基于無線通信和視頻監(jiān)控技術(shù)的移動目標(biāo)監(jiān)控GIS系統(tǒng)設(shè)計

曹建成，贠建明，金 鼎

（國家測繪地理信息局陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西西安710054）

一、引 言

視頻監(jiān)控是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，它能將監(jiān)控點采集的視頻流實時地傳輸給監(jiān)控中心，以便于監(jiān)控中心進行遠程監(jiān)控，并對突發(fā)事件及時指揮處置。因此，其以直觀、準(zhǔn)確、及時和信息內(nèi)容豐富的特點而被廣泛應(yīng)用于許多場合，特別是用于對重要區(qū)域或遠程地點的監(jiān)視和控制。近年來，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)，以及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)有了長足的發(fā)展，其在電力系統(tǒng)、電信機房、工廠、城市交通、水利系統(tǒng)、小區(qū)治安等領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1］。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術(shù)是基于有線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，其特點是速度快、帶寬寬、無輻射，但這種技術(shù)也存在著明顯的缺點:① 布點受限制，一般都要選擇靠近有線接入點的地方，限制了布點的靈活性;②布點工程量大，需要提前鋪設(shè)網(wǎng)線和光纖，由于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的工程量往往會很大，因此一般有線監(jiān)控比較適用于已存在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的場合;③ 工程周期長，鋪設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)耗時耗力;④欠缺靈活性，擴展和調(diào)整不方便，會增加工程量和不必要的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè);⑤ 缺乏移動性，這是有線網(wǎng)絡(luò)的先天缺陷［2］。

在某些特殊行業(yè)和特殊工種，由于受環(huán)境和條件限制，無法布設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，如在安全、保衛(wèi)部門對違法犯罪嫌疑人進行現(xiàn)場跟蹤、核污染環(huán)境的事態(tài)處置等情況下，往往需要跟蹤人員、身著特種裝備的技術(shù)人員或機器人等將現(xiàn)場視頻傳回指揮或監(jiān)控中心，便于領(lǐng)導(dǎo)和專家根據(jù)現(xiàn)場情況及時作出決策，而這種狀況在有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下是難以解決的。為了解決有線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控存在的問題，具備施工簡便、成本低等優(yōu)勢的無線視頻監(jiān)控應(yīng)運而生［3］，從而使視頻監(jiān)控徹底擺脫了因有線而帶來的種種限制。伴隨著我國3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的開始，以及COFDM、WiFi等技術(shù)的飛速發(fā)展和衛(wèi)星的民用化，無線視頻監(jiān)控相關(guān)技術(shù)如終端技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、傳輸技術(shù)等取得了持續(xù)進步，誤碼率、切換效率、時延、帶寬穩(wěn)定性等方面也得到了進一步優(yōu)化，無線視頻監(jiān)控進入飛速發(fā)展的時代［2］。

傳統(tǒng)的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是將視頻、音頻等數(shù)據(jù)信息通過無線通信平臺上傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，無法對移動終端進行精確定位，實時跟蹤更是無從談起［4］。隨著GIS的廣泛應(yīng)用，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，既可以發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時圖像可視化的優(yōu)勢，又可以讓管理人員全面了解視頻監(jiān)控對象的空間分布狀況［5］。與傳統(tǒng)的單純獲取監(jiān)控目標(biāo)的實時音、視頻信息的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，集成了空間位置信息的視頻監(jiān)控系統(tǒng)將在增強用戶空間位置意識、輔助用戶應(yīng)急決策等方面發(fā)揮更大的作用［6］。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.總體思路

本系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是為了實現(xiàn)安保等部門對事件現(xiàn)場的隱秘跟蹤和后方指揮，由偵察人員攜帶便攜式視頻監(jiān)控設(shè)備和空間定位設(shè)備，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將事件現(xiàn)場視頻和空間位置實時傳回后方指揮中心，便于指揮中心決策者及時了解現(xiàn)場實時情況并作出決策。因此，在現(xiàn)場需要兩種設(shè)備:視頻監(jiān)控設(shè)備和空間定位設(shè)備。由于工作性質(zhì)的特殊性，所需要的視頻監(jiān)控設(shè)備和空間定位設(shè)備必須做到最小，以便于攜帶和隱藏。

