水利视频监控系统的发展趋势

    水利视频监控系统是数字水利的重要组成部分，也是近期数字水利系统建设中的热点和亮点。本文对近期水利监控系统的技术趋势进行探讨，重点针对智能视频检测技术在水利行业中的应用进行介绍，以期抛砖引玉，促进视频监控新技术在水利行业的应用和推广。

    水利视频监控系统是数字水利的重要组成部分，也是近期数字水利系统建设中的热点和亮点。工作人员通过该系统可在监控中心或者工作计算机上实时监控各个水利设施，实时观测水资源现状，大大提高了工作效率；而在抗洪救灾中，通过该系统也可实现远程观测和指挥，对于气候恶劣人员难以达到的地区，本系统更是起到了不可替代的作用。本文对近期水利监控系统的技术趋势进行探讨，重点针对智能视频检测技术在水利行业中的应用进行介绍，以期抛砖引玉，促进视频监控新技术在水利行业的应用和推广。

    在水利行业中的应用面逐渐扩大

    以往水利视频监控系统主要为防汛抗洪服务，在汛期保障水利设施的安全，随着视频监控系统在水利行业的进一步推广，系统将逐渐在水利部门的日常管理中发挥作用，例如用于水资源管理、水利设施周边安全、航运管理及水体环境监测。预计水体污染监控将成为下一个应用热点，届时高清晰度视频监控系统（分辨率达到1024×768以上）更能发挥作用，能对污染物的分布和发展趋势等进行有效的远程观测，同时应实现和环保监测设备及系统的有效联动，获取相关的污染指标数据并和视频形成统一的数据备份，作为领导决策和执法的依据。

    为适应以上趋势，在新建视频监控系统中必须要预留更多接口，同时能做好持续改进和适应。

    流域联网监控逐渐成为主流

    以往水利视频监控以单个水利工程设施监控为主，往往附属在闸门控制系统中，为本地工作人员服务。近几年出现了以流域和大区域为单位的大型联网监控系统，该类系统可使领导远程监视水利设施状况，同时避免由于只看到单个水利设施而无法了解上下游各个相关站点情况的尴尬局面，在防汛抗洪过程中为各级领导提供了全局决策依据。在此情况下，新建水利视频监控系统必然将远程监视以及流域的整体监控作为必备的技术要求，同时已建监控点也将逐步实现联网改造和接入。各省水利管理部门为适合这种发展趋势逐步出台了相应的配套标准，以期实现水利视频监控的标准化，相关厂家应及时跟进这一标准化过程。

    从技术上而言，流域监控系统必然对系统架构以及服务器平台提出了更高的要求，在此过程中，必须要实现服务器分布式部署，同时解决服务器级联、备份以及互相支援等问题，提高流媒体服务器的转发效率以满足大流量视频数据的转发和分发，并确保不堵塞现有水利专网。图1是典型的省域视频监控系统拓扑图。

    图1中，系统形成了三级结构，主要有省水利厅、市水利局和大型水利设施管理处等三级，各级可独立工作，也可级联协同工作。图2为湖州、金华两地水利视频监控的统一监控平台示意，可在此基础上进一步扩展成省级平台。

    无线技术的推广和应用

    由于水库大坝等水利监控点分布在较广阔的范围内，与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，且施工周期长，有时因为河流山脉等障碍难以架设线缆，这些问题均可采用无线方式进行解决，所以无线传输方式在水利行业监控系统中比较受青睐，其所占比例越来越高。现有无线网络主要有以下几种：

    ·卫星通讯网技术；
    ·微波数据网传输技术；
    ·基于运营商的无线网络传输技术；
    ·无线局域网技术（包含WiMAX技术）。

    卫星通讯网技术由于成本较高，不适合水利行业大规模应用。水利部门可采用微波数据网传输技术进行视频传输，但是应尽量满足微波方式的视距传输要求，在空旷处建设效果较好。

    基于运营商的无线网络传输技术也就是利用现有无线网络运营商平台进行网络传输，主要有中国移动的GPRS/EDGE网络和中国联通的CDMA网络。这些网络的实际数据上传速度一般在60kbps左右，在这样的带宽下视频效果不够理想，为更好的在该网络条件下进行数据传输，系统应针对视频编码及网络传输流控部分进行优化。而新推出的3G网络理论上可基本满足传输实时视频的要求，但由于种种原因其稳定应用尚需时日。

