基于高空瞭望圖像識別的智能識別檢測與報警系統(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有發(fā)生，對森林防火和環(huán)境保護都帶來較大挑戰(zhàn)。各級政府對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，不間斷在農(nóng)田附近巡查，確保沒有秸稈燃燒等違法事件。同時利用各種宣傳手段，營造秸稈禁燒氛圍，提高全社會秸稈禁燒意識。人力方面確實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)小組和巡邏隊需要消耗大量的人力物力，宣傳工作長時間持續(xù)進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)的人工實時查看視頻來發(fā)現(xiàn)是否有燃燒秸稈行為或者森林火災(zāi)。這種檢測方式效率和工作強度極大，無法滿足用戶需求，且缺少自動報警的方案；利用衛(wèi)星遙感技術(shù)探測秸稈焚燒引起的地面熱異?；瘘c，成本較高，巡檢周期長，秸稈焚燒面積大才能發(fā)現(xiàn)，未能得到大面積推廣?，F(xiàn)階段各級政府的監(jiān)管職能部門對于農(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，存在檢測耗時費力、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)控攝像機及配套設(shè)施，實現(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)能實現(xiàn)大范圍遠距離監(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別技術(shù)，對1~2 km范圍內(nèi)樹林、農(nóng)田進行檢測，發(fā)現(xiàn)煙火等事件立即報警，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)控通過安裝在運營商基站塔上的攝像頭，對1~2 km范圍實現(xiàn)360°自動巡檢，實時采集圖像視頻。后臺通過視頻監(jiān)控平臺獲取圖像視頻，并實時進行圖像分析，識別視頻流中的各類報警事件，第一時間觸發(fā)報警。區(qū)域負責(zé)人接到報警，確認報警類型做出相應(yīng)應(yīng)對措施。事后可通過系統(tǒng)平臺的報警事件記錄，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)拓撲如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)分析平臺直接與視頻監(jiān)控平臺對接，從平臺上獲取實時視頻流，避免平臺的帶寬壓力和計算壓力。圖像識別算法通過部署在鐵塔中心服務(wù)器端實現(xiàn)對圖像視頻實時事件檢測。事件的派發(fā)通過短信網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，也可通過微信或者釘釘推送，支持同時推送一人或多人。區(qū)域責(zé)任人或巡查人員收到事件信息后，可判斷點位信息及報警情況，事件處理好后將結(jié)果反饋給平臺做記錄。平臺可以根據(jù)歷史記錄將事件進行統(tǒng)計分析。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)控攝像機、視頻采集平臺，分析層為圖像識別分析平臺，應(yīng)用層包含事件轉(zhuǎn)發(fā)、統(tǒng)計分析等功能，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)運行的基礎(chǔ)條件，包含負責(zé)圖像視頻采集的監(jiān)控攝像機、負責(zé)提供視頻流的視頻平臺。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。

分析層為圖像識別分析平臺，部署在云平臺提供的各個服務(wù)器上。該層將采集層獲取的視頻圖像進行圖像處理，對視頻中出現(xiàn)的秸稈焚燒、森林火災(zāi)等事件進行識別，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)等先進技術(shù)，保證高識別率、低誤報率。

應(yīng)用層由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和視頻智能分析平臺組成。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，還將檢測到的違法事件儲存至數(shù)據(jù)庫進行分析總結(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)通過安裝在運營商基站塔上的高倍監(jiān)控攝像機，實現(xiàn)360°自動巡檢，檢測1~2 km范圍內(nèi)的圖像視頻，實時進行圖像視頻采集[2]。傳輸網(wǎng)絡(luò)主要利用運營商基站專用網(wǎng)絡(luò)線路，確保告警、異常視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)準確、及時傳輸至監(jiān)管平臺；前端采用高清攝像頭經(jīng)光纖傳輸至云計算中心，采用云計算服務(wù)器、存儲等設(shè)施，以及管理平臺，實現(xiàn)布控區(qū)域監(jiān)測、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）實時監(jiān)控、視頻瀏覽。系統(tǒng)采用高倍高清攝像機，實時獲取監(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)球機攝像頭，接入視頻監(jiān)控平臺，通過大屏、電腦實現(xiàn)高清視頻瀏覽。

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

（3）智能分析系統(tǒng)。智能視頻分析算法部署在云計算服務(wù)器上，實現(xiàn)對實時視頻的事件檢測分析，有效率達90%以上，系統(tǒng)支持自動定時輪詢，輪詢時間可配置；視頻檢測程序通過視頻平臺獲取前端球機實時視頻，系統(tǒng)能夠針對農(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)控點的實時視頻進行分析，當畫面中出現(xiàn)相應(yīng)違法事件時，系統(tǒng)自動觸發(fā)報警。通過與視頻監(jiān)控平臺對接獲取視頻流，設(shè)置不同的預(yù)置位，實現(xiàn)全天候、全角度檢測。

