水下文物立体化安全监控框架研究

毕振波 ，潘洪军 ，杨 花 ，亓常松

（1.浙江海洋大学数理与信息学院，浙江舟山 316022；2.浙江省海洋大数据挖掘与应用重点实验室，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大学东海科学技术学院，浙江舟山 316004）

中国有1.8万多km的海岸线，300多万km2的领海和管理海域面积，自古以来，这些海域下埋葬了大量的沉船、文化遗址和古建筑等文物。由于受利益驱动，当前水下文物的安全正遭受着盗捞、盗掘等重大的安全威胁。为保护这些历史文明，国家从法律和政策等方面出台了法律和相关的规范[1-2]，对其进行了保护，但由于海洋面积广大、环境复杂，一些不法分子仍然铤而走险对这些文物进行非法的盗捞。为有效防范这些非法行为，根据当前的国家经济和科技发展水平，本文认为国家应该从技术角度加强对文物进行保护，例如构建立体化安全监控系统进行主动保护，尤其对于一些高价值的水下文化遗址，这样的技术手段非常的必要。基于这样的目的，本文以水下文物立体化安全监控为目标，从水上和水下两方面深入对水下文物立体化安全监控技术体系进行研究。

1 水下文物立体化安全监控

1.1 概述

水下文物立体化安全监控是以水面和水下安全监控为一体的一种综合性技术保护方法。水面监控采用雷达和视频监控等方式，主要用于防止可疑的船舶，能有效避免单一监控手段的不足；水下监控采用声纳探测的方式，主要防止蛙人盗捞。借助这些监控方式，通过远距离海上数据传输、岸基监控数据存储与分析、智能报警可实现海上和陆地一体化的水下文物安全监控。

1.2 相关研究

当前，许多国家对水下文物保护有关的安全监控技术进行了研究及应用[3-5]。意大利依靠GIS系统，通过水上水下监测信息导入处理，能实现对相关海域的靠近船舶进行报警和查处[4]。在相关领域，数字图像处理技术常被用于对水面船舶进行安全监控[5-6]，主要包括内河和港口交通运输中的碰撞检测和船舶流量控制；声学技术常被用作探测或防御水下蛙人等小目标威胁的重要手段[7]，例如美国海军依靠“冥府守门狗360”对水下威胁进行探测识别和跟踪[8]；北约水下技术研究中心2006年组织的港口防御系统（NATO-HOP06）海上实验[9]、英国的奇奈蒂克公司的CER-BERUS蛙人探测声纳系统、俄罗斯和乌克兰的ΜΟΚ-А水声系统、挪威考达公司的Echoscope系列三维成像声纳和Kongsberg公司的SM2000综合反蛙人系统、以色列DSIT Solution公司的“水盾”港口水下安全声纳系统、法国泰利斯公司的“海卫士”反蛙人系统等[3-4]。它们对水面以下的文物安全监控保护具有重要的参考作用。在国内，范伊然等[10]以福建漳州“半洋礁号”遗址监控为例，对不同的安全监控系统进行了综述；阮永好[11]基于3G无线网络技术对水下文化遗产采用视频监控技术方案进行了研究；王绪军[3]根据现有技术基础并以半洋礁沉船保护为例，设计了一种无人值守的水下文物安全监控方案，该方案主要由目标监控系统、岸站接收系统和海上执法等3部分构成，核心涉及了浮标、船只警戒、蛙人探测、报警通信和电源供应等。对比国内外水下文物安全监控技术研究及发展，国外已走向应用，国内正开始起步，主要集中在安全监控技术理念探讨和特定监控技术（如声呐或视频监控）应用展望等方面。对于已采用的技术，水声技术在国外采用的较多，其它监控方式，如雷达和视频监控还很难见到相关研究或例子。但由于海洋环境复杂，单一监控方式容易出现漏报警、误报警和增加执法成本等缺点，因此，多种监控方式综合一起监控是重要的发展方向。本文针对水上和水下安全监控，提出雷达监控、视频监控和声呐监控相结合的综合性立体化安全监控方案，通过立体化安全监控系统的基本框架构建，并对其关键技术进行研究，从而为下一步构建立体化的无人值守安全监控系统及示范应用奠定基础。

