基于警用微小型無人機的視頻圖像偵查系統(tǒng)初探

摘 要：視頻監(jiān)控是城市公共安全管理的重要手段之一。視頻圖像偵查是一種有效的偵查方法，在公安機關(guān)偵查實戰(zhàn)中得到應(yīng)用和驗證。本文梳理了視頻監(jiān)控體系和警用無人機的發(fā)展脈絡(luò)，分析了微小型無人機及其視頻載荷的功能性能，提出了一種智能的視頻圖像偵查應(yīng)用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，指出了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，估計了未來相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。警用微小型無人機將以其靈活部署等特點成為固定網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控體系的有力補充。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng)；視頻圖像偵查；警用微小型無人機

中圖分類號：P231.5；V279.3 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2018）07-0013-04

Abstract：Video-monitoring is an important means of urban public security management. Video image investigation is an effective detection method，which has been applied and verified in the investigation actions of police department. This paper discussed the development of video-monitoring systems and police UAVs，analyzed the function and performance of micro-UAVs and their video load，gave the framework of an intelligent video image investigation application system，listed the key technical problems of the system，estimated the future trend of the related technologies and systems. Police Micro-UAVs will be a powerful complement to the video monitoring system of the fixed network with its features as flexible deployment.

Keywords：video-monitoring system；video image investigation；police micro-UAVs

0 引 言

視頻圖像偵查主要通過視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的調(diào)取、關(guān)聯(lián)、分析、比對，獲得偵查線索和犯罪證據(jù)，是一門綜合了視頻監(jiān)控與識別技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)、計算機技術(shù)及其他信息捕捉技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和公安偵查技術(shù)的綜合偵查方法。[1]

近年來，中央統(tǒng)一部署實施了“金盾計劃”“天網(wǎng)工程”等重大專項建設(shè)，各地積極推進“平安城市”的構(gòu)建，大量的視頻監(jiān)控設(shè)備得到廣泛布設(shè)。[2]視頻監(jiān)控也逐漸從最初私人和商業(yè)領(lǐng)域的安全防范，逐漸轉(zhuǎn)為公共安全預(yù)防和行政監(jiān)管的重要途徑，最終大量地應(yīng)用于公安機關(guān)的偵查工作。

隨著視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的日益豐富，利用視頻監(jiān)控圖像為偵查服務(wù)已經(jīng)成為一種重要的偵查手段。特別是在城鎮(zhèn)化快速推進、警力資源分布相對緊張的時代背景下，視頻監(jiān)控系統(tǒng)及視頻圖像偵查技術(shù)在預(yù)防犯罪、偵破案件中作用凸顯，在公安機關(guān)安全保衛(wèi)和案件偵查實踐中扮演著越來越重要的角色，業(yè)已成為刑事技術(shù)、行動技術(shù)、網(wǎng)偵技術(shù)之后的第四大偵破支撐技術(shù)。[3]

當前，視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要采用分批布設(shè)、固定點安裝的方式開展建設(shè)，因此也無可避免地存在組網(wǎng)布局不盡合理、盲區(qū)死角無法覆蓋等問題。對于城市監(jiān)控覆蓋稀疏區(qū)或郊野無覆蓋區(qū)域發(fā)生的突發(fā)犯罪活動，視偵技術(shù)容易陷入“無用武之地”的困境。[4，5]因此，運用便于抵近部署的微小型無人機及其視頻載荷，實施動態(tài)視頻監(jiān)控，結(jié)合視頻圖像偵查技術(shù)，可以有效填補固定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的短板，大大提高主動性、實時性和靈活性。

1 視頻監(jiān)控體系的發(fā)展和應(yīng)用歷程

視聽資料具有獨立的法定證據(jù)地位和飽滿的證明效力，使得視頻監(jiān)控資料在司法領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。[6]視頻監(jiān)控系統(tǒng)是部署用以采集視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的綜合信息系統(tǒng)。一個典型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包括視頻信息采集設(shè)備、監(jiān)控中心、視頻信息存儲設(shè)備、監(jiān)控信息輸出端等部分，結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)自誕生起經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：20世紀90年代以前的閉路電視模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)（AVS，Analog Video Surveillance）階段、20世紀90年代中期以后的基于視頻流的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)（DVS，Digital Video Surveillance）階段、21世紀以來以網(wǎng)絡(luò)傳輸為基礎(chǔ)的遠程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)（RIVS，Remote Intelligent Video Surveillance）階段[7]。當前，我國建設(shè)和使用的視頻監(jiān)控體系以第三代RIVS系統(tǒng)為主。

