一种基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法研究

中国铁塔股份有限公司河北省分公司 陈 欣 刘永明

中国电信河北分公司 相 莹

广州杰赛通信规划设计院有限公司 黄星辉

综合监控类项目作为利国利民的重点项目，目前从技术层面看，已具有成熟的商用环境和技术支撑能力，但从工程规划角度，仍然有部分重点问题暂时没有很好的解决方案。本文重点针对监控项目各参与方均非常关心的核心问题，如何科学的评估规划监控点位的覆盖效果，提出一种借助GIS系统分析功能性表面的视域来确定不同区域中可见性的思路。在工程实践的基础上，总结出一套基于空间可见性算法的监控覆盖效果仿真方案模型。并通过案例项目的展示，验证了仿真模型的可操作性。

1 需求分析

纵观综合监控系统现状，单从功能目标上来说，监控、监管、监测为其核心内涵。目前主流监控设备厂商的监控设备技术能力可满足绝大多数应用场景，但在监控系统点位规划阶段，工程各参与方，包括政府监管部门、企业客户、设备厂家、规划设计单位、基础设施服务单位等共同关心的核心问题，如何科学的评估监控点位布局后可预测的覆盖效果，在如今绝大多数监控类项目中并没有很好的评估方法。

2 解决思路

本文从工程实际出发，提出一种新型应用实施例，提供一种基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法，以提供给规划人员作为参考以快速优化监控覆盖方案，获得更好的覆盖效果以及更准确的覆盖率。包括：

（1）接收目标覆盖区域的地形高程数据、目标覆盖区域的基础信息、视频监控设备选型参数以及存量铁塔站点信息。

（2）根据所述地形高程数据和所述基础信息，经过数据校正后获得所述目标覆盖区域实际的高程数据。

（3）基于所述实际的高程数据、所述视频监控设备选型参数以及所述存量铁塔站点信息，采用空间可见性算法进行仿真，获得控覆盖效果仿真方法，还包括当所述覆盖率低于期望值时，通过视域分析工具筛选出铁塔站点中覆盖半径重合度高的铁塔站点，以剔除所述覆盖半径重合度高的铁塔站点。

接收新增铁塔站点后的目标覆盖区域的地形高程数据、目标覆盖区域的基础信息、监控设备选型参数以及铁塔站点信息，并采用空间可见性算法进行仿真，获得优化后的覆盖效果仿真结果；其中，所述新增的铁塔站点在剔除覆盖半径重合度高的存量站点后，根据预设的要求规划新增铁塔站点后得到。

进一步地，所述基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真系方法，还包括：

接收经过现场勘察校正后的数据，并根据所述校正后的数据，采用所述空间可见性算法进行仿真，获得最终的覆盖效果仿真结果。

进一步地，所述地形高程数据包括含有所述地形高程数据的地形图。

进一步地，所述目标覆盖区域的基础信息包括：目标覆盖区域的被监控物高度信息

进一步地，所述视频监控设备的选型参数包括：摄像机挂高、扫描的水平范围、扫描的垂直范围以及覆盖半径。

进一步地，所述铁塔站点信息包括：铁塔经纬度信息、铁塔高度信息。

相比于现有技术，本实施例监控覆盖效果更接近于实际，能够提供给规划人员作为参考以快速优化监控覆盖方案，获得更好的覆盖效果以及更准确的覆盖率。

图1是实施例中的基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法的流程图。

图1 实施例中的基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法的流程图

图2是其中一种优选实施例中的基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法示意图。

图2 其中一种优选实施例中的基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法示意图

本实施例主要利用GIS工具，运用空间可见性算法，分析功能基于所述存量铁塔站点以及所述视频监控设备的覆盖效果仿真结果。

进一步地，所述的基于空间可见性分析的视频监控覆盖效果仿真方法，还包括：

（1）将所述覆盖效果仿真结果矢量化，并与所述目标覆盖区域矢量进行相交处理，获得相交面积。

（2）根据所述相交面积与所述目标覆盖区域的总面积获得覆盖率。

进一步地，所述的基于空间可见性分析的视频监性表面的视域来确定不同区域中的可见性。空间可见性分析得到的两种输出类型如图3所示。

图3 空间可见性分析得到的两种输出类型

Arcgis中的可见性分析算法通过在要素属性数据集中指定不同的项，可限制所检查的栅格区域。例如：观测点高程值、垂直偏移、水平扫描角度、垂直扫描角度以及扫描距离。相当于给我们提供了9项控制参数：SPOT、OFFSETA、OFFSETB、AZIMUTH1、AZIMUTH2、VERT1、VERT2、RADIUS1和RADIUS2。空间可见性算法9项控制参数如图4所示。

