视频监控与智能分析在环保系统中的应用

韩阳

由于大部份污染物的排放具有间歇性，加之本身视频监控点位多，数据量大给环保工作人员造成很大的工作负担，通常在执法与取证时需要从海量的视频监控数据中选取某个特定时间节点的视频监控图像，同时不俱备图像自动抓拍功能。因此在环保监控与执法方面一般存在取证难，执法难等问题。

我国环保监测系统产生背景

改革开放以来，随着人口的增长，工农业生产和城镇建设的迅速发展，我们赖以生存的环境也因不断的资源开发、工农业生产等，造成了水污染、空气污染、固体废弃物污染、和外来物种入侵等的环境和生态问题。环境突发事件呈逐年不断上升的趋势。如何在保持经济高速发展的同时，从源头减少污染物和气体排放，积极推动经济和环境的可持续发展，保护好人类的生存环境已成为一个十分急迫的问题。中国政府高度重视环境问题，环保部门为了更好的从源头治理环境污染问题明确要求对国家重点监控的污染源和治理设施实行自动在线监控。

基于上述背景，各种各样的环保监测系统应运而生，并得到了广泛部署和应用。

监控系统的功能现状与目前环保系统需求

早期环境监控系统的组成及功能

早期环境监控系统的组成

早期环境监控系统网络层次从底层逐级向上可分为现场层、网络传输层和中心监控层三个层次。

现场层包括数据采集传输仪和各种监测、采样设备。完成数据采集、存储、发送及命令接收等方面的功能。

网络传输层指用于实现数据传输的网络实体，包括有线和无线两种方式。

中心监控层即监控中心监控平台。它通过网络传输层和现场层相互通讯，交换数据、指令下达，以实现对现场层的集中远程监控。

早期环境监控系统的基本功能

污染源排放在线监测：烟尘（烟尘、SO2、NOx）、污水（COD、流量、TOC、总磷、氨氮）、污染源噪声；

环境质量在线监测：空气质量、地表水、环境噪声；

治污设备运行状态监测：现场仪表运行状态、治污设备启停状态。

早期环境监控系统的发展瓶颈

早期绝大部分环保监测系统仅仅实现了数据监测功能，比如实时采集和监测排污点的二氧化硫和化学需氧量排放量，而没有实现图像监控功能，不能直观的看到排污点实际图像，对污染的实际状况掌握不够充分。

目前在建设环保监控系统的时候，有的系统集成商加上了视频监控功能，但通常是基于本地化的监控应用，各个监控点独立组建监控体系。虽然也可以通过网络连接，实现简单的调阅图像功能，但是由于缺乏统一的规划和设计，对于如何根据环境监控业务特点更加方便灵活的调阅图像、数据及出现突发环境事件的应急指挥还缺乏足够的思考，造成了环境监控工作的被动。每当环境污染事件发生时，录像画面只能勉强呈现污染现场的轮廓，污染细节却模糊不清，也根本起不到提供现场证明、线索的关键作用。制约了环保监控系统对染污源监测管控的整体效果。

环保监控市场的新需求

为了更好应对环境污染问题，现在的环保系统，除视、音频监控外，已越来越呈现出污染源监控图像与数据的同步显示、智能化分析、数据异常告警联动、突发环保事件的可视化预案处置、应急指挥调度等一系列应用趋势。在环保视频监控中融入智能分析与预警、预测成为目前各环境视频监控所必须具备的功能。

监控视频分析技术在环保系统中的应用

目前环保监测系统和视频监控系统的结合，使环保监测处于“看得到的阶段”，“看得到”即环境监控人员通过远程传送过来的视频监控图像采用人眼监控的方案观测污染源实时排放图像。由于大部份污染物的排放具有间歇性，加之本身视频监控点位多，数据量大给环保工作人员造成很大的工作负担，通常在执法与取证时需要从海量的视频监控数据中选取某个特定时间节点的视频监控图像，同时不具备图像自动抓拍功能。因此在环保监控与执法方面一般存在取证难，执法难的问题。

针对环保监控系统市场的实际需求，结合中国安芯公司先进的技术平台及应用，笔者提出了一套将中国安芯公司的iVAS智能视频分析系统与现有环保监控系统结合并在环保系统中应用的方案。

iVAS智能视频分析系统介绍

智能视频分析技术是在不改变原有视频监控结构的基础上，对视频画面中不同的目标和行为作出准确的识别和判断，对异常事件快速作出响应，及时提示监控人员。中国安芯的iVAS智能分析系统可提供物体移动检测、移动物体检测、物体滞留检测、定向移动检测、徘徊检测、活动检测、密度检测、速度检测、智能防尾随、客流量统计及车流量统计等多种报警规则设置，以便于不同场景的应用。且能做到通过后端服务器中的智能分析模块按照预先设定规则对所监控的画面进行不间断全天候监控，通过运行高级智能算法大幅提高报警精确度与响应速度，并可有效利用和扩展视频资源的用途。