2005年“7·21”公共汽車爆炸案發(fā)生之后，我國加快了視頻監(jiān)控體系的新建和集成，開始實施“金盾計劃”。隨后，公安部和科技部聯(lián)合推進科技強警戰(zhàn)略，開展了“3111工程”等項目試點，重點建設(shè)城市監(jiān)控、報警系統(tǒng)。[8]2009年，為進一步滿足城市治安防控和城市管理需要，對固定區(qū)域進行實時監(jiān)控和信息記錄的視頻監(jiān)控系統(tǒng)“天網(wǎng)工程”逐步部署推開，大都采用“綜治牽頭組織、電信建設(shè)維護、公安管理使用、政府分級投入”的運作模式，將監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與綜合防控緊密結(jié)合。[9]

視頻監(jiān)控體系的應(yīng)用過程，也是視頻圖像偵查技術(shù)的應(yīng)用推廣過程。在業(yè)務(wù)工作中，各級公安機關(guān)高度重視視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)、運用和完善，專門成立視頻偵查支隊，加強運用視頻資料偵破案件，在業(yè)務(wù)工作中進行基于視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的信息研判、視頻偵查，歸納出基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的“預(yù)先干預(yù)偵查法”“捕捉現(xiàn)行偵查法”等多類視頻圖像偵查方法，涌現(xiàn)了一大批理論和實踐成果，有力地打擊和震懾了犯罪。[10]

目前視頻監(jiān)控體系的建立主要基于定點布網(wǎng)，造成了監(jiān)控區(qū)域的相對固定，一定程度上放大了視頻采集設(shè)備布設(shè)、覆蓋面的局限性。

以湖南省長沙市為例，截至2017年，該市的“天網(wǎng)工程”一期、二期就新建34222個視頻信息采集設(shè)備，另外接入銀行、醫(yī)院、學(xué)校、交通等社會資源的視頻采集設(shè)備36342個，另有21597個設(shè)備在三期投入建設(shè)。[11]對黨政機關(guān)、金融單位等重點部門和城區(qū)主次干道、商業(yè)繁華街段基本實現(xiàn)全覆蓋，車站、星級賓館、大型娛樂場所、大型市場等治安復(fù)雜場所安裝率也超過90%，但是視頻信息采集的連貫性不足，仍有許多老舊居民小區(qū)、城郊區(qū)域道路等視頻監(jiān)控覆蓋較少，甚至個別區(qū)域仍是0監(jiān)控，出現(xiàn)了犯罪團伙針對監(jiān)控設(shè)備布設(shè)而利用反偵察行為作案的情況。

據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的固網(wǎng)視頻監(jiān)控體系存在如下問題：

（1）視頻監(jiān)控點分布不均勻，組網(wǎng)布局不盡合理，城內(nèi)和城郊仍有監(jiān)控盲區(qū)。

（2）視頻監(jiān)控空間結(jié)構(gòu)相對固定，容易遭到反偵察手段對抗，形成“無監(jiān)控、無DNA、無指紋、無手機”的局面。

（3）視頻監(jiān)控設(shè)備由不同單位在不同時期布設(shè)，性能差異大，后續(xù)維護不到位，造成監(jiān)控畫面參差不齊，甚至有的數(shù)據(jù)不可用。

（4）城市空間變化迅速，監(jiān)控設(shè)備因城建變化而降效失能現(xiàn)象明顯增多。

上述問題表明，當代的視頻監(jiān)控體系需要一種部署靈活、主動性強、性能可靠的監(jiān)控視頻采集和分析技術(shù)作為補充手段，從而實現(xiàn)進一步的效能提升和完善。

