳压装置的标称功率不得小于系统使用功率的 1.5 倍。

对于采用太阳能供电模块[5]的部分，太阳能供电模块由蓄电池组、控制器组及太阳能光伏板等器件组成。需根据实际工作时的用电功率、时间需求，以及水资源点处的日照时间、阴雨天数等情况，合理设计太阳能供电模块。由于野外环境的影响，蓄电池组需要具有安全可靠、比能量高、内阻小、自放电率低、充电接受能力强、循环寿命长、密封反应效率高等特点，蓄电池容量需要考虑阴雨天情况下的供电需求。太阳能光伏板由多块单晶硅太阳电池串联构成，采集功率需要满足前端所有用电模块的功率需求，以及用电和日照时间的影响。

2）无线通信模块。系统采用 3G 网络完成前端和中心部分之间的通信。第 3 代移动通信系统是一种能够提供多种类型、高质量多媒体业务的系统，能够实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百 kbit/s 以上，在准静止条件下能达到 2 Mbit/s 的速率[6]。国内主要有 CDMA2000，WCDMA，TDSCDMA 3 种标准，对应的覆盖范围和信号强度也各有不同，因此，无线通信模块在设计上需要能够支持这几种通信方式。

根据实际监控需要，无线通信模块主要性能要求如下：a）内置 TCP/IP 协议栈，针对 3G 网络优化；b）提供 3G 无线数据双向传输功能，透明数据传输，为用户的数据设备提供双向大容量数据传输；c）自动拨号连接，上电自动拨号上网，连接网络，实时监测网络连接情况，具有掉线自动重拨功能；d）支持中心为固定或动态 IP；e）EMC 抗干扰设计，适合电磁恶劣环境应用，支持 VPN 连接，保证安全的图像视频传输。

3）视频采集模块。视频采集模块包括高清数字彩色监控摄像机和云台，彩色监控摄像机的主要功能是将现场监控视频图像输出；云台则通过带动彩色监控摄像机水平与俯仰的转动，实现更大范围的监控，以及对目标的实时跟踪。

根据水利行业管理要求，摄像机应具有高倍变焦功能，清晰度要达到 130 万像素以上，能够将现场几十至 300 多 m 范围的图像清晰地采集和传输，同时具有红外成像功能。支持全天侯（24 h）监控，夜间自动彩转黑，并自动开启红外灯照射；云台由精密步进电机驱动，运行平稳，反应灵敏；360° 旋转角度，水平旋转速度达到 12°/s；具有断电记忆恢复功能；具有至少 64 个预置位任意存贮；支持 2 点之间左右扫描；支持 360° 扫描；支持看守位功能。

4）智能视频处理模块。完成对采集的视频图像的智能分析，并完成与中心监控端的交互。野外环境条件比较恶劣，系统应具有高稳定性、可靠性和安全性，系统采用嵌入式工业控制计算机作为分析设备，并配以智能分析软件。

系统采用的嵌入式工控机的处理器、内存、磁盘等技术指标应符合以下要求：处理器为双核结构，主频 ≥1.6 GHz，内存 ≥ 2 GB，磁盘空间≥300 GB；具备看门狗；至少 2 个 RJ45 网络接口；至少 2 个 USB 接口；至少 2 个串口；应用环境温度设计为 -10～60℃；能抗冲击和震动；电源采用DC 220V；在出现断电、死机、电源波动等情况时，具有自动恢复功能；整机质量＜4.5 kg；可靠性指标满足 MTBF≥30000 h。