（1）、物体移动监测（VMD）

使用此规则可在视频画面上用鼠标直接画出需要监控的警戒区域，并且定义需要监控的闯入物体的大小，如车辆大小、人的大小等，避免因小动物或其他不同大小物体闯入警戒区而产生误报。当有符合条件的目标闯入警戒区域时，视频分析立刻报警，框出目标并描绘目标的运动轨迹。

（2）、物体滞留监测

使用此规则可在视频画面上用鼠标直接画出需要监控的警戒区域，并根据不同环境定义需要监控的滞留物大小（如包裹、手提箱，或车辆等）和滞留时间的长短。当有符合预定义大小的滞留物被弃置在警戒区内超过预定时间时，系统能够立刻识别并发出报警信息，将滞留物框住以提醒监控人员。

（3）、突然出现监测

使用此规则，可在视频画面上为通道口、楼梯口或库房内等需要高度戒备的区域划定需要监控的警戒区域。当有人员或物体突然出现在警戒区域内，系统能立即报警，并将该人员或物体的轮廓显示出来。

（4）、定向移动监测

使用该规则，可在视频画面上的划定需要监控的警戒区域，定义需要监控的进入物体的大小和需要监测的特定进入方向。当有人员或车辆从所定义的特定方向进入警戒区域时，系统能立即报警，并将该人员的运动轨迹显示出来。有人员或车辆从其他未指定方向进入该区域时，系统不做出反应。

（5）、物体启动监测

使用此规则，可在视频画面上划定需要监控的警戒区域。当警戒区域内的某个物品被取走或场地内某车辆离开后，系统能立即识别并将该移动物品或车辆的原始位置以轮廓的方式显示。

（6）、移走物体监测

使用此规则，可在视频画面上用鼠标将被监控物体划定为需要监控的目标。当目标物体被取走、移动后，系统立即识别并发出报警，将被移走物体原始的位置以轮廓方式显示。

（7）、移动路径监测

使用此规则，可在视频画面上划定需要监控的两个警戒区域A和B，定义需要监控的闯入物体的大小，避免因小动物闯入警戒区域而产生误报。当有人员从警戒区域A进入B（或B进入A，或双向）时，系统能立即报警，并将目标的运动轨迹显示出来。

（8）、徘徊监测

使用该规则，可在视频画面预先划定需要监控的警戒区域，定义需要监控的物体的大小（如人体的大小）和禁止徘徊的时间长短（如5分钟）。当有人员在警戒区域内徘徊超过定义的时间后，系统立即报警，并将该人员的运动轨迹显示出来。

（9）、速度监测

使用该规则，可在视频画面上预先划定需要监控的两个警戒区域A和B，并定义通过两区域的时间值和需要监控的闯入物体的大小（如人体的大小），当有目标从警戒区域A进入B所用时间少于设定时间时，触发超速警报(或多于设定时间，触发低速警报)，系统能立即报警，并将该目标的运动轨迹显示出来。

（10）、密度监测

使用该规则，可在视频画面上预先划定需要监控的警戒区域，并设定超过或低于密度百分比值和持续时间，当图像上有物体覆盖，遮挡，变化的面积超过或低于设定百分比，并持续保持设定的时间值后，系统能立即报警，变化百分比实时显示。

（11）、活动监测

使用该规则，可在视频画面上划定需要监控的警戒区域，并设定超过或低于区域百分比值和持续时间，当图像上有持续运动或变化物体的面积超过或低于设定百分比，并保持设定的时间值后，系统能立即报警，变化百分比实时显示。

系统设计方案

自2006年开始我国开始建设环境在线监测系统，至2012年底止，我国环境在线监测系统以完成90%以上的市级环境保护单位完成系统建设。由于各地对环境监测系统的监测要求不同，各地建设标准也各不相同，加之自2006年至今，视频监控技术已经从传统的模拟视频监控跨入数字高清视频监控时代。由于历史原因，监控厂商所使用的协议各不相同，而且各地视频监控系统几乎都是分期建设。

环保视频监控正在向统一平台多系统接入，智能分析的方向发展，中国安芯研发的智能分析预警预测平台可实现不同系统，不同硬件，不同协议的监控设备综合接入提供了一个统一，完整的平台和解决方案。

