基于铁塔视频的自然资源智能监管系统设计与实现

◎ 左天惠，袁 菱，周映彤

1.广西自然资源调查监测院，广西 南宁 530219

2.自然资源部北部湾经济区自然资源监测评价工程技术创新中心，广西 南宁 530219

为加快构建自然资源统一调查监测体系，广西重点打造“天—空—地—人—网”自然资源立体监测网，为全区自然资源管理监测监管提供全覆盖、高频次、多渠道、立体式的多源数据保障[1]。铁塔视频数据作为实时感知网中地联网的重要组成部分，具有不易受到云层遮挡等自然因素影响、全天候实时获取视频信息和主动获取远程控制等特点，可有效填补航空航天遥感与地面观测网络之间的尺度空缺，因此，如何利用铁塔视频数据实现无人值守全天候自然资源监测监管是当前研究的重要课题[2-3]。

目前，全国部分省市已开展基于铁塔视频的自然资源监测监管工作，并开发了智能监管系统。其中，江苏省“慧眼守土”系统、浙江省嘉兴市“国土天眼”系统、山东省聊城市高空瞭望“电子眼”系统等取得了不错的应用效果[3]。智能监管系统的视频融合化程度和智能感知水平，直接影响了视频在自然资源管理中应用场景的广度和深度，其中湖南省、江苏省等地的系统初步实现了自然资源监测智能化，支持视频数据与业务数据融合，支持自然资源疑似违法目标及行为特征等自动识别与预警，应用场景较为丰富。研究小组通过借鉴国内各省、市铁塔视频应用经验，围绕广西自然资源监测监管问题图斑发现与识别智能化、疑问图斑远程举证等需求，以自然资源“一张图”为数据底版，对视频数据与业务数据、综合监测监管成果数据融合进行初探。

1 系统设计与实现

1.1 系统总体架构

研究小组基于综合监测监管已有业务流程及框架，利用已建综合监测监管平台的成果及已有基础设施资源、数据资源，采用5G、移动地理信息、人工智能等技术，将铁塔视频有机融入到综合监测监管“天—空—地—人—网”一体化监测网络中[4]，建设全覆盖、多场景、智能化的监管系统，实现自然资源要素全生命周期监测监管。系统架构主要包括支撑层、数据层、服务层、应用层、用户层、标准与规范体系和信息安全保障体系等7 大版块（见图1）。

图1 系统总体框架图

支撑层主要包括铁塔视频硬件环境支撑和平台支撑。基于大数据GIS 引擎及视频GIS 引擎，支撑层为智能监管系统提供高性能的加速引擎，硬件环境则按照云服务模式和云架构，形成按需动态扩展的计算资源、存储资源和网络通信资源，结合视频监测需求，可动态调整、扩展视频分析设备和视频存储资源等硬件资源。

数据层根据自然资源监管业务需求，整合了现有的自然资源年度变更数据、规划数据、行政管理数据和社会经济数据。数据层利用坐标转换技术，将自然资源地理信息数据与视频监控数据套合，为监管系统提供数据支撑。

服务层包括数据服务、功能服务、接口服务和成果服务等，是系统的核心层。重点是实现并提供视频监测数据动态采集服务，基于视频监测数据，利用人工智能技术等扩展视频智能分析服务，提高自然资源监管智能化、信息化和自动化。

应用层以数据层和服务层为基础，按照自然资源监测监管业务需求建设智能监管系统，将区域内全部铁塔视频数据、数据层数据和服务层数据集成并展示在系统中，实现自然资源违法事件自动识别、判定及预警信息推送，视图联动举证等，减少人为观察和数据备份等工作，提高工作效率，全面提升自然资源监测监管能力。

1.2 系统业务流程

研究小组按照变化发现、研判分析、视频调度、核查举证4 个方面来构建系统业务流程。

首先，基于视频监控自动识别并推送预警信息，根据业务适配规则，将内容与土地利用、行政管理等自然资源管理数据进行叠加分析，过滤无效预警信息；其次，对剩余预警信息进行智能化定性分析，确定最终问题清单并推送至自然资源综合监测监管平台；再次，利用“以图找摄像头”功能，对航天航空遥感影像数据提取的变化疑问图斑进行快速定位，找到最近的铁塔视频点；最后，通过铁塔摄像头视图联动、视频远程控制、自由调焦等功能，快速定位并调整合适的拍摄角度，进行远程举证。系统业务流程如图2 所示。

图2 系统业务流程图

1.3 智能研判业务规则设计

灵活制订铁塔视频智能识别预警成果研判规则，是提高铁塔视频监测监管自动化、智能化的基础。研究小组根据综合监测监管作业经验，对不同的监测监管对象，制订相应的研判业务适配规则，具体规则如表1 所示。

表1 铁塔视频的自然资源综合监测监管业务适配规则表

1.4 系统功能实现

系统采用B/S 架构，基于HTML5+JavaScript开发，主要围绕监测预警与远程举证业务进行功能设计开发，实现视频监测分析预警、监控综合展示及运维等3 大模块。系统功能模块如图3 所示，铁塔视频智能监管系统如图4 所示。