2 警用無人機的應(yīng)用

無人機（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，指不搭載駕駛?cè)藛T，利用無線電遙控設(shè)備或機載設(shè)備實施飛行控制的飛行器。無人機最先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，以更高的戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)性和更低的運行成本而用于各種高風(fēng)險任務(wù)，后來逐漸商業(yè)化后更廣泛地在公共安全等領(lǐng)域得到應(yīng)用。[12]

無人機按照用途規(guī)格可分為微小型無人機、輕型無人機、小型無人機以及大型無人機。具體區(qū)分如表1所示。

2006年以后，世界各地開始陸續(xù)出現(xiàn)使用警用無人機執(zhí)法的案例，但當時無人機集成制造技術(shù)尚不成熟，警用無人機體積較大，目標明顯。2011年以來，北京、廣東、湖北、江蘇、新疆等地的警方開始探索警用無人機的運用模式，主要應(yīng)用于大型活動安保、道路交通監(jiān)控、查緝毒品種植等。

隨著無人機小型化技術(shù)發(fā)展，微小型無人機的應(yīng)用越來越廣泛。截至2016年12月，湖北省武漢市各警種、部門已經(jīng)配備50多架警用無人機，廣泛參與大案要案偵查、反恐處突、大型活動安保防護等重要任務(wù)。其中，多數(shù)為微小型無人機。在2016年的“7·16硚口、江岸命案”“9·19東西湖命案”中，警用微小型無人機還通過搭載最新的紅外夜視攝像頭進行空中夜視搜索，快速掃描嫌疑人可能藏匿區(qū)域，有效縮小圍捕范圍，為公安干警快速抓獲犯罪嫌疑人提供關(guān)鍵決策信息。[13]

當前警用無人機尚未實現(xiàn)任務(wù)引導(dǎo)的完全自主飛行，仍需從地面進行指控。警用無人機系統(tǒng)主要由4個子系統(tǒng)組成：飛行與控制子系統(tǒng)、功能載荷子系統(tǒng)、地面指控子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。其工作原理是：地面人員通過地面控制子系統(tǒng)操控搭載有不同功能載荷的無人機飛抵相關(guān)空域執(zhí)行任務(wù)，通過機載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)回傳采集信息到地面接收機。如圖2所示。

一般警用無人機的優(yōu)點在于：采購、培訓(xùn)和維護費用進一步降低；機體積小、速度快、效率高，機動靈活性強；信息化、標準化程度高，都可以執(zhí)行現(xiàn)有公安通信裝備標準，與各級監(jiān)控和指揮系統(tǒng)可無縫對接。[14]

現(xiàn)代微小型無人機更有三個突出特點：高機動性的位姿變化、高靈活度的負載組合和高效能的無線傳輸。這些特點與警用裝備的需求十分契合。因此，當前在公安業(yè)務(wù)中運用最多的就是微小型無人機。但是在更多的情況下，警用無人機主要用于空地一體化的應(yīng)急通信系統(tǒng)構(gòu)建，實現(xiàn)復(fù)雜條件下的應(yīng)急通信保障，[15]在視頻監(jiān)控方面的理論和應(yīng)用方法研究較少。

3 基于警用微小型無人機的視頻圖像偵查系統(tǒng)

如前所述，如果充分發(fā)揮警用微小型無人機的靈活載荷和高效傳輸功能，就能夠以更加主動的姿態(tài)、更加靈活的位置接近和監(jiān)控關(guān)鍵目標，以更智能化的技術(shù)手段提取人眼所不能直接發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵信息，在一定程度上可以完善固定布設(shè)的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的布控覆蓋程度，進一步豐富視頻圖像偵查的理論和實踐。

本文針對這一思路，提出基于警用微小型無人機的視頻圖像偵查系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)視頻圖像偵查方法的補充。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由警用微小型無人機、地面指控中心、數(shù)據(jù)分析中心、高速通信網(wǎng)組成。