對于現(xiàn)場空間定位，現(xiàn)在主流的空間定位技術(shù)主要采用GPS定位技術(shù)，GPS定位信號的回傳可以采用GPRS方式。由于GPS的大量民用化，GPS芯片已經(jīng)可以設(shè)計得很小，而移動運營商的SIM卡也只有小硬幣大小，因此可將這兩種設(shè)備進行集成，組裝成一個新的空間定位及信息回傳的移動通信終端硬件設(shè)備，最小可以做到跟手表一樣大小。通過這種設(shè)備可以定時將GPS信號通過GPRS傳回后端指揮中心的定位服務(wù)器，并實現(xiàn)語音通話功能。

對于現(xiàn)場視頻監(jiān)控，也可以采用移動運營商的GPRS或3G技術(shù)實現(xiàn)。但由于視頻信息數(shù)據(jù)量大，無論是GPRS還是3G都還存在延時問題，因此本系統(tǒng)采用最新的4G技術(shù)，將現(xiàn)場視頻實時傳回后端指揮中心視頻監(jiān)控服務(wù)器。

在后端指揮中心，通過唯一編碼將同一移動目標(biāo)所攜帶的移動通信終端和視頻監(jiān)控終端進行綁定，并在指揮大廳電子地圖上實現(xiàn)移動目標(biāo)的實時空間定位，同時將該移動目標(biāo)的實時視頻監(jiān)控信息以流媒體形式進行播放，使后端指揮人員既了解移動目標(biāo)的空間位置，又了解該位置處的現(xiàn)場視頻。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2.功能設(shè)計

本系統(tǒng)在功能上共設(shè)計7個模塊，分別實現(xiàn)從基本GIS地圖操作、最優(yōu)路徑分析到實時監(jiān)控、語音調(diào)度等一系列功能，并能覆蓋移動無線視頻監(jiān)控工作的各個方面，其系統(tǒng)功能設(shè)計如圖2所示。

1)地圖操作。實現(xiàn)矢量地圖、影像地圖、三維地圖等地理底圖的在線切換、政區(qū)導(dǎo)航、地址檢索、快速定位等。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計框圖

2)導(dǎo)航分析。對移動目標(biāo)在執(zhí)行任務(wù)過程中目標(biāo)活動區(qū)域等進行導(dǎo)航定位分析(如到達分析、路徑分析)等，用于指揮中心對警力等優(yōu)化部署的輔助決策。

3)實時監(jiān)控。實時將當(dāng)前移動目標(biāo)所在的地理位置顯示在指揮中心GIS系統(tǒng)的地圖上，并且可以根據(jù)人員編號、手機號碼等快速定位其他移動目標(biāo)。

4)軌跡錄制。錄制當(dāng)天移動目標(biāo)執(zhí)行任務(wù)的行程，實現(xiàn)對移動目標(biāo)活動位置的完整跟蹤。該功能將記錄移動目標(biāo)行動過程中關(guān)鍵點的位置、現(xiàn)場資料(文字、圖片、視頻)等。

5)視頻錄制。錄制當(dāng)天移動目標(biāo)執(zhí)行任務(wù)過程中對各類現(xiàn)場狀況的視頻監(jiān)控和錄制。該功能將記錄移動目標(biāo)在現(xiàn)場看到和聽到的所有信息，并實時地傳回指揮中心GIS系統(tǒng)，使得決策人員在指揮中心實現(xiàn)身臨其境的現(xiàn)場指揮。

6)軌跡回放。對移動目標(biāo)歷史行程進行回放，實現(xiàn)移動目標(biāo)位置、現(xiàn)場視頻和電子地圖三者歷史數(shù)據(jù)的在線聯(lián)動回放，再現(xiàn)現(xiàn)場實況，可用于案情研判及案例綜合分析等。