智能分析软件对视频采集模块采集到的视频图像进行分析，主要完成以下功能：

a）图像增强功能。对低质量图像进行增强处理，改善图像视觉效果。

b）智能监控分析功能。包括穿越警戒线检测、进入离开入侵区域检测、重要水利设施搬移、视频异常检测等功能。

c）水利视频专业分析功能。包括水位监测、水面漂浮物观测、流速监测、含沙量与水色和天气分析等功能。

d）视频录像存储与告警功能。可对实时视频信息进行自动连续录像存储，或根据设定的事件、时间、地点等条件进行存储。支持对视频信号异常（如移动侦测、遮挡、强光照射、模糊等）和智能视频分析等告警信息的处理，同时在系统中存储告警信息，并向中心转发。支持告警信息自动触发对视频信息的记录。

e）与中心平台通信功能。支持控制信息、分析结果与告警信息的实时传输，支持视频录像的远程回放，支持远程系统参数设置。

1.2.2 中心部分设计

中心部分由智能视频图像分析平台软件与运行环境 2 部分组成，实现设备、用户、视频信息的管理功能。软件主要由以下 3 部分构成：

1）管理服务模块。实现对系统前端部分的设备信息、工作状况集中管理，能够设置前端设备的相关参数，完成前端分析、告警及截图录像等信息的记录和查询，通过数据库完成对设备档案、账户权限及运行参数的管理。

2）视频播放模块。能够根据管理服务模块的信息连接前端设备，获取前端视频采集模块的流媒体数据并进行实时播放，支持单画面（包括全屏）和多画面模式的切换浏览，能够远程对前端摄像机云台进行控制。能够实现对前端部分传回的视频图像的播放。

3）视频图像处理模块。针对视频播放模块中获取的视频图像，进行实时的图像增强；对雾天、低照度、夜晚等图像的效果进行改善；能够手动完成远程图像抓取、视频录取；根据设定的条件对前端实时视频信息进行自动连续存储。

2 智能视频监控系统原理

2.1 监控系统工作原理

监控系统的工作原理如图 2 所示，在前端监控部分，供电模块为其它几个模块供电，视频采集模块通过网络数字摄像机捕获监视点处的视频图像，并将数字视频图像传输给智能视频处理模块，智能视频处理模块对传输进来的视频图像进行存储并进行相关图像处理，获取监视水资源点的水位、水色、天气、水流速度等相关信息，对水利设备损坏、移动、区域非法进入等进行实时监控，对违规情况进行告警、自动截图和录像，通过无线通信模块，将智能视频处理模块的水位等分析数据、告警信息及截图和录像传输回中心监控部分，中心监控部分在接收到前端传回的数据后，通过管理服务模块进行管理。由于视频数据量较大，2 个监控部分只进行相关数据的交互，但在前端出现告警信息，水位和水色出现异常，以及处于特殊管理时期时，中心部分的视频播放模块可以通过无线通信模块与前端的视频采集模块进行远程连接，前端的视频采集模块将数字视频图像传回中心显示，并根据需要对视频图像进行存储，通过中心的视频图像处理模块对传回的视频图像进行相关图像处理。

图2 监控系统工作原理图

2.2 前端智能视频处理模块原理

智能视频处理模块是智能视频监控系统的核心，完成对视频图像的智能分析，并将结果传回中心监控端，既能实现长时间实时监控的目的，又能避免长时间传视频带来的高额通信费用，工作流程如图 3 所示。

对于获取的视频图像，首先根据条件判断是否需要对视频图像进行增强，可采用直方图均衡、Retinex 算法[7]、ACE 算法[8]等非物理模型方法对视频图像进行增强；然后，智能视频处理模块根据设定的场景规则对图像进行处理。根据图像中水体和岸上区域纹理的差异，分析出水岸分界线[9]，采用虚拟水尺的方式，将图像水位转换为实际的海拔高度[10]；对水体区域采用聚类、训练的方式，自动判断水体颜色[11]；采用对多帧图像清晰度、纹理等特征的分析，判断监控点处的天气情况；采用大尺度粒子图像测速的原理[12]，结合摄像机标定的方式测出水流速度。并通过水位、水色等信息和相应的水文水资源数据（含沙量、水质、流量等）的关系与数学模型，分析水文相关参数。此外，处理模块还采用高斯[13]、码书等背景模型结合其他图像处理的方式检测出视频图像中的运动目标，对运动目标进行特征提取并分类，采用模版匹配等跟踪算法实现对感兴趣的目标的跟踪，对设定的图像告警规则与目标的轨迹进行判定，完成告警判断并根据设定条件实现录像、截图。对于智能视频处理模块分析获得的实时数据，系统通过无线网络向中心传输，用于水资源管理决策。