其中，警用微小型無人機可以掛載不同焦段、不同波長、不同分辨率的視頻采集載荷；采集所得視頻數(shù)據(jù)通過高速通信網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)分析中心；數(shù)據(jù)分析中心執(zhí)行多源視頻圖像的判讀、分析、關(guān)聯(lián)、挖掘等技術(shù)功能，提供關(guān)鍵決策情報到地面指控中心；地面指控中心根據(jù)情報定下行動決心，實施同步行動。如圖3所示。

3.2 主要功能

該系統(tǒng)主要提供多角度、多姿態(tài)的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)采集和情報分析服務(wù)。由于警用微小型無人機的機動型和載荷靈活性，使得采集到的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)具有了頻譜維、時間維、空間維的多維度特性。具體包括：

（1）基于多維圖像的時空要素分析。由于微小型無人機在每次任務(wù)前都是匹配時間基準的，因此，采集所得的多維圖像天然具有時間屬性。另一方面，微小型無人機可以快速爬升到相對高的位置，居高臨下地俯瞰整體信息，對重點場所、犯罪現(xiàn)場等大面積關(guān)鍵地域進行態(tài)勢總覽和搜索，也可以進入到某些不利于偵查勘測人員進入的密閉、危險空間，進行影像采集和取證。綜合時空影像數(shù)據(jù)可以在視頻圖像偵查中依據(jù)人、車、物、事等因素的變化數(shù)據(jù)判斷案件發(fā)生的具體時空因素。

（2）基于多維圖像的目標人特征分析與匹配。傳統(tǒng)的定點式監(jiān)控視頻對于目標人的識別有著距離的限制。試驗表明，若攝像機分辨率為1080p，視頻采集端焦距為12mm時，目標人的人臉識別的最大距離約為12米；焦距為50mm時，人臉識別最大距離約為49米。而微小型無人機可以按照地面站的要求進行空間位置和姿態(tài)的調(diào)整，在短時間內(nèi)提供多距離維度和多角度的面部特征、衣著特征、動作特征等信息，供后端進行特征提取和匹配，以供后續(xù)偵查判斷之用。

（3）關(guān)鍵物識別與信息提取。由于圖像頻譜和空間角度多樣化，微小型無人機監(jiān)控視頻不僅可以對關(guān)鍵物外部特征的差異（如車輛的銘牌、尾翼、車門、車窗、輪轂、剎車燈位置等）進行精確判定，更可以檢測出關(guān)鍵物上肉眼不可見的碰撞、血液痕跡等信息，從而為案件偵查鎖定物證依據(jù)提供更充分的信息支撐。

（4）信息關(guān)聯(lián)檢索。由于犯罪活動的空間特性，往往同一犯罪行為的過程在不同空間完成，導(dǎo)致傳統(tǒng)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)必須依靠多個監(jiān)控視頻才能獲得相對完整的關(guān)聯(lián)素材，這無疑又增加了時空同步方面的難度。微小型無人機一方面可以通過飛行軌跡規(guī)劃和姿態(tài)調(diào)整進行完整行為的動態(tài)跟蹤鎖定，將更多關(guān)聯(lián)信息納入同一信息來源，從而大大降低信息關(guān)聯(lián)檢索的難度；另一方面自帶定位導(dǎo)航功能，空間信息可以與電信記錄、消費行為等其他信息進一步關(guān)聯(lián)。

上述功能將大大補充和強化視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實時性和有效性，給予地面指控中心更加豐富的動態(tài)決策情報支撐，引導(dǎo)警力針對在傳統(tǒng)固定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)覆蓋的盲區(qū)、薄弱區(qū)發(fā)生的實時警情采取主動行為，為布控、偵查、取證、勘測、引導(dǎo)攻擊等戰(zhàn)術(shù)動作提供更有力的保障支撐手段。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