图3 系统功能架构图

图4 系统网页版主界面图

1.4.1 监控中心

监控中心模块主要包括监测预警、图斑研判、远程控制、拍照及视频录制等功能。该模块是系统核心业务模块，利用双坐标转换、电子围栏和视频行为智能监测与识别等技术，实现了视频监测分析预警、智能研判等业务需求，形成“视频主动监测—问题图斑自动识别—智能综合研判”的全流程信息化支撑体系。监控中心通过“以图斑找摄像头”功能，快速定位疑问图斑周边的铁塔视频，同时利用物联网技术实现摄像头远程控制，快速调整外业举证的拍摄角度，完成对疑问图斑的远程举证拍照及视频拍摄，实现足不出户即可完成外业举证。

1.4.2 展示中心

展示中心模块主要包括统计查询、设备接入展示、电子地图、预警信息等功能。该模块围绕自然资源监管重点事项，利用可视化数据大屏集中展示铁塔视频接入情况及其状态、视频监测问题清单、处置情况台账等，用户和管理人员可以方便、快捷、直观地了解铁塔视频智能监管系统运行情况及成效。

1.4.3 运维中心

运维中心模块主要包括后台数据管理、视频成果管理、规则配置、电子围栏管理、用户及权限管理和日志管理等功能。系统管理人员利用该模块进行数据管理、服务管理和用户权限管理等，提高系统的灵活性和可扩展性。

1.4.4 应用实例

2022 年6 月系统试运行期间，研究小组利用南宁市邕宁区、横州市和贵港市等28 个铁塔视频，对周边2 km 有效范围进行全天候、全要素监测。研究小组对系统自动产出的预警信息及研判结果逐日、逐图斑地进行人工分析，不断更新视频识别样本库和修正研判规则，逐步提升预判信息和研判结果的准确性。

期间，研究小组共利用系统识别并发现问题图斑28 个，其中合理变化图斑15 个，疑似违法图斑9 个。叠加自然资源业务管理数据分析后，确定并形成问题清单并下派图斑5 个。同时，远程核实卫星影像发现的“非粮化”“非农化”疑问图斑，完成远程举证图斑2 个，实现了足不出户即可完成外业举证（见图5）。

图5 铁塔视频远程举证图

2 关键技术

2.1 视频极坐标与地理坐标双转换算法

视频图像数据虽然能够逼真地展示空间信息，但是缺少地理属性，因此不能直接与地理信息系统进行深度融合。视频极坐标与地理坐标双转换算法作为铁塔视频监测落地的核心技术，可为视频图像数据赋予地理空间属性，确保视频图像位置与地理空间位置的一致性，提高视频坐标精度[5-6]，解决监测定位、定界等问题。

其算法主要采用视频监测与铁塔周边正射影像结合的方式。首先，提取同名特征样点，对摄像头内方位元素进行标定；其次，以摄像头为圆心，将摄像头360°视域按等角分为3 个方向，每个方向构建50 m、200 m、400 m 的3 个焦距面，并提取6～8 个均匀分布的同名点；最后，利用同名点对坐标双转换模型参数进行校正，实时解算铁塔摄像头姿态变化情况下的坐标，实现地理坐标与视频极坐标的精准双向转换（见图6）。

图6 铁塔视频与正射影像融合图

2.2 电子围栏技术

电子围栏技术通过坐标转换，将土地利用数据、基本农田保护红线和生态保护红线等矢量数据二维地理坐标映射到视频监控中，实现两者坐标的相互统一。铁塔在日常监测过程中，对摄像头抓拍照片中的挖掘机、建筑物材料等各类目标开展行为监测分析，准确判定视频监控发现的事件坐标，并根据预制的业务适配规则自动进行研判，从而确定违法性质（见图7）。

图7 电子围栏图

2.3 视频行为智能监测与识别技术

视频行为智能监测与识别技术能够对视频中出现的异常行为进行监测并自动识别。研究小组利用动态目标检测算法建立各类工程要素等样本库，运用基于深度学习模型的目标检测算法对视频图像中敏感的地物及工程设备等进行逐帧分析[7]，提前发现脚手架、无门窗的房屋和塔式起重机等施工设备，特征要素触发预警后可进行行为跟踪分析（见图8）。

图8 智能识别与预警成果图

3 结 语

研究小组在调研广西自然资源综合监测监管信息化建设现状及全区铁塔视频建设情况基础上，根据自然资源综合监测监管业务需求，研究并设计了铁塔视频智能监管系统总体架构、业务流程和业务智能研判规则等，同时开展了铁塔视频智能监测关键技术及功能实现研究。实例证明，该系统能够为自然资源监测监管提供全天候不间断监测服务，从而有效降低自然资源执法成本。下一步研究应结合自然资源分布情况，充分考虑铁塔的位置及其高度和信号传输方式等因素，让铁塔的布设更为合理。