基于GIS高点视频定位的研究及应用

陈春霜 福建省邮电规划设计院有限公司 福州市 350003

0 引言

地理信息系统（Geographic Information System简称GIS）是随着地理科学、空间科学、计算机技术、遥感技术和信息科学发展起来的一门技术，是一个能够对空间相关数据进行采集、管理、分析和可视化输出的计算机信息系统［1］。将视频监控系统与地理信息系统结合，既可以发挥视频监控系统实时图像可视化的优势，又可以充分发挥GIS管理空间数据的特点，让使用人员能够全面地、实时地了解监控矿山等对象的空间分布状况及变化情况，并结合视频图像数据与空间数据进行融合分析，为使用人员决策或踏勘提供实时可靠的证据链［2］。

本文利用铁塔公司的高点铁塔现有资源（包含高塔、机房、电力系统、传输系统等基础设施）最大化降低建设成本实现快速部署前端摄像头，并针对高点视频中矿山场景需要监控的对象进行定位研究，能实现GIS空间数据管理和视频监控图像管理有效融合应用，解决业内人士卫片图斑核查时效差、现场勘探定位困难等问题。

1 高点视频GIS监测技术

高点视频监测技术的基本思路是：在具有分布范围广、海拔高等特点的铁塔上搭载摄像头，以对铁塔周边3公里范围内的矿山开采行为进行7×24小时实时监控，及时发现矿山开采违法行为、及时制止矿山开采违法行为，最终达到“早发现、早制止、严查处”的目的。高点视频监测技术的实现主要包括两条路线：一是通过先进技术选择合适的铁塔站点搭载摄像头，摄像头安装、调试、上线后，对观察到的矿山视频进行分析并获取相对应的视频信息；二是对选择好的铁塔站点进行缓冲区分析确定研究区域，同时利用ArcGIS软件针对缓冲区制作可视域范围和解决该区域参照物精准定位问题，接着采用遥感监测手段对研究区进行矿山遥感信息提取，以获取研究区范围内的矿山基本信息。最后，将两种途径获取的视频信息与矿山基本信息进行一一匹配融合，最终实现对铁塔周边范围内的矿山进行实时监控。

如图1所示，高点视频监测技术的主要步骤包括：铁塔站点选址、摄像头搭载及视频分析、遥感监测手段摸底调查以及视频与遥感监测信息的融合等。

图1 视频GIS基本路线图

遥感监测信息精度要求一般较高，故采用单点精确定位方法［3］。以高塔搭载的摄像机为原点，结合矿山区域的矢量图斑和地形地貌卫星影像高程图，首先通过GIS三维可视域模块进行可视域分析，在摄像机所指矿山方向上标记出明显的参照物，其次对已知摄像头的挂载高度、经纬度、俯仰角和水平角度计算出该矿区某一特殊参照物的精确位置信息，得到所测某一特殊参照物与高塔之间的距离后将其按地图比例转换算成距离L，如图2所示。

孔云峰教授提出的公路地理数据与视频数据集成的技术方案对本文具有借鉴价值。他指出，建立空间位置（XY）与视频帧（T）之间的逻辑关系，实现方式是将空间位置、方位、速度等信息进行音频调制，并存储在视频数据的一个声道中；播放视频影像时，再将空间数据音频解调。另一种实现方式是为视频影像建立专门的元数据，描述特定视频帧与地理位置的对照关系，考虑到视频影像采集是一个连续过程，可以使用插值方式获得所有视频帧的空间位置［4］。在本文应用中，将矿山场景中的移动工程车辆或人员的地理位置（X，Y）与视频帧（T或F）之间建立对应关系，通过移动工程车辆和人员的地理坐标来调用其相应的视频文件，同时视频文件建立影元数据，通过内插计算所有视频帧的地理位置。

图2 高塔摄像头与参照物GIS定位分析图例

2 摄像头挂载及视频GIS分析

2.1 铁塔站点选址

铁塔公司在云南拥有10万多座铁塔，由于受经济条件、地理条件等因素的影响，并不是每个铁塔都可以实现搭载摄像头监测矿山的目的。因此，首先要通过对矿山及站点数据进行空间分析（如缓冲区分析，叠加分析等，初步筛选出铁塔站点；其次，对站点一定范围内（3km）进行通视分析，再次筛选出通视效果较好的站点；最后，对再次筛选的站点进行实地模拟勘察，根据外业核查效果，最终确定铁塔站点。

