一種基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法研究

中國鐵塔股份有限公司河北省分公司 陳 欣 劉永明

中國電信河北分公司 相 瑩

廣州杰賽通信規劃設計院有限公司 黃星輝

綜合監控類項目作為利國利民的重點項目，目前從技術層面看，已具有成熟的商用環境和技術支撐能力，但從工程規劃角度，仍然有部分重點問題暫時沒有很好的解決方案。本文重點針對監控項目各參與方均非常關心的核心問題，如何科學的評估規劃監控點位的覆蓋效果，提出一種借助GIS系統分析功能性表面的視域來確定不同區域中可見性的思路。在工程實踐的基礎上，總結出一套基于空間可見性算法的監控覆蓋效果仿真方案模型。并通過案例項目的展示，驗證了仿真模型的可操作性。

1 需求分析

縱觀綜合監控系統現狀，單從功能目標上來說，監控、監管、監測為其核心內涵。目前主流監控設備廠商的監控設備技術能力可滿足絕大多數應用場景，但在監控系統點位規劃階段，工程各參與方，包括政府監管部門、企業客戶、設備廠家、規劃設計單位、基礎設施服務單位等共同關心的核心問題，如何科學的評估監控點位布局后可預測的覆蓋效果，在如今絕大多數監控類項目中并沒有很好的評估方法。

2 解決思路

本文從工程實際出發，提出一種新型應用實施例，提供一種基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法，以提供給規劃人員作為參考以快速優化監控覆蓋方案，獲得更好的覆蓋效果以及更準確的覆蓋率。包括：

（1）接收目標覆蓋區域的地形高程數據、目標覆蓋區域的基礎信息、視頻監控設備選型參數以及存量鐵塔站點信息。

（2）根據所述地形高程數據和所述基礎信息，經過數據校正后獲得所述目標覆蓋區域實際的高程數據。

（3）基于所述實際的高程數據、所述視頻監控設備選型參數以及所述存量鐵塔站點信息，采用空間可見性算法進行仿真，獲得控覆蓋效果仿真方法，還包括當所述覆蓋率低于期望值時，通過視域分析工具篩選出鐵塔站點中覆蓋半徑重合度高的鐵塔站點，以剔除所述覆蓋半徑重合度高的鐵塔站點。

接收新增鐵塔站點后的目標覆蓋區域的地形高程數據、目標覆蓋區域的基礎信息、監控設備選型參數以及鐵塔站點信息，并采用空間可見性算法進行仿真，獲得優化后的覆蓋效果仿真結果；其中，所述新增的鐵塔站點在剔除覆蓋半徑重合度高的存量站點后，根據預設的要求規劃新增鐵塔站點后得到。

進一步地，所述基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真系方法，還包括：

接收經過現場勘察校正后的數據，并根據所述校正后的數據，采用所述空間可見性算法進行仿真，獲得最終的覆蓋效果仿真結果。

進一步地，所述地形高程數據包括含有所述地形高程數據的地形圖。

進一步地，所述目標覆蓋區域的基礎信息包括：目標覆蓋區域的被監控物高度信息

進一步地，所述視頻監控設備的選型參數包括：攝像機掛高、掃描的水平范圍、掃描的垂直范圍以及覆蓋半徑。

進一步地，所述鐵塔站點信息包括：鐵塔經緯度信息、鐵塔高度信息。

相比于現有技術，本實施例監控覆蓋效果更接近于實際，能夠提供給規劃人員作為參考以快速優化監控覆蓋方案，獲得更好的覆蓋效果以及更準確的覆蓋率。

圖1是實施例中的基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法的流程圖。

圖1 實施例中的基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法的流程圖

圖2是其中一種優選實施例中的基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法示意圖。

圖2 其中一種優選實施例中的基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法示意圖

本實施例主要利用GIS工具，運用空間可見性算法，分析功能基于所述存量鐵塔站點以及所述視頻監控設備的覆蓋效果仿真結果。

進一步地，所述的基于空間可見性分析的視頻監控覆蓋效果仿真方法，還包括：

（1）將所述覆蓋效果仿真結果矢量化，并與所述目標覆蓋區域矢量進行相交處理，獲得相交面積。

（2）根據所述相交面積與所述目標覆蓋區域的總面積獲得覆蓋率。

進一步地，所述的基于空間可見性分析的視頻監性表面的視域來確定不同區域中的可見性。空間可見性分析得到的兩種輸出類型如圖3所示。

圖3 空間可見性分析得到的兩種輸出類型

Arcgis中的可見性分析算法通過在要素屬性數據集中指定不同的項，可限制所檢查的柵格區域。例如：觀測點高程值、垂直偏移、水平掃描角度、垂直掃描角度以及掃描距離。相當于給我們提供了9項控制參數：SPOT、OFFSETA、OFFSETB、AZIMUTH1、AZIMUTH2、VERT1、VERT2、RADIUS1和RADIUS2。空間可見性算法9項控制參數如圖4所示。