    无线局域网可以满足实时视频传输的要求，同时现有的无线局域网通过中继等方式显著提高了覆盖半径，已经可以满足中小型水利设施的网络覆盖要求。最新的WiMAX技术可实现城镇无线覆盖的要求，当然WiMAX技术成本还比较高，大规模推广尚有一定难度。

    在水利行业中，建议采用无线局域网和基于运营商的无线网络传输技术相结合的方式，在较易铺设网络处建设无线局域网，在某些难点或不便铺设处通过CDMA或者EDGE传输视频。

    另外通过无线方式也可对车辆和人员进行移动视频监控，实现可视化的调度和指挥，在水利行业抗洪抢险作业中，人员、车辆的调度是重中之重，而在调度过程中，人员和车辆的位置和实时视频是关键信息，因而在系统中需要对GPS定位系统和GIS 系统进行重点设计，确保调度人员快速确定相关人员和车辆的位置。图3是车辆和人员定位和轨迹示意图。

    结合水利部门预案系统

    根据原有经验并参考行业要求对一些突发事件预先做出资源人力调配，并规定相应的处理流程即为预案，不同的现场信息会导致不同的预案。预案处理在水利部门是一个标准的工作流程，特别是在防汛抗洪过程中，预案能指导快速决策从而起到了至关重要的作用。其可分为几种等级，最低等级为报警联动，稍复杂的是固定处理流程，最复杂的是建立专家人工智能库，对现场获取的某些信息进行综合考虑并给出专家意见。在现有技术条件下，专家预案使用较少，主要采用固定处理流程的预案。

    视频监控系统在获知现场情况的同时，应根据预案提供相应的资源分布图，例如汛期的物资储备情况、人员配备情况等并进一步通过系统实现现场指挥。在系统设计过程中，应做到和资源数据库的结合并实现双向的语音对讲，在条件允许的情况下，应和水利行业视频会商系统相结合，真正做到监控指挥一体化。图4是典型的水位报警预案流程图，在图4中，产生报警后主要对视频系统和地理信息系统进行联动，同时处理相关数据形成统一的数据库，这样就可供下节所论述的智能搜索引擎进行智能搜索。

    智能化技术的逐渐应用

    智能搜索引擎

    以往录像检索等工作是通过时间检索，此种方式搜索时所花时间往往很长，为确定某个场景需要进行多次检索，给工作人员带来较多的工作负担。为解决这一问题，在水利行业中逐渐出现了以事件检索为主的检索模式，如对一些专用水利事件（开关闸门等）进行分类检索并连动回放。这些事件信息可存放在专门的数据库文件中,并与视频信息关联，也可作为附加信息或用户信息嵌在视频流中，通过数据库检索或视频流搜索获得事件信息。该事件信息也可通过智能视频检测获得，从而实现更为有效和智能化的事件记录和检索模式。图5为通过水雨情信息检索录像的界面示意，水雨情信息可直接通过查询事件获得，并直接回放此时的录像，对于开关闸门等事件也可按照此种方式检索录像。

    水利专用的智能视频检测技术
    智能视频检测技术近几年逐渐从理论阶段走向实用并成为未来视频监控系统的核心技术，视频检测已经在很多行业中获得了应用，根据笔者的经验，在行业应用中要推进

    智能视频检测技术需要注意以下几个方面：

    ·针对某个行业的应用进行特别设计，现有的通用视频处理算法往往只能对某些特定场景有较好的效果，因而在应用过程中，需要针对行业应用和现场环境进行优化设计，选择适应行业环境条件的应用，例如在水利应用中必须对水波纹干扰进行特别处理；

    ·在应用前对场景进行充分的学习和适应，视频处理算法往往需要预设某些阈值灵敏度和参数，一些自适应算法可以对此过程进行自动学习，但是也存在学习时间过长，有时甚至出现无法收敛的情况，因而在应用中需对该过程进行适当的人工干预，确保针对现场环境设置合适参数；

    ·现有的智能视频检测产品主要有两种形态，一种是采用集中检测方式，在软件平台处完成检测，一种是采用分布式检测方式，在摄像机视频处接入嵌入式设备完成检测，在应用中推荐采用后一种模式；

