基于高空瞭望圖像識(shí)別的智能識(shí)別檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用研究

林 章，陳家龍，黃陳建

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311231；2.浙江中安電子工程有限公司，杭州 310052；3.中國(guó)鐵塔股份有限公司溫州市分公司，浙江 溫州 325000）

目前，農(nóng)田、樹林等區(qū)域的秸稈焚燒、垃圾焚燒等違法行為時(shí)有發(fā)生，對(duì)森林防火和環(huán)境保護(hù)都帶來較大挑戰(zhàn)。各級(jí)政府對(duì)此類行為采取的防治措施有人力和技術(shù)兩方面。人力方面，成立秸稈禁燒工作領(lǐng)導(dǎo)小組和秸稈禁燒巡邏隊(duì)，不間斷在農(nóng)田附近巡查，確保沒有秸稈燃燒等違法事件。同時(shí)利用各種宣傳手段，營(yíng)造秸稈禁燒氛圍，提高全社會(huì)秸稈禁燒意識(shí)。人力方面確實(shí)能在秸稈禁燒工作取得一定的成效。但秸稈禁燒工作領(lǐng)導(dǎo)小組和巡邏隊(duì)需要消耗大量的人力物力，宣傳工作長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)進(jìn)行才能取得一定的成效。技術(shù)層面，在高位鐵塔上安裝視頻監(jiān)控，通過傳統(tǒng)的人工實(shí)時(shí)查看視頻來發(fā)現(xiàn)是否有燃燒秸稈行為或者森林火災(zāi)。這種檢測(cè)方式效率和工作強(qiáng)度極大，無法滿足用戶需求，且缺少自動(dòng)報(bào)警的方案；利用衛(wèi)星遙感技術(shù)探測(cè)秸稈焚燒引起的地面熱異常火點(diǎn)，成本較高，巡檢周期長(zhǎng)，秸稈焚燒面積大才能發(fā)現(xiàn)，未能得到大面積推廣。現(xiàn)階段各級(jí)政府的監(jiān)管職能部門對(duì)于農(nóng)田、樹林等區(qū)域的秸稈焚燒、垃圾焚燒等違法行為的監(jiān)控，存在檢測(cè)耗時(shí)費(fèi)力、發(fā)現(xiàn)滯后及取證難度大等諸多問題。

高空瞭望技術(shù)一般是指安裝在距離地面30 m以上的高倍監(jiān)控?cái)z像機(jī)及配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)數(shù)百米到數(shù)千米范圍內(nèi)的視頻監(jiān)控技術(shù)。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大范圍遠(yuǎn)距離監(jiān)控、全天候監(jiān)控，近年來被廣泛應(yīng)用在公安、交通、油田和電力等領(lǐng)域[1]。本文將研究基于高空瞭望圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)1~2 km范圍內(nèi)樹林、農(nóng)田進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)煙火等事件立即報(bào)警，從而減輕人員的工作量、提高工作效率和減少政府的資金投入。

1 方案概述

高空瞭望視頻監(jiān)控通過安裝在運(yùn)營(yíng)商基站塔上的攝像頭，對(duì)1~2 km范圍實(shí)現(xiàn)360°自動(dòng)巡檢，實(shí)時(shí)采集圖像視頻。后臺(tái)通過視頻監(jiān)控平臺(tái)獲取圖像視頻，并實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像分析，識(shí)別視頻流中的各類報(bào)警事件，第一時(shí)間觸發(fā)報(bào)警。區(qū)域負(fù)責(zé)人接到報(bào)警，確認(rèn)報(bào)警類型做出相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。事后可通過系統(tǒng)平臺(tái)的報(bào)警事件記錄，分析事件原因，方便總結(jié)分析，利于類似事件的杜絕防范。其組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)分析平臺(tái)直接與視頻監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接，從平臺(tái)上獲取實(shí)時(shí)視頻流，避免平臺(tái)的帶寬壓力和計(jì)算壓力。圖像識(shí)別算法通過部署在鐵塔中心服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像視頻實(shí)時(shí)事件檢測(cè)。事件的派發(fā)通過短信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，也可通過微信或者釘釘推送，支持同時(shí)推送一人或多人。區(qū)域責(zé)任人或巡查人員收到事件信息后，可判斷點(diǎn)位信息及報(bào)警情況，事件處理好后將結(jié)果反饋給平臺(tái)做記錄。平臺(tái)可以根據(jù)歷史記錄將事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其流程如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)流程