2 水下文物立体化安全监控框架

对于水下文物立体化安全监控的可行性，从2014年起的近两年里，我们重点针对舟山群岛海域，从水下古文物现状调查、国内外水下古文物探测与保护技术现状、舟山群岛海域水下古文物探测与监控技术方案论证、电子监控系统与协同执法问题研究等方面进行了深入研究，结合区域及海洋环境特点、我们认为无论从政策、经济及技术层面，还是未来应用推广，实施水下文物立体化安全监控不仅可行，而且有助于服务作者所在地区的国家海洋电子产业基地和一带一路建设，并促进地方乃至国家军民融合发展。

2.1 系统组成

考虑实际，水下文物立体化安全监控系统（图1）包括目标监控子系统、岸站接收/控制子系统和海上执法等模块。目标监控包括雷达监控、视频监控和声呐探测等3个分系统，它们是特定海域水下文物现场水面上和水面下监控的核心，通过数据融合、数据同化等技术逐步实现立体化监控；岸站接收分系统包括接收装置、监视控制模块、查询模块和报警装置等4部分，这里主要通过对不同来源的监控信号进行数据融合、分析处理等实现报警，并能进行监视控制和数据查询；海上执法力量（文保部门、边防、海警、海监等）主要实现对报警发现的蛙人或疑似船舶进行海上执法。

图1 系统功能结构图Fig.1 System functional structure diagram

2.1.1 雷达探测系统

雷达一般固定在监控区附近小岛（例如舟山群岛海域）或人工岛上，系统主要由雷达站、中心指挥系统和相应的网络设备以及连接设备组成。根据监控区域大小，雷达站可以采用一台或多台雷达，通过雷达主动扫描对监控区的船舶位置和航行状况进行探测。前端计算机通过视频采集卡与雷达连接后，通过实时获取雷达视频信号，经过图像存储压缩，通过有线、或3G或4G[12-13]、或卫星宽带通信方式传输到中心系统进行分析处理。中心指挥系统是子系统的数据和通信控制中心，以ECDIS为基础平台，将雷达监控图像叠加在电子海图上对目标回波进行定位。报警是在电子海图上划定警戒线，只要有船舶越过警戒线就触发报警事件。

2.1.2 视频监控系统

该系统由海上监控点和可实时查看现场情况的后台组成。整体上包括人工岛（浮体）、无线视频服务器、云台和海上电源等组成部分，摄像机采用无线红外防水类型，根据监控方位，分布式布设多个摄像机，以视频摄录为数据采集手段。后台管理系统包括中心服务器、转发服务器及其配套软件，中心服务器负责管理所有前端监控点的网络视频编码器，并维护同它们的网络连接，对请求访问用户进行授权管理，对云台进行转动控制和设备的参数配置。转发服务器主要负责视频的转发与控制。前后台通过配置固定的IP，中心服务器可通过卫星宽带、3G网络或有线方式与转发服务器实现Internet数据通信。

2.1.3 声呐探测系统

该系统主要用于防御对水下文物觊觎的盗猎者（主要是蛙人）。针对水下蛙人，监测用探头通常被固定于人工岛底部或专用船舶的底部或侧边，但容易取下或重新放置。系统的基本组成包括传感器、声速剖面仪和显示器等。通过它们将探测到目标的位置、声速和声线图等信息，经信号处理对目标进行分类识别，然后在显示器上给出目标类别。报警通信系统能够实时将可疑目标信息经集成的无线通信模块发送给地面监控中心，监控中心通过地面远程观通系统进行核实。对于疑似概率高的可疑对象，则通知执法部门进行海上现场执法。