7)語音調(diào)度。支持后端指揮人員基于視頻錄制模塊傳回的視頻影像及軌跡錄制模塊傳回的軌跡信息通過無線通信系統(tǒng)進行遠程指揮，對現(xiàn)場移動目標(biāo)的活動給出指示，同時支持現(xiàn)場移動目標(biāo)與指揮中心決策者的其他語音互動。

3.邏輯設(shè)計

（1）系統(tǒng)運行邏輯設(shè)計

系統(tǒng)啟動初始化完成之后，首先載入在線移動目標(biāo)列表，列表中的每個在線移動目標(biāo)都預(yù)先分配好了GPS設(shè)備和視頻裝置，并在系統(tǒng)中作相應(yīng)的配置。系統(tǒng)將根據(jù)移動目標(biāo)的基本信息，分別獲取移動目標(biāo)身上的GPS信號和視頻信號，并經(jīng)過加密的便攜4G通信終端傳輸?shù)揭苿幽繕?biāo)監(jiān)控系統(tǒng)終端平臺。終端平臺分別處理每個移動目標(biāo)自行發(fā)送的GPS信號和視頻信號，同時為了更加直觀形象地表現(xiàn)移動目標(biāo)所處的地理位置，按照格拉布斯準(zhǔn)則對GPS坐標(biāo)進行粗差剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后顯示在地圖上［7］，并將獲取到的視頻在電子地圖上實時繪制，同時記錄移動目標(biāo)的歷史軌跡、執(zhí)行后臺視頻錄制，對其實施可視化實時監(jiān)控。系統(tǒng)一個運行周期可完成從系統(tǒng)初始化、啟動監(jiān)控、地圖展現(xiàn)、視頻播放到軌跡回放的一整套移動目標(biāo)監(jiān)控流程。整個監(jiān)控系統(tǒng)運行邏輯流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行邏輯流程圖

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)多目標(biāo)視頻監(jiān)控，因此會存在多個移動目標(biāo)的空間信息和視頻信息實時回傳、存儲、回放等，特別是視頻信息數(shù)據(jù)量巨大，如果不能合理地組織和管理空間信息和視頻信息，會對系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性和實用性造成很大的影響。系統(tǒng)采用Oracle 11g作為存儲和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的后臺數(shù)據(jù)庫，組織并建立了人員信息表、GPS設(shè)備信息表、軌跡信息表、軌跡點記錄表、GPS信息實時表、視頻錄制記錄表及視頻存放文件夾。通過Oracle強大的數(shù)據(jù)庫管理功能，滿足后臺數(shù)據(jù)庫負荷平衡及存儲大量空間數(shù)據(jù)的需求。系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1)人員信息表。用于存儲記錄移動目標(biāo)的基本信息，包括人員ID、姓名、性別、身份證、GPS設(shè)備ID、視頻設(shè)備ID等。在人員信息表中同時也記錄了附掛在移動目標(biāo)身上的GPS設(shè)備和視頻設(shè)備ID信息。

2)GPS設(shè)備信息表。記錄了GPS設(shè)備的基本信息，包括GPS設(shè)備唯一碼、型號、廠家、采購時間等，并與人員信息進行了關(guān)聯(lián)。

3)視頻設(shè)備信息表。記錄了視頻設(shè)備的基本信息，包括視頻設(shè)備碼、視頻IP、設(shè)備名稱、型號、廠家、采購時間等，并與人員信息進行了關(guān)聯(lián)。

4)軌跡信息表。存儲移動目標(biāo)錄制軌跡的基本信息，包括人員ID、軌跡ID、軌跡名稱、起始時間、終止時間、備注等。

5)軌跡點記錄表。記錄了移動目標(biāo)的歷史軌跡信息，可用于移動目標(biāo)軌跡回放。

6)GPS信息實時表。系統(tǒng)實時從GPS設(shè)備中獲取到GPS實時定位記錄，為了更有效地記錄來自不同GPS設(shè)備的GPS信息，將系統(tǒng)獲取的GPS信息存儲在GPS實時表中，系統(tǒng)始終更新實時表中相對應(yīng)的GPS設(shè)備信息的記錄，以保證GPS信息的時效性。