2 系統(tǒng)框架

高空瞭望視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架從下往上可分為采集層、分析層和應(yīng)用層。其中采集層包含監(jiān)控?cái)z像機(jī)、視頻采集平臺(tái)，分析層為圖像識(shí)別分析平臺(tái)，應(yīng)用層包含事件轉(zhuǎn)發(fā)、統(tǒng)計(jì)分析等功能，構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架

采集層是高空瞭望視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，包含負(fù)責(zé)圖像視頻采集的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、負(fù)責(zé)提供視頻流的視頻平臺(tái)。采集層的設(shè)備都是鐵塔已經(jīng)建好基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)備，不需要再額外投入資本。

分析層為圖像識(shí)別分析平臺(tái)，部署在云平臺(tái)提供的各個(gè)服務(wù)器上。該層將采集層獲取的視頻圖像進(jìn)行圖像處理，對(duì)視頻中出現(xiàn)的秸稈焚燒、森林火災(zāi)等事件進(jìn)行識(shí)別，并將結(jié)果上傳至應(yīng)用層。該層利用圖像處理和深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，保證高識(shí)別率、低誤報(bào)率。

應(yīng)用層由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和視頻智能分析平臺(tái)組成。該層除了能將事件通過短信、網(wǎng)絡(luò)等方式通知相關(guān)人員外，還將檢測(cè)到的違法事件儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析總結(jié)。用戶也可以通過該層的服務(wù)查詢、瀏覽歷史事件和處理反饋情況。

3 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由前端視頻監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算中心三大部分組成。前端視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝在運(yùn)營(yíng)商基站塔上的高倍監(jiān)控?cái)z像機(jī)，實(shí)現(xiàn)360°自動(dòng)巡檢，檢測(cè)1~2 km范圍內(nèi)的圖像視頻，實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像視頻采集[2]。傳輸網(wǎng)絡(luò)主要利用運(yùn)營(yíng)商基站專用網(wǎng)絡(luò)線路，確保告警、異常視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)傳輸至監(jiān)管平臺(tái)；前端采用高清攝像頭經(jīng)光纖傳輸至云計(jì)算中心，采用云計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)等設(shè)施，以及管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)布控區(qū)域監(jiān)測(cè)、智能告警、視頻錄像回放和歷史信息管理等功能。工作人員可通過監(jiān)控中心隨時(shí)隨地掌握監(jiān)控區(qū)域情況。系統(tǒng)主要提供以下功能。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控、視頻瀏覽。系統(tǒng)采用高倍高清攝像機(jī)，實(shí)時(shí)獲取監(jiān)控區(qū)域內(nèi)清晰的監(jiān)控圖像。依托分布廣泛的基站鐵塔搭建高清網(wǎng)絡(luò)球機(jī)攝像頭，接入視頻監(jiān)控平臺(tái)，通過大屏、電腦實(shí)現(xiàn)高清視頻瀏覽。

（2）視頻錄像存儲(chǔ)。系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)模式，將高清視頻保存在前端，便于事后預(yù)覽、取證和統(tǒng)計(jì)分析，存儲(chǔ)周期為30 d。

（3）智能分析系統(tǒng)。智能視頻分析算法部署在云計(jì)算服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)視頻的事件檢測(cè)分析，有效率達(dá)90%以上，系統(tǒng)支持自動(dòng)定時(shí)輪詢，輪詢時(shí)間可配置；視頻檢測(cè)程序通過視頻平臺(tái)獲取前端球機(jī)實(shí)時(shí)視頻，系統(tǒng)能夠針對(duì)農(nóng)田、樹林的秸稈焚燒和森林火災(zāi)等多發(fā)區(qū)高清監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行分析，當(dāng)畫面中出現(xiàn)相應(yīng)違法事件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。通過與視頻監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接獲取視頻流，設(shè)置不同的預(yù)置位，實(shí)現(xiàn)全天候、全角度檢測(cè)。

