AR实景可视化技术在水利信息化建设中的应用

近年来，各地深入贯彻落实习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，深入贯彻落实“水利工程补短板，水利行业强监管”的水利改革发展总基调，积极践行可持续发展治水思路，加快水利信息化建设，构建智慧水利系统，坚持依法防控、科学防控、综合防控、群防群控，坚持兴利除害结合、防灾减灾并重、治本治标兼顾、政府社会协同，加快构建与社会相适应的防汛抗旱减灾体系，全面提高水旱灾害防御能力，确保大江大河、大型和重点中型水库、大中城市的防洪安全，努力保证中小河流和一般中小型水库安全，全力保障城乡居民生活用水安全，千方百计地满足生产和生态用水需求，最大程度地减轻水旱灾害损失，为经济社会可持续发展提供了安全保障。

问题分析

近年来，水利信息化建设已经取得了显著的成效，水利工程的监测能力有了很大提升，但整体水平与面临的形势和任务相比，仍存在一些薄弱环节，具体表现在以下几个方面：

一是对于重要的水利工程缺乏统一的监控管理，尤其是一些跨区域河流，监控点位相对比较分散、单点监控范围小、摄像头之间缺乏关联互动、监控画面无法兼顾整体与局部，缺乏制高点的视频监控单位统领全局；

二是对于重要的水域缺乏统一的监控管理，尤其是一些跨区域河流，监控系统各自独立，达不到有效监控的目的；

三是一些水利设施的闸门、泄洪道、泄洪洞等，常年处于无人值守状态，需要设置监控点，保证其安全；

四是水文监测设施，仅仅只能提供数据信息，发生情况时，缺乏对现场直观的了解；

五是许多水利设施地处位置偏僻，在白天无人和夜晚的时候，需要对其周边进行监控，防止人为的破坏；

六是视频监控以“被动监控”为主，需要值班人员时刻监控，大多数时间只适用于事件追溯的视频查阅，不能在发生险情的第一时间发生报警联动，以便相关人员采取对应措施。

建设的必要性

针对当前水利监测手段不足和信息化水平相对滞后的问题，需要通过顶层设计优化监测技术和手段，建设AR实景可视化综合应用优化水利信息化系统。

一是需采用超高清AR增强现实摄像机，对重要点位的上下游水域进行实时紧密监控，对水利枢纽、水道、航道及周边区域实现全范围覆盖，24小时全天候精准捕捉水上活动，满足恶劣条件下的监控需求；

二是遵循“水清、岸绿、河畅、景美”的江河湖库管理要求，要在极其重要的点位实现水域情况全覆盖的监控目标；

三是需要实现事件入侵检测功能，当有大型垃圾漂浮物、可疑船只、非法采砂船等进入监控画面时，系统需实现安全防范、设备预警等功能，精准捕捉异常情况，并上报监控中心；

四是原有的二维电子地图相对落后，无法直观体验现场场景，需要对监控范围、监测辖区构造一张实景地图，实现全体系监测数据实景可视化，在一张实景图中可以预览全体系的监测和监控数据，以掌控全局[1]；

五是需要打造一套AR实景可视化水域监测系统，采用业界最先进的AR增强现实技术，实现实景视频上静态和动态标签，以画中画联动功能随时随地查看监控区域低点视频，高低点图像之间可随时无缝切换，使监控体验更加直观；

六是水利AR实景可视化系统项目建设还可以减少人为清理垃圾的投入、降低成本和风险，节约政府资金和社会投入。

系统总体设计

通过分层结构，统一的接口服务，可以有效地降低系统构建的复杂度。根据分层的设计理念，可将系统分为以下4个层次：采集层、接入层、服务层、应用层。

采集层

采集层是整个系统业务信息的主要来源，通过网关引擎，以网关集群的形式存在，接收获取信息上送至采集层，实现多系统融合。网关引擎支持MySQL、Oracle、SQLServer、DB2、MongoDB等多种关系型及非关系型数据库数据接入，支持Ehcache、Memcache、Redis等缓存接入，支持RabbitMQ、ZeroMQ、ActiveMQ、Kafka、Apache Qpid等消息总线接入，支持TCP、UDP等服务接入，支 持WebSocket、WebService、HTTP Restful等 接口接入，支持NVR、IPC等摄像头接入，IPC提供SDK及28181两种接入方式。通过上述丰富对接方式，可轻松实现多种异构系统信息获取，获取后转换成采集层可识别的标准数据，提供给采集层，本系统接入两大类信息，一类是视频信息，包括AR摄像头、非AR摄像头（网络摄像头、NVR接入的模拟摄像头）；另一类是接入人脸识别、车牌识别、警情等系统的核心业务信息，以获取的人、车、事件等非视频业务信息。