    ·智能视频检测技术在现有条件下已经可以代替人工完成大部分工作，不过要完全代替人工还需时日，因而在应用中最好的模式是在智能视频检测的基础上适当辅以人工。

    对于水利行业而言，在技术上须对着重解决以下问题。
 
    ·一般地，视频图像中运动对象是需要检测的感兴趣目标，因此智能视频检测常以检测图像内容的变化为主，对于水利监控而言，由于画面同时包含水面，而水面在动态变化，因此提高了视频检测的难度。但是，水面波纹具有形状不固定、相邻帧运动方向连续、纹理特殊等特点，基于这些特点，水面波纹的干扰可被排除；

    ·水利视频监控系统在夜间的应用较频繁，因而智能视频检测应针对光线条件不是很好的状况进行特别设计；

    ·在获取到异常情况后及时作出联动，例如当人员违规进入坝区时，可在通过软件平台进行远程自动喊话进行吓阻，在系统建设中突出预防优先的策略。

    水利行业中智能视频检测技术的应用可细分为以下几个方面，针对不同应用需对算法进行适应性设计。

    1、闸门开闭检测

    水利工程中闸门各种各样，有分洪闸、冲沙闸、节制闸、船闸等，由于闸门在开闭过程中受力巨大，容易损坏，常会出现开闭不到位、卡死等情况，一种解决方案是采用闸门开闭检测开关，但有时闸门需要运行在半闭状态，此时开闭检测开关就不易检测了。智能视频监控能有效地解决这个问题，使得闸门不间断自动监测成为可能。由于闸门在开闭状态下图像内容不同，通过检测与闸门开启有关的特征点在图像上的位置，如检测闸门上部传动部分，就可利用视频分析检测闸门状态。

    系统还可以采用基于分割的跟踪算法检测闸门处的水位高低，在应用中先用分水岭算法等进行图像分割，而后基于模型进行区域合并和跟踪。一旦检测到闸门状态异常，或水位超过设定值（通过对水位标尺的比对实现），则立即发出报警信号。

    2、决堤、漫溢检测

    在汛期中，决堤或水漫过溢出堤坝会引起严重后果，必须密切监视，视频监控使得无须在现场就可不间断监视，但长长的堤坝需要大量的摄像机和监视器，也就需要大量的监控值班人员，智能视频监控可实现决堤、漫溢自动检测和预警。由于在发生决堤或水漫出堤坝时，图像内容会发生改变，通过对图像内容的分析，包括差分检测、纹理分析等手段，就可检测是否出现决堤、水漫堤坝的现象。系统通过水位检测，并与设定的警戒线比较，也可在水漫堤坝前发出预警，为工作人员提供一定的处理时间。

    3、人体检测

    现实生活中，每年都有人因越过堤坝游泳或进入水利禁区造成人员伤亡，如每年在钱塘江堤坝处由于违规观潮导致人员伤亡的事故屡见不鲜，人体检测技术可在有人翻越堤坝时及时报警，从而避免恶性事故的发生。

    人体检测主要采用活动目标分割、跟踪、检测等技术。一般为静止场景，容易采用高斯模型或差分检测实现背景提取，从而利用减背景方法实现活动目标分割，实现警戒区域入侵检测和报警。进一步，对于检测到的活动目标采用Harr特征分析，利用AdaBoost和支持向量机等技术可实现是否是人体的判别，从而实现只对活动人体目标的检测。通过对人体目标的进行一步特征分析，如服饰颜色、人脸特征等，还可实现多摄像机间的目标交接和跟踪。可以在堤岸和禁区设置视频警戒线并应用以上技术，从而检测到有人翻越堤坝、进入堤岸或水域时及时发出报警。图6为警戒线设置示意图。

    总结

    随着系统应用的逐渐深化和扩展，水利行业视频监控系统将逐渐朝数字化、网络化和智能化方向发展，应用面越来越广，大规模联网的流域监控成为发展趋势，利用各种无线通信技术扩展监控范围和预案提高快速决策和应急指挥能力，利用智能视频检测技术提高视频监控系统的自动化程度，将成为未来水利视频监控系统的重要特征。特别是智能化技术使大规模视频监控更具实用意义，可大幅节省人力和监视设备，在水利行业的应用将有广阔的前景，并推进水利视频监控系统向智能化的综合管理系统发展。在此过程中，各个参与其中的厂家应针对水利行业的特殊需求和环境进行深入开发并推出适用的设备和软件平台，和水利管理部门一起推进视频监控系统在水利行业的应用和发展。