（4）平臺(tái)管理功能。平臺(tái)基于B/S系統(tǒng)，電腦或者手機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)即可訪問，客戶端做到零安裝、零維護(hù)。系統(tǒng)具有擴(kuò)展容易，維護(hù)和升級(jí)方式簡(jiǎn)單，成本降低等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)位基于鐵塔的經(jīng)緯度在GIS地圖上進(jìn)行展示，平臺(tái)自動(dòng)記錄智能分析報(bào)警違法行為的瀏覽、查詢、詳情、報(bào)警統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、權(quán)限管理、點(diǎn)位管理及檢測(cè)區(qū)域管理配置等。

（5）事件報(bào)警功能。當(dāng)管理平臺(tái)接收到智能分析報(bào)警事件后，管理平臺(tái)通過短信和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自動(dòng)將報(bào)警事件發(fā)送給相關(guān)人員，支持實(shí)現(xiàn)同一報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給多人。報(bào)警事件的內(nèi)容包括：發(fā)生的事件名稱、地點(diǎn)、事件詳情、導(dǎo)航及處理反饋頁(yè)面和視頻圖像等，方便相關(guān)人員及時(shí)抵達(dá)前端現(xiàn)場(chǎng)，做出應(yīng)急指揮，使事故或者違法行為降到最低。

4 圖像識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)

基于高空瞭望圖像識(shí)別系統(tǒng)具有機(jī)器視覺和人工智能2種算法，從物體特征、運(yùn)動(dòng)規(guī)則等方面出發(fā)，保證對(duì)秸稈焚燒、森林火災(zāi)等事件發(fā)現(xiàn)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)通過算法優(yōu)化、并行技術(shù)等手段，提高運(yùn)行效率、降低硬件成本，支持在云平臺(tái)上架設(shè)。其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)為火焰檢測(cè)和煙霧檢測(cè)，具體實(shí)現(xiàn)如下。

4.1 火焰檢測(cè)

基于高空瞭望圖像識(shí)別系統(tǒng)使用的火焰檢測(cè)技術(shù)有計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、人工智能等各方面的技術(shù)，能快速高效地自動(dòng)識(shí)別實(shí)時(shí)視頻中的火焰。火焰檢測(cè)的具體過程為：從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面分析火焰特征。在靜態(tài)特征方面，對(duì)比各種不同火焰模型，總結(jié)歸納出符合火焰特征的模型[3]；在動(dòng)態(tài)特征方面，利用PCA、方差、峰度和偏度分析火焰外圍的不穩(wěn)定特性，利用PCA、短時(shí)平均過零率相結(jié)合的方法分析火焰的閃動(dòng)頻率，利用圓度和相似度分析火焰形狀的不規(guī)則性[4]。結(jié)合靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征，設(shè)計(jì)了一套高空瞭望圖像識(shí)別系統(tǒng)的火焰檢測(cè)算法。在秸稈檢測(cè)場(chǎng)景中，對(duì)火焰檢測(cè)的要求是檢出率高、誤檢率低，算法只有同時(shí)滿足這2點(diǎn)才能夠符合應(yīng)用場(chǎng)景。否則，檢出率低將導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足“不著一把火、不冒一處煙、不污一條河”的建設(shè)目標(biāo)；誤檢率高將導(dǎo)致基層巡查人員和中心工作人員工作量加大，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生抵觸情緒，影響系統(tǒng)推廣。本文設(shè)計(jì)的火焰檢測(cè)算法參考了大量國(guó)際上前沿的相關(guān)學(xué)術(shù)論文，通過對(duì)這些算法的學(xué)習(xí)，結(jié)合項(xiàng)目中實(shí)際經(jīng)驗(yàn)研發(fā)出了適用于秸稈焚燒檢測(cè)的火焰檢測(cè)算法。經(jīng)檢驗(yàn)該煙火檢測(cè)系統(tǒng)火焰檢測(cè)算法在焚燒秸稈的典型場(chǎng)景下檢出率達(dá)到90%。