2.1.4 岸站接收分系统

该系统通过把各监测子系统传送过来的信号进行融合，通过综合分析后实现报警决断，然后再启动报警系统通知海上执法力量进行海上执法。该系统另外一个重要的功能就是通过GIS技术，将监控数据与电子海图数据进行叠加，通过动态目标绘制技术和专业的电子海图/地图渲染技术，实现多个动态可疑移动目标的监控，并支持电子海图/地图可视化显示及缩放、查询和地理信息要素标绘，从而方便各种控制操作。

2.2 系统逻辑框架

根据前期调研及项目组充分论证，水下文物立体化安全监控框架构建如图2所示。其基本思路是以各类监控子系统实时信息采集为基础，数据融合和数据同化为重点，从而保证体系内基于平台的应用和业务类的应用的信息来源的一致性、完整性和科学性。在图2所示的架构中，从下往上分别是前端数据采集层、基础设施及传输层、数据层、应用层和表示层。此外，标准规范体系由各类技术标准（数据标准和数据交换标准）和法律法规及管理制度等组成，它是系统有效实施的外在基础；综合保障体系是主要由各种安全（系统安全防护和信息安全防护）和管理措施（组织管理和服务保障等）构成，它们是系统运行的基础。

2.2.1 信息获取层

主要负责雷达、视频监控和声呐等设备的数据采集，完成解析和简单数据处理操作，并将数据提交到后台数据中心。该层是水下文物保护安全监控系统的数据来源，是后台大数据管理、大数据分析、深层处理、各类应用和应对处置决策的基础。

2.2.2 基础设施层

该层是系统信息处理的基础，负责整个体系内、外部系之间的信息的存储、处理分析和交换。包括数据存储及处理的服务器、操作系统、网络连接设备及电力供应等，并配有虚拟化工具、并行及分布式的软件工具，用于监控大数据的管理。

2.2.3 数据层

该层是监控海域水下文物立体化监控系统的数据支撑层，是综合信息资源（雷达监控数据、视频监控数据和声纳监控数据）的汇聚地。通过各监控子系统获取相应数据，实现统一的数据存储管理、大数据分析和连接，为上层应用提供符合需求的数据信息服务。

2.2.4 业务应用层

业务应用层主要包括水下目标探测类业务系统（蛙人探测类）和水上目标探测类业务系统（雷达探测类和视频监控类），分别针对特定的监控设备采集的信息进行业务处理，并实现业务应用的核心功能，例如视频监控中对可疑目标的数字图像处理及跟踪识别。

2.2.5 表示层

该层旨在充分利用水下文物立体化监控保护服务平台的能力，建立专业指挥与通信、事件应急处置、综合研判与处置及其他模型和决策模型，通过用户门户（指用户端系统）全面掌控水下文物立体化监测保护的特定海域综合情况，从而实现关键性文物保护决策及精确执法。

3 水下文物立体化安全监控系统的关键技术

根据图2所示的系统框架，经分析，系统实现涉及的关键技术主要如下。

图2 水下文物立体化监测保护技术体系架构图Fig.2 Architecture of stereoscopic monitoring and protection technology for underwater cultural relics

3.1 雷达与视频监控联动的智能联动

雷达主要用来获取水面上船舶的相关位置信息，视频监控用来获取现场监控视频，供监控人员进一步人工方式确认、事后查证和数字图像方式自动化识别处理。为实现海面上可疑船舶的有效监控，首先雷达和视频监控应能实现联动。根据雷达监控报警信息，能适时精确控制视频监控云台摄像机镜头的转动，使云台、摄像机、镜头能根据船舶的经纬度信息和航速、航向信息准确对准行进中的疑似船舶进行监控跟踪[14]。为准确定位，需要一个基于联动追踪算法的智能控制单元。获取被跟踪监控船舶的动态信息（主要包括船舶的经纬度坐标信息和航速、航向信息等）和摄像机经纬度位置信息，通过雷达与视频监控系统联动追踪算法组件，反馈给智能控制单元，并由其来驱动云台与镜头准确转动实现对被监控船舶的实时监控。此外，当船舶驶离监控摄像机的监控范围时，追踪算法应能根据可疑船舶的经纬度数据，主动选取下一个合适的摄像机进行接力式跟踪监控。