視頻圖像偵查技術(shù)是一門綜合偵查技術(shù)?；诰梦⑿⌒蜔o人機的視頻圖像偵查系統(tǒng)只是集成了微小型無人機和高效通信網(wǎng)等設(shè)施的系統(tǒng)級應(yīng)用手段，是飛行測控、通信傳輸、圖像識別、數(shù)據(jù)挖掘等多學(xué)科技術(shù)的集成。系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）高精度的無人機平臺飛行控制技術(shù)。該技術(shù)包括飛控信號的穩(wěn)定傳輸技術(shù)和面向任務(wù)的飛行器自主控制技術(shù)，主要解決復(fù)雜氣象、電磁環(huán)境影響下的飛行平臺導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）動態(tài)視頻影像的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳輸與解析技術(shù)。警用微小型無人機采用無線傳輸方式，帶寬和碼流率受到嚴格限制，而飛行平臺的空間位置和姿態(tài)處于持續(xù)變化當中，必須通過影像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法，提高傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性，兼顧處理中心的解析效率。

（3）基于多維圖像的目標特征分析與匹配技術(shù)。充分利用警用微小型無人機平臺獲取數(shù)據(jù)在空間、頻譜、時間等維度的多樣性，對于關(guān)鍵人、重點車、涉案物等目標的特征進行多維度的分析、提取和匹配，為偵辦人員提供高效的參考依據(jù)。

（4）基于動態(tài)視頻圖像的信息關(guān)聯(lián)技術(shù)。充分運用圖像處理、模式識別和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的最新成果，在數(shù)據(jù)分析中心段進行動態(tài)視頻圖像內(nèi)“人—物”“物—物”等信息的關(guān)聯(lián)提取，利用飛行平臺位姿可測的特性反演關(guān)鍵人、物和行為的空間位置，形成完整的行為證據(jù)鏈。

3.4 發(fā)展趨勢

在科技強警的時代浪潮中，警用裝備——無論是視頻監(jiān)控系統(tǒng)還是微小型無人機——都出現(xiàn)智能化、一體化的總趨勢，正向著以實現(xiàn)監(jiān)控、預(yù)警、報警、接警、出警、處置的自動化方向迅猛發(fā)展。

基于警用微小型無人機的視頻監(jiān)控偵查系統(tǒng)雖然目前只是一種設(shè)想，但是在監(jiān)控覆蓋范圍不斷擴大、覆蓋密度不斷提高、視頻運用效率和重要性不斷提高的大背景下，將出現(xiàn)如下趨勢：

（1）動態(tài)巡邏常態(tài)化，全面延伸至固網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以外，擴大城市以外的覆蓋范圍。

（2）抵近監(jiān)控實時化，應(yīng)對實時警情機動部署、抵近配置，開展同步布控偵測。

（3）多機協(xié)同群組化，多機多角度提供視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)融合與信息解析效率。

（4）識別響應(yīng)智能化，利用人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)挖掘警務(wù)深度需求，在大樣本庫和案例庫中反復(fù)訓(xùn)練，針對不同警種、不同人物及時更新定制系統(tǒng)，大幅降低偵辦人員的篩查工作量。

4 結(jié) 論

經(jīng)過多年發(fā)展，我國的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)取得了長足進展，視頻圖像偵查方法也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著邊界巡防、維穩(wěn)處突、野外偵查勘測等多警種任務(wù)的邊界拓展，固定視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)固定、布控被動、對城市以外區(qū)域覆蓋率不足的局限性逐漸顯現(xiàn)。

本文梳理了我國視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)發(fā)展歷程和視頻圖像偵查的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了我國警用無人機的應(yīng)用特點，并針對警用微小型無人機的優(yōu)勢特色提出了動態(tài)部署的視頻監(jiān)控偵查系統(tǒng)構(gòu)想，闡明了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了未來的應(yīng)用場景和趨勢。

基于警用微小型無人機的視頻監(jiān)控偵查系統(tǒng)是一種多維度、高機動性、低成本、智能化的視頻圖像偵查工具，若能與不同警種的現(xiàn)實業(yè)務(wù)做深度結(jié)合定制，將有力支撐邊境巡防、野外偵測等警務(wù)活動，可對固定視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的盲區(qū)和薄弱區(qū)形成良好的補充，進一步凸顯“第四偵破支撐技術(shù)”的強大效力。

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作者簡介：盧萍（1970-），女，三級警督，大專。研究方向：監(jiān)控視頻偵查技術(shù)與應(yīng)用。董鵬（1984-），男，講師，碩士。研究方向：無人機應(yīng)用，軍事運籌學(xué)。