图4 空间可见性算法9项控制参数

SPOT项用来定义观测点的表面高程。OFFSETA项将以表面单位指示要添加到观测点z值的垂直距离。OFFSETB项将以表面单位指示要添加到各像元z值的垂直距离，因为分析可见性时需要考虑该距离。AZIMUTH1项定义扫描范围的起始角度。AZIMUTH2项定义扫描范围的结束角度。AZIMUTH2的值必须大于AZIMUTH1的值。VERT1项用于定义扫描的水平角上限。VERT2项用于定义扫描的水平角下限。VERT2的值必须小于VERT1的值。RADIUS1项用于定义确定可见性的起始距离。请注意，RADIUS1搜索距离之内的像元在输出栅格中不可见，但仍会妨碍RADIUS1和RADIUS2之间像元的可见性。超出RADIUS2搜索距离的像元将从分析中排除。RADIUS2的值应大于RADIUS1的值。

如表1所示，结合项目实际情况，参照主流监控设备厂商摄像机技术参数的典型取值，将相关技术参数带入到空间可见性分析中的9个控制选项中，可以得到类似表2所示的参数配置详表。

表1 主流监控设备技术参数

表2 监控项目覆盖效果仿真参数典型示例

3 应用案例

以某片区森林防火监控项目规划为例，该项目由林场责任单位牵头，借助某通信基础设施服务公司提供的通信铁塔为载体，实现目标片区森林防火实时监控及预警功能。

数据输入阶段，项目的实际输入参数有：01项目区域含有地形高程数据的地形图（理论上地形图精度越高，仿真效果越接近实际），02目标覆盖林区的基础信息，包括覆盖林场区域范围、区域海拔、各子片区平均树木高度、林区面积等，03目标覆盖区域存量通信铁塔基础信息，包括站点经纬度、塔高、塔体类型等，04本项目预采用的监控设备技术参数，包括摄像机挂高、摄像机覆盖半径、覆盖目标类型等。

算法迭代阶段，先是结合项目实际情况，对输入的地形数据进行了优化。考虑监控设备的视距特性，通过Arcgis将林场区域的树木高度信息与原始输入的地形高程数据进行了矢量叠加，得到优化后的区域高程样本，带入空间可见性分析的9个控制选项进行算法推算，得到基于存量铁塔站点及拟采用监控设备的覆盖效果仿真现状。案例项目算法迭代示意图如图5所示。

图5 案例项目算法迭代示意

应用Arcgis矢量数据处理工具，将覆盖效果仿真现状矢量化，与林场矢量覆盖范围做相交处理，可以得到精确的相交面积，即真实目标区域覆盖面积，由此再精确计算出覆盖率，如图6所示，仅利用存量站点对于目标林场区域的覆盖率甚低。

图6 案例项目现状覆盖率测算示意

方案优化阶段，先是借助视域分析工具筛选存量站点中覆盖半径重合度高的站点，结合项目特征设立多项铁塔站点新选址考虑因素，对目标覆盖区域进行新增站址规划，再将相关参数重新带入空间可见性算法，得到优化后方案的覆盖率，通过判断覆盖率是否达到预期进行迭代优化。同时，借助ArcScene的3D可视化能力，甚至可以做方案优化前后的3D仿真效果对比。如图7所示。

图7 案例项目方案优化示意

勘察校正阶段，针对规划方案进行现场勘察，重点排查现场复杂的外界环境对于监控点位覆盖效果的影响，如存量铁塔周边高大树木、建筑物对于视线的遮挡。通过现场实勘的数据再次校正算法输入参数，得到最优的仿真效果。

最后，在项目实施后，课题小组还进行了仿真效果实际核验，将实施监控画面与仿真3D渲染画面进行比对，验证得出仿真效果与实际基本一致。同时，通过核验也得出一些有趣的问题待接下来进一步优化，如可通过仿真方案优化监控设备安装位置达到最佳视野，如监控设备通过热成像感应器探测森林火灾，可通过调整火灾烟雾扩散范围优化目标区域高程数据等。案例项目仿真效果与实际监控效果核验示意如图8所示。

图8 案例项目仿真效果与实际监控效果核验示意

4 课题总结

关于GIS系统在通信类项目规划设计阶段的应用，仍然是一个很开放、值得探索的方向，以本课题为例，如计算覆盖实际面积、覆盖范围可视化、计算目标包含性、覆盖目标长度统计、通视性分析等分析需求，在GIS工具的加持下，统计的科学性和效率得到巨大提升。

过去我们在评判监控布局点位的覆盖效果时，由于工具的匮乏，要么缺少整体性，要么考虑因素不全面，操作效率差。本文借鉴城市规划中的景观规划方法，尝试将GIS系统中的空间可见性分析应用于监控项目覆盖效果仿真，从方法论的归纳到项目案例的展示，可以看出该方法具备可行性，且因为效率极高、功能创新、成果显著，极具推广意义。同时，虽然本文引用案例为偏远地区，未来，随着城市3D建筑模型数据的完善和开放，该方法论的应用场景将会得到更大的释放，如目前各大城市火热进行的雪亮工程项目，均可以得到效果可观的仿真方案。

希望此文可以给综合监控类项目相关规划、咨询、参建单位提供有益的参考。