图3 智能视频处理模块工作流程图

3 智能视频监控系统应用

水资源智能视频监控系统在重庆水资源管理系统中进行了实际应用。根据重庆水资源管理设计要求和水文水资源站点的实际情况，选择了武隆县山虎关水库、北碚区北碚水文站、酉阳龙潭供水站、武隆县武隆水文站、綦江区綦江水文站 5 个监控点进行试点。监控系统按照设计内容实施安装，完成后进行实际的运行。图 4 中 4 幅图像展示了前端监控部分系统部分监控功能的检测效果图，图 5 展示了中心监控部分软件运行效果图，系统检测精度较高，运行效果较好。

实际运行时，系统能够实现全天候的长时间运行，水位检测准确率达到 90% 以上，水色、天气检测达到 85% 以上，行为分析、异常检测等系统功能精度较高。实际运行表明，本系统能够较好地完成对水资源点的智能监控，供电和通信也能够达到设计要求。系统监控信息丰富，分析结果较为准确，对水资源的管理能够起到较大的促进作用，对水资源管理科学决策具有极大的参考价值。

4 结语

通过实际运行，水资源智能视频监控系统对传统水资源管理难以做到的长时间地、稳定地实时监控具有极大的改善作用，系统运行稳定，检测数据较为准确，能够为水资源管理、防汛抗旱等水利业务提供较大的技术支撑。

图4 前端监控部分检测效果图

图5 中心监控部分软件运行效果图

系统采用太阳能供电模块时，部分点会受到天气的影响。实际运行时，部分点处的 3G 网络有一些波动，会对数据的传输造成干扰，造成处理上的延迟，在这些方面还有待进一步的改进。

[1]张玉燕，黄晞淳，武佳枚.浅谈视频监控系统在水利行业中的应用趋势[J]. 山东水利，2009 (8): 26-27.

[2]李柯，陶青川，黄银君，等. 野外水利视频监控与分析系统设计[J]. 水电能源科学，2012, 30 (3): 151-154.

[3]赵峥，韩汝春. 水利工程视频监控系统建设与技术支撑[J]. 水利信息化，2012 (5): 53-57.

[4]周堃，彭迪，刘曙光，等. 3G 无线流媒体技术在水利监控的应用[J]. 水利信息化，2011 (5): 70-72.

[5]杨赓，严冬，冯俊华. 太阳能在公路交通领域中的应用[J].科技情报开发与经济，2010 (20): 168-170.

[6]刘翔，吕兰，罗菊. 3G 技术在视频监控中的应用研究[J].电视技术，2010 (10): 103-104.

[7]储昭辉，汪荣贵，杨万挺，等. Retinex 算法及其在雾天图像增强中的应用研究[J]. 微计算机信息，2011, 27 (6):229-231.

[8]严世珺，胡剑凌. 基于 ACE 改进的白平衡算法[J]. 电视技术，2008, 32 (1): 31-32.

[9]任明武，杨万扣，王欢，等. 一种基于图像的水位自动测量新方法[J]. 计算机工程与应用，2007, 43 (22): 204-206.

[10]刘治锋. 基于图像的水位自动检测研究[D]. 南京：南京理工大学，2004: 35-42.

[11]闫志杰，汪剑鸣，窦汝振，等. 基于颜色聚类和直线检测的自适应盲道区域分割算法[J].天津工业大学学报，2010, 29 (1): 80-84.

[12]张振，严锡君，樊棠怀，等. 近红外成像的便携式大尺度粒子图像测速仪[J]. 仪器仪表学报，2012, 33 (12):2840-2850.

[13]李娟，邵春福，杨励雅. 基于混合高斯模型的行人检测方法[J]. 吉林大学学报：工学版，2011, 41 (1): 41-45.