（4）平臺管理功能。平臺基于B/S系統(tǒng)，電腦或者手機利用網(wǎng)絡(luò)即可訪問，客戶端做到零安裝、零維護。系統(tǒng)具有擴展容易，維護和升級方式簡單，成本降低等優(yōu)點。每個點位基于鐵塔的經(jīng)緯度在GIS地圖上進行展示，平臺自動記錄智能分析報警違法行為的瀏覽、查詢、詳情、報警統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲、權(quán)限管理、點位管理及檢測區(qū)域管理配置等。

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

4 圖像識別關(guān)鍵技術(shù)

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

4.1 火焰檢測

基于高空瞭望圖像識別系統(tǒng)使用的火焰檢測技術(shù)有計算機視覺、模式識別、人工智能等各方面的技術(shù)，能快速高效地自動識別實時視頻中的火焰?；鹧鏅z測的具體過程為：從靜態(tài)和動態(tài)兩方面分析火焰特征。在靜態(tài)特征方面，對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、短時平均過零率相結(jié)合的方法分析火焰的閃動頻率，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)特征和動態(tài)特征，設(shè)計了一套高空瞭望圖像識別系統(tǒng)的火焰檢測算法。在秸稈檢測場景中，對火焰檢測的要求是檢出率高、誤檢率低，算法只有同時滿足這2點才能夠符合應(yīng)用場景。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；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，對系統(tǒng)產(chǎn)生抵觸情緒，影響系統(tǒng)推廣。本文設(shè)計的火焰檢測算法參考了大量國際上前沿的相關(guān)學(xué)術(shù)論文，通過對這些算法的學(xué)習(xí)，結(jié)合項目中實際經(jīng)驗研發(fā)出了適用于秸稈焚燒檢測的火焰檢測算法。經(jīng)檢驗該煙火檢測系統(tǒng)火焰檢測算法在焚燒秸稈的典型場景下檢出率達到90%。

4.2 煙霧檢測

在煙霧檢測的應(yīng)用場景中煙霧檢測與火焰檢測同時檢測，能有效提升對于焚燒秸稈行為的檢測能力。煙霧檢測算法涉及到的技術(shù)如下：利用分塊和背景差分提取運動區(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Lucas-Kanade稀疏光流算法[5]，實現(xiàn)煙霧疑似區(qū)域多目標自動跟蹤，從而獲取疑似區(qū)域的平均偏移量和相位分布[6]，這兩項指標可以作為煙霧識別特征，從而實現(xiàn)適用于本文場景的煙霧檢測算法。

5 報警機制

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

（1）同時具備短信和網(wǎng)絡(luò)通知2種機制，避免負責(zé)人未連接網(wǎng)絡(luò)等原因?qū)е聼o法及時收到報警信息。

（2）報警短信只發(fā)送給該點位的相關(guān)責(zé)任人，同時支持發(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，可以使用手機訪問平臺獲取事件詳細內(nèi)容，并導(dǎo)航至監(jiān)控點位；處理結(jié)束后，使用手機直接反饋處理結(jié)果。

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

圖4 事件報警流程

系統(tǒng)實時對采集到的視頻圖像進行煙火識別，系統(tǒng)檢測到發(fā)生火災(zāi)時，值班人員確定發(fā)生火災(zāi)，發(fā)送報警信息給相關(guān)人員，如果是系統(tǒng)誤報，則忽略本次報警。當相關(guān)人員接收到事件報警信息時，瀏覽報警信息并導(dǎo)航至監(jiān)控點位處，現(xiàn)場處理好事件后，填寫處理結(jié)果并上傳至平臺。最后再次確認無事件報警，結(jié)束此次的事件報警流程。

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

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于高空瞭望圖像識別系統(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，結(jié)合火焰檢測和煙霧檢測等關(guān)鍵技術(shù)，能實現(xiàn)實時檢測1~2 km范圍內(nèi)的秸稈燃燒、森林火災(zāi)等事件，當發(fā)生事件時及時通知相關(guān)人員。經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)能很好地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生，尤其是對焚燒秸稈的典型場景檢出率達到90%以上，同時大大減輕相關(guān)人員工作量，有效地阻止秸稈燃燒等違法事件，實現(xiàn)無人值守，大大提高工作效率和減少政府的資金投入。