2.2 摄像头搭载及视频分析

由于云南省以山地高原地形为主，且地势起伏较大，因此安装的摄像头容易受到地形、周边环境等影响。为了达到合适的监控矿山效果与尽可能广泛利用社会高空视频挂载资源的目的，这就要求安装环境尽可能保证监控视野广、无障碍、监控角度大等条件。因此，通过将铁塔提升到一定的高度，如20米至40米，来满足监控的要求。摄像头安装调试成功后，需要对获取的视频图像及各种信号等进行分析。摄像头可实现方位角3600，俯仰角-150到900全方位、7×24小时实时监控。

视频分析主要是通过对视频图像内容进行分析。首先，手动控制摄像头进行3600旋转，大致观察周边环境找出典型参照物（图3）（例如坑塘、蓝顶板房、操场等），并利用前面分析对这些参照物进行精准定位；其次，大致确定视野范围内可以观察到的矿山；最后，进一步确认视野范围内矿山的位置、范围，并获取相对应的视频信息。

图3 典型参考物图

2.3 遥感监测手段摸底调查

把最终选定的铁塔站点3km缓冲区作为研究区，采用矿山遥感监测手段对研究区范围内的矿山开发活动进行摸底调查，并获取相应的矿山基本信息。

需要基础数据类型：以3km缓冲区作为研究区，叠加历年自然资源部下发图斑（新到旧）、历年矿权（新到旧）、对应区域的影像，进行矿山开发状况的调查（包括开采面图斑范围的勾绘与属性的赋值）。

调查内容主要包括：矿山名称、矿种类型、历年下发图斑信息、最新期次的矿权资料、对应的站点名称；判断矿山有无有效采矿权；判断是否存在疑似违法行为等。如图4所示。

图4 图斑范围勾绘示意图

2.4 视频与遥感监测信息的融合

视频分析获取的视频信息与遥感监测手段获取的矿山基本信息分别属于两个不同领域，很难准确判断“谁对谁错”。因此，为了达到准确、实时监控矿山的目的，需要通过融合手段，将视频看到的矿山与室内遥感手段监测的矿山进行一一对应、匹配，最终实现给视频观察到的矿山赋予矿山名称、矿种类型、历年下发图斑信息以及最新期次的矿权资料等基本信息的目的（图5）。

融合的主要方法为：首先，通过视频找典型参照物（坑塘、交叉路口等），然后再在遥感影像中寻找参考物对应的解译标志进行定位；其次，通过在遥感影像中判断参考物与解译开采面的相对位置，从而在视频里找到所对应的矿山；最后，对于监控视频可以有效观察到的开采面，进行一对一监测点编号，并对于移动工程车辆进行跟踪处理。

图5 视频信息与矿山基本信息一一对应示意图

融合的关键问题在于：如何进一步确定高点视频观察到的矿山部分与遥感影像的那一部分一一对应，这就涉及到如何实现对监测区块（电子围栏）进行准确划分。针对常见的矿产资源违法类型，目前主要采用以下几种方法进行监测区块（电子围栏）的划分：①疑似无证矿山，对整个开采面进行划定监测区块即可（图6）；只要在区块范围内出现挖掘机、运输车、矿山人员等就进行报警，同时由野外调查人员进行核实。②疑似越界矿山，首先需要借助遥感影像、矿权等一系列资料，获取开采面遥感影像的界内部分，开采面的其余部分即为越界部分；接着，需要确认视频图像那一部分对应越界部分，并把这一部分设置为监测区块（图7）。对于越界部分监测区块范围内出现挖掘机、运输车、矿山人员等就进行报警，同时由调查人员进行核实。③对于视频监控不到有效开采面的部分，可以通过以下间接标志进行监测（例如：在视频监控范围内确认矿山道路是否只有一条；是否可以有效观察到作业灰尘等迹象）。

图6 无证矿山电子围栏圈定示意图（框内为预警区域）

图7 有证矿山电子围栏圈定示意图（框内为预警区域）

3 高点监控建设难点以及解决方案

高点监控建设的重点和难点是前端高点监控关键点的监控杆塔、电力、网络传输通道等基础配套设施的建设。同时矿山附近站点如何保障后续设备维护、电力保障以及基础配套设施维护也是难点问题。

4 结束语

通过借助铁塔公司高点位铁塔的基站资源，最大化减低建设成本和建设难度，同时视频与遥感监测信息的高度融合得到广泛应用，减少现场作业人员实地踏勘的难度和卫片图斑核查时效差等问题，并基于GIS高点视频进行研究与应用，以弥补各自的不足。