7)視頻錄制記錄表。記錄了已錄制視頻的基本信息，如視頻名稱、錄制起止時間、視頻存放路徑等。

8)視頻存放文件夾。該文件夾用于存儲已錄制的視頻文件，在視頻錄制記錄表中記錄了該視頻文件的存放路徑。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

整個系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，符合基于SOA的多層體系架構(gòu)的思想。監(jiān)控系統(tǒng)后臺基于ArcGIS Server 9.3.1及Oracle 11g設(shè)計開發(fā)，以完成整個系統(tǒng)的運行維護工作，并實現(xiàn)對移動通信設(shè)備、移動視頻設(shè)備與單兵偵察人員信息的預(yù)置和配置修改，主要供系統(tǒng)管理人員使用。監(jiān)控系統(tǒng)前臺基于Mircosoft Visual Studio 2010+Silverlight4+ArcGIS API For Silverlight的開發(fā)環(huán)境開發(fā)實現(xiàn)，地圖資源采用“天地圖”在線地圖服務(wù)，并借助Silverlight強大的富客戶端表現(xiàn)能力及ArcGIS API For Silverlight的地圖表現(xiàn)能力，在瀏覽器端實現(xiàn)了地圖操作、軌跡繪制、視頻播放、導(dǎo)航分析等核心功能，具備較好的使用體驗，主要供指揮中心決策人員使用。監(jiān)控系統(tǒng)移動端通過硬件集成實現(xiàn)了隱蔽攝像頭、GPS定位設(shè)備、4G通信終端的一體化，并集成便攜電源以保證長時間待機工作，主要供單兵偵查人員外出攜帶。系統(tǒng)運行界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行界面

四、結(jié)束語

基于本文所提出的方案，采用小型化、便攜式的視頻設(shè)備、GPS設(shè)備，并結(jié)合最新的無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了前線遠程視頻監(jiān)控與后端信號空間定位、實時視頻展示的結(jié)合，較好地為刑偵、安保等特殊工作所需要的現(xiàn)場監(jiān)控與后端指揮提供了解決辦法。在一些分布范圍廣、需要進行不定期進行移動巡查的行業(yè)和企業(yè)，如石油管道的巡檢、森林防火巡查、電力線路巡查等，也可采用本方案實現(xiàn)巡查現(xiàn)場的定位與實時視頻監(jiān)控，對現(xiàn)場故障定位、后方會商決策提供技術(shù)支撐，因此具有較大的推廣價值。隨著設(shè)備制造、加工工藝的不斷改進，本方案中的設(shè)備還可以進一步集成與小型化，也可以進一步選擇、優(yōu)化同時實現(xiàn)視頻信息、通信信息的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足其他一些特定行業(yè)的應(yīng)用需求。

［1］ 百度百科.視頻監(jiān)控［EB/OL］.［2012-02-01］.http:∥baike.baidu.com/view/1242856.htm.

［2］ 百度百科.移動視頻監(jiān)控 ［EB/OL］.［2012-02-01］.http:∥baike.baidu.com/view/2076619.htm.

［3］ 北京節(jié)點通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司.森林防火無線視頻監(jiān)控系統(tǒng) ［EB/OL］.［202-02-01］.http:∥www.nodes.com.cn/wlan/solu_2008_senlin.asp.

［4］ 周輝，葉樺，仰燕蘭.基于WebGIS與車載移動視頻的智能車輛監(jiān)控系統(tǒng)［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，40(S1):192-197.

［5］ 秦凱，許慧鵬.基于 GIS的遠程移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 地理空間信息，2008，6(1):87-89.

［6］ 黃丙湖，韓李濤，孫根云，等.三維GIS與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的集成與應(yīng)用研究［J］.測繪通報，2011(1):49-51.

［7］ 江鹢，賀弢，明庭輝，等.基于GPS、GIS和移動通訊技術(shù)的國土資源移動巡查系統(tǒng)總體設(shè)計［J］.測繪通報，2010(6):65-68.