3.2 数据融合

图2架构中所指的数据融合，本质上是一种多传感器信息融合，是利用计算机技术对按时序采集的各种监测数据运用特定准则下加以自动化分析、综合以完成监控报警而进行的信息处理过程，是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合判断过程。运用多传感器信息融合技术在解决水面可疑船舶探测、跟踪和目标识别等方面，能够增强系统智能监控的准确性，提高整个系统的可靠性和健壮性，增强数据的可信度，提高精度。目前，多传感器数据融合的方法主要分为随机和人工智能方法。水下文物立体化监控过程涉及多个阶段，数据融合涉及三个核心方面需解决：一是数据融合的层次，即要在哪几个层次（数据层融合、特征层融合和决策层融合）上完成多源信息处理，每一个层次对应级别的信息抽象；二是数据融合的实际过程，即运用何种方法，例如加权平均融合、卡尔曼滤波法、Bayes估计、统计决策理论、概率论方法、模糊逻辑推理、人工神经网络、D-S证据理论等，解决探测、互联、相关、估计以及信息组合；三是数据融合的结果，即目标的状态和身份估计[15-16]。

3.3 远距离数据传输

海上环境复杂，现场监控数据往往不能像陆地上那样方便地进行数据通讯。虽然在近海或近岸，海况环境不是太复杂的情况下也可以采用有线方式，但是水下古文物通常远离海岸，互联网无法实现覆盖。为实现数据传输，无线方式常被人们采用。选择廉价而又可靠的远距离大数据传输技术是该问题的核心。有别于高成本的3G通讯，低成本的海洋宽带卫星双向数据通信，能够建立海陆互联宽带通信网络，实现图1中目标监控系统和岸站接收控制系统间的互通。基于卫星宽带通讯技术研究，重点需要解决卫星信号动态跟踪技术和监测数据接入技术，从而实现视频数据、图像数据、雷达和声纳数据的实时传输。

3.4 长期稳定供电

对海域目标进行安全监控需要为设备提供稳定能源。众所周知，海洋水下文物的保护，传统的电力供应方式具有较大的困难。因此，需要打破传统上利用常规能源作为电力的思路（通过拉线、埋设电缆进行海域供电，不仅布线施工困难，成本高，而且不适用于复杂环境条件的远海水下文物监控），采用一种新颖的思路，设计一种利用海洋能进行发电的动力装置为各个监控设备供电，具有十分重要的意义。设计的难点在于如何使得监控设备和海洋能发电设备支撑浮子一体化，对潮流能发电设备，低流速潮流能能量捕获叶片优化设计和功率控制，以使得供电稳定、轻巧方便、抗海浪冲击和抗潮湿。

3.5 监控大数据存储与分析

水下古文物监控中数据主要包括三大类：动态数据（视频监控数据、船舶动态信息、雷达目标数据、回波数据及其融合、声呐监控数据等）、静态数据（部门信息、单位信息和权限分配）和历史数据（主要是历史采集数据，主要包括视频数据、雷达数据和声呐数据等）。水下古文物监测数据种类多、数量大，为方便检索、智能处理和分析，需要在特定的数据库存储架构下构建数据中心进行保存。在该架构下，首先要满足三大种类的数据存储和分析，其次架构要有一定的适应性，不仅要满足数据中心的扩展，还要便于数据库扩展，即当数据库服务器无法满足要求时，应能将数据库服务器扩展为包括中心数据库、历史数据库和文件数据库等类型。

4 结束语

综上，水下文物立体化安全监控系统整合了雷达监控、视频监控和声呐监控等多种手段，是立法保护之外的优秀保护方案。根据本研究，我们认为采用单一的技术方法会有各种各样的弊端，不能有效和全方位实现水下文物保护。随着国家社会经济的发展，信息技术、通讯技术和自动化技术的进步，通过多种技术进行保护，不仅可以优势互补，而且十分必要，它的成功实施可为国家有效地保护文化遗产提供技术支持和示范。

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