圖4 空間可見性算法9項控制參數

SPOT項用來定義觀測點的表面高程。OFFSETA項將以表面單位指示要添加到觀測點z值的垂直距離。OFFSETB項將以表面單位指示要添加到各像元z值的垂直距離，因為分析可見性時需要考慮該距離。AZIMUTH1項定義掃描范圍的起始角度。AZIMUTH2項定義掃描范圍的結束角度。AZIMUTH2的值必須大于AZIMUTH1的值。VERT1項用于定義掃描的水平角上限。VERT2項用于定義掃描的水平角下限。VERT2的值必須小于VERT1的值。RADIUS1項用于定義確定可見性的起始距離。請注意，RADIUS1搜索距離之內的像元在輸出柵格中不可見，但仍會妨礙RADIUS1和RADIUS2之間像元的可見性。超出RADIUS2搜索距離的像元將從分析中排除。RADIUS2的值應大于RADIUS1的值。

如表1所示，結合項目實際情況，參照主流監控設備廠商攝像機技術參數的典型取值，將相關技術參數帶入到空間可見性分析中的9個控制選項中，可以得到類似表2所示的參數配置詳表。

表1 主流監控設備技術參數

表2 監控項目覆蓋效果仿真參數典型示例

3 應用案例

以某片區森林防火監控項目規劃為例，該項目由林場責任單位牽頭，借助某通信基礎設施服務公司提供的通信鐵塔為載體，實現目標片區森林防火實時監控及預警功能。

數據輸入階段，項目的實際輸入參數有：01項目區域含有地形高程數據的地形圖（理論上地形圖精度越高，仿真效果越接近實際），02目標覆蓋林區的基礎信息，包括覆蓋林場區域范圍、區域海拔、各子片區平均樹木高度、林區面積等，03目標覆蓋區域存量通信鐵塔基礎信息，包括站點經緯度、塔高、塔體類型等，04本項目預采用的監控設備技術參數，包括攝像機掛高、攝像機覆蓋半徑、覆蓋目標類型等。

算法迭代階段，先是結合項目實際情況，對輸入的地形數據進行了優化。考慮監控設備的視距特性，通過Arcgis將林場區域的樹木高度信息與原始輸入的地形高程數據進行了矢量疊加，得到優化后的區域高程樣本，帶入空間可見性分析的9個控制選項進行算法推算，得到基于存量鐵塔站點及擬采用監控設備的覆蓋效果仿真現狀。案例項目算法迭代示意圖如圖5所示。

圖5 案例項目算法迭代示意

應用Arcgis矢量數據處理工具，將覆蓋效果仿真現狀矢量化，與林場矢量覆蓋范圍做相交處理，可以得到精確的相交面積，即真實目標區域覆蓋面積，由此再精確計算出覆蓋率，如圖6所示，僅利用存量站點對于目標林場區域的覆蓋率甚低。

圖6 案例項目現狀覆蓋率測算示意

方案優化階段，先是借助視域分析工具篩選存量站點中覆蓋半徑重合度高的站點，結合項目特征設立多項鐵塔站點新選址考慮因素，對目標覆蓋區域進行新增站址規劃，再將相關參數重新帶入空間可見性算法，得到優化后方案的覆蓋率，通過判斷覆蓋率是否達到預期進行迭代優化。同時，借助ArcScene的3D可視化能力，甚至可以做方案優化前后的3D仿真效果對比。如圖7所示。

圖7 案例項目方案優化示意

勘察校正階段，針對規劃方案進行現場勘察，重點排查現場復雜的外界環境對于監控點位覆蓋效果的影響，如存量鐵塔周邊高大樹木、建筑物對于視線的遮擋。通過現場實勘的數據再次校正算法輸入參數，得到最優的仿真效果。

最后，在項目實施后，課題小組還進行了仿真效果實際核驗，將實施監控畫面與仿真3D渲染畫面進行比對，驗證得出仿真效果與實際基本一致。同時，通過核驗也得出一些有趣的問題待接下來進一步優化，如可通過仿真方案優化監控設備安裝位置達到最佳視野，如監控設備通過熱成像感應器探測森林火災，可通過調整火災煙霧擴散范圍優化目標區域高程數據等。案例項目仿真效果與實際監控效果核驗示意如圖8所示。

圖8 案例項目仿真效果與實際監控效果核驗示意

4 課題總結

關于GIS系統在通信類項目規劃設計階段的應用，仍然是一個很開放、值得探索的方向，以本課題為例，如計算覆蓋實際面積、覆蓋范圍可視化、計算目標包含性、覆蓋目標長度統計、通視性分析等分析需求，在GIS工具的加持下，統計的科學性和效率得到巨大提升。

過去我們在評判監控布局點位的覆蓋效果時，由于工具的匱乏，要么缺少整體性，要么考慮因素不全面，操作效率差。本文借鑒城市規劃中的景觀規劃方法，嘗試將GIS系統中的空間可見性分析應用于監控項目覆蓋效果仿真，從方法論的歸納到項目案例的展示，可以看出該方法具備可行性，且因為效率極高、功能創新、成果顯著，極具推廣意義。同時，雖然本文引用案例為偏遠地區，未來，隨著城市3D建筑模型數據的完善和開放，該方法論的應用場景將會得到更大的釋放，如目前各大城市火熱進行的雪亮工程項目，均可以得到效果可觀的仿真方案。

希望此文可以給綜合監控類項目相關規劃、咨詢、參建單位提供有益的參考。