4.2 煙霧檢測(cè)

在煙霧檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景中煙霧檢測(cè)與火焰檢測(cè)同時(shí)檢測(cè)，能有效提升對(duì)于焚燒秸稈行為的檢測(cè)能力。煙霧檢測(cè)算法涉及到的技術(shù)如下：利用分塊和背景差分提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域，建立煙霧顏色模型和亮度模型，得到煙霧疑似區(qū)域；改進(jìn)Lucas-Kanade稀疏光流算法[5]，實(shí)現(xiàn)煙霧疑似區(qū)域多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤，從而獲取疑似區(qū)域的平均偏移量和相位分布[6]，這兩項(xiàng)指標(biāo)可以作為煙霧識(shí)別特征，從而實(shí)現(xiàn)適用于本文場(chǎng)景的煙霧檢測(cè)算法。

5 報(bào)警機(jī)制

系統(tǒng)采用短信通知為主、網(wǎng)絡(luò)通知為輔的報(bào)警機(jī)制，該種報(bào)警機(jī)制的特點(diǎn)如下。

（1）同時(shí)具備短信和網(wǎng)絡(luò)通知2種機(jī)制，避免負(fù)責(zé)人未連接網(wǎng)絡(luò)等原因?qū)е聼o法及時(shí)收到報(bào)警信息。

（2）報(bào)警短信只發(fā)送給該點(diǎn)位的相關(guān)責(zé)任人，同時(shí)支持發(fā)送給多人，減少了非必要信息干擾，提高了事件發(fā)生在縣界、鄉(xiāng)界和村界時(shí)的處理效率。

（3）有效地提升了事件的處置和反饋效率。責(zé)任人收到事件信息后，可以使用手機(jī)訪問平臺(tái)獲取事件詳細(xì)內(nèi)容，并導(dǎo)航至監(jiān)控點(diǎn)位；處理結(jié)束后，使用手機(jī)直接反饋處理結(jié)果。

系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)違法事件，具體的事件報(bào)警流程如圖4所示。

圖4 事件報(bào)警流程

系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)采集到的視頻圖像進(jìn)行煙火識(shí)別，系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)生火災(zāi)時(shí)，值班人員確定發(fā)生火災(zāi)，發(fā)送報(bào)警信息給相關(guān)人員，如果是系統(tǒng)誤報(bào)，則忽略本次報(bào)警。當(dāng)相關(guān)人員接收到事件報(bào)警信息時(shí)，瀏覽報(bào)警信息并導(dǎo)航至監(jiān)控點(diǎn)位處，現(xiàn)場(chǎng)處理好事件后，填寫處理結(jié)果并上傳至平臺(tái)。最后再次確認(rèn)無事件報(bào)警，結(jié)束此次的事件報(bào)警流程。

系統(tǒng)支持事件通知人工模式或自動(dòng)模式。人工模式是指當(dāng)發(fā)現(xiàn)違法事件后，需要值班人員在視頻智能分析平臺(tái)確認(rèn)事件的有效性之后才能發(fā)送；自動(dòng)模式是指當(dāng)發(fā)現(xiàn)違法事件后，視頻智能分析平臺(tái)直接將報(bào)警信息發(fā)送給相關(guān)責(zé)任人。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于高空瞭望圖像識(shí)別系統(tǒng)依托遍布城鄉(xiāng)的鐵塔公司通信基站，通過共享基站鐵塔上360°旋轉(zhuǎn)的高清球機(jī)，結(jié)合火焰檢測(cè)和煙霧檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)1~2 km范圍內(nèi)的秸稈燃燒、森林火災(zāi)等事件，當(dāng)發(fā)生事件時(shí)及時(shí)通知相關(guān)人員。經(jīng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能很好地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生，尤其是對(duì)焚燒秸稈的典型場(chǎng)景檢出率達(dá)到90%以上，同時(shí)大大減輕相關(guān)人員工作量，有效地阻止秸稈燃燒等違法事件，實(shí)現(xiàn)無人值守，大大提高工作效率和減少政府的資金投入。