图1：系统拓扑图

该系统易于与DVR（硬盘录像机）、NVR（网络视频录像机）、VMS（视频管理系统）等设备或系统集成，无缝赋予任何新的或现有监控系统以强大的视频检测能力。智能视频分析系统采用先进的行为跟踪技术来进行实时视频监测，能将现有监测设备的视频数据转换为实时信息，一旦预设的报警规则被触发，就发出报警信息。

系统可解决问题

（1）、水质远端监控

系统可随时对水质、水位进行远端实时监控，发现情况异常立即报警；当水库，大坝水面出现各类漂浮物（垃圾），漂流物（原油）时，智能视频分析视频画面立即报警，并联动水质在线监测设备进行水样的抽取，检测。

系统还可对整个水域范围进行整体布防。可有效防止非法人员进入水域保护区；能极大地减轻监控人员的工作强度和监控投入。

（2）、水位远端监控

图2：黑度分析

由于水源保护区一般都位于人口较为稀少的地带，水位的高低可及时反应出当地在某个特定时间段内人们的用水情况，为环保部门调度和用水控制提供决策和依据。也为防旱防汛方案的制定提供参考。该系统可根据当时实际情况及时标定水位情况，当水位高于或低于某一标定值时即发出报警，提醒相关工作人员采取相应措施。

（3）、黑度分析

图3：水质远端监控

传统黑度监测需要工作人员到现场、每个人同一时间只能监测一支烟囱；而中国安芯黑度分析系统坐在办公室里即可，可以同时监测多支烟囱，全天候监测，提高了黑度值的准确度及精度。传统黑度值为人为判断，误差较大，黑度分析采用计算机软件，黑度值科学、准确、精度高。为环保执法、征费保留事实依据，该系统黑度分析可以实现拍照、录像，数据存储，保留事实依据。系统实现与污染源在线监测系统及环保综合业务系统的无缝对接，彻底实现烟气黑度监测信息化。支持当前流行的网络视频流，很好的解决了视频监控点和监控点之间，监控点和监控中心之间的空间距离问题，大大的节约了客户的项目成本，受客观条件影响小，适应性强，可广泛应用于冶炼、石油化工等高污染行业。

针对烟气排放口烟气排放情况实时录像与拍照，与黑度析软件相结合为环境监控与执法部门提供依据。

（4）、化工企业污水处理系统监控

智能分析系统通过对化学工厂污水处理设备视频、音频以及数据的获取和分析，判别设备工作是否正常，如出现污染物超标等异常情况，则会自动进行报警，提示环境监测和管理部门注意并及时进行处理，遏制重大污染事件的发生。系统可以很好地掌握到企业污染设备有无正常运转、有无偷排现象，也便于实时在线监测相关数据。

（5）、高空视频监控

在环境监测的中心区域或主要地点安装摄像机，视频服务器连接上摄像机，并将前端站点采集来的视频经过压缩编码通过TCP/IP网络直接传输至监控中心的中心服务器上，监控人员可以直接用PC机登陆中心服务器，实时观看前端视频。

摄像机采用高倍变焦的镜头，光学变焦有效距离能清楚看到3Km之外的场景，配合高清晰彩色摄像机，适合对区域大面积监控，视频接入网络视频服务器，传输到监控中心。

（6）、防固体废弃物生活垃圾胡乱倾倒监控

在工厂集中区和生活区集中区附近容易被倾倾倒固体废弃物和垃圾的地点设置监控点。利用安芯数字智能分析系统的物体滞留检测、移动路径检测等分析规则，当出现乱倒垃圾现象及时报警，保留违法证据，并可联动执法机关信息平台，显示违法地点。

（7）、外来物种入侵监控

外来生物入侵，是对于一个特定的生态系统与栖息环境来说，非本地的生物（包括植物、动物和微生物）通过各种方式进入此生态系统，并对生态系统、栖境、物种、人类健康带来威胁的现象。我国改革开放以来在对外交流的过程中不断出现外来物种入侵的情况，特别是植物入侵。外来物种对我国的生态系统造成了巨大的破坏，也给环保工作带来了极大的困难。

利用数字智能分析系统的密度检测分析规则，可以对监控点的物种（如水葫芦）发展面积进行监控。可在视频画面上预先划定需要监控的警戒区域，并设定超过或低于密度百分比值和持续时间，当图像上有物体覆盖、遮挡、变化的面积超过或低于设定百分比，并持续保持设定的时间值后，系统能立即报警。

结束语

在国家高度重视环保节能的政策环境下，视频监控平台的统一化，行为分析的智能化正成为环保视频监控的一个发展趋势。一套统一的，智能化的视频监控系统正为我国环境保护事业的发展提供强有力的支撑。