接入层

接入层是整个系统数据驱动层，负责与外部系统接入数据安全校验、数据标准化处理，为数据层提供自带负载均衡及分布式的数据接入服务集群。采集层通过请求Token进行数据安全校验，通过认证的请求进入下一环节，对于非认证的直接拒绝访问，并记录为黑名单。通过认证的请求会将数据送入标准处理模块，标准模块根据业务规则处理后及时发布到系统内部数据总线供其他订阅的服务使用。采集层数据接入服务集群，通过搭建Nginx服务实现负载均衡，通过对服务进行无状态设计，实现多服务分布式部署，从而为数据层提供多系统、海量数据接入。

服务层

平台的服务层包含视频标签管理服务、数据管理服务，实现数据分析、发布服务，为上层应用提供服务支撑。

系统总体设计架构示意图

应用层

基于增强现实的水利立体监控指挥系统是一个综合运用多种创新大数据可视化技术的展示层应用程序，基于业务系统的数据环境支撑，通过增强现实技术，将各种动态运行数据可视化、扁平化地叠加到全局监控的视频画面上，从而真实还原重点水利场所的人、车、船、事件等大数据信息，实现实景视频地图、报警自动推送、可视化应急预案、实景巡视检查等应用。

AR实景可视化系统建设

采用增强现实技术、大数据技术和人工智能技术，通过融合各种前端感知数据和多种业务数据，以标签的形式实现各类静态、动态、简单、复合、实时等数据在实景视频上基于精确坐标位置的叠加[2]，实现视频资源的便捷使用、各种报警源的及时查看、巡查人员及时调用和监控区域的高低点摄像头相互联动和统一管理，为指挥决策人员提供更加实用和灵活变化的一体化信息展示。

AR实景可视化系统与水利现有的视频监控系统、水量、工情、水位、水质、雨量、工情况、水利应急人员等智能感知设备、业务系统及数据对接[3]，获取监控视频、报警信息等资源数据，在视频中自动添加上述资源部署位置的标签，增加其属性、链接，自动获取系统输出的对比信息和报警信息，实现对水库、河流、闸站、堤坝等视频监控资源的统一管理和应用。

AR实景可视化系统主要提供以下七大功能：视频监控基础功能、GIS地图应用、视频展示、设备管理、系统管理、告警管理、录像管理。

视频监控基础功能

平台提供摄像机的视频浏览和远程控制功能，可以自适应传统标清视频和数字高清视频的解码显示，支持多画面组合显示及视频任务，并通过对摄像机的云台、镜头进行远程控制，调整监控视角和范围。客户端可选择单次抓图或单路录像的功能。能够按照指定设备、通道、时间、报警信息等要素检索联网设备历史图像资料并回放和下载，回放支持正常播放、快速播放、慢速播放、画面暂停、图像抓拍、缩放显示等。录像回放是通过系统自动记录或者人工手动记录各摄像头的视频，存为录像文件，包含前端录像、中心录像、客户端录像以及告警录像等。用户可以用文件检索，直接点击列表树上有录像的设备来查找录像，并可以进行播放、设置录像标签、进行录像下载、同步回放及切片回放等操作。

GIS地图应用

电子地图功能支持ArcGis地图引擎，通过系统中地图来查看各地情况，可以在地图上查看摄像头位置，打开实时视频，实现多摄像头视频轮巡播放等。该应用同时支持地图基本功能，如测距、测面积、打印、截图、拉框搜索、标注、图层切换、鹰眼、热点排名、警力、码流上墙等功能[4]，支持治安监控点、卡口多种元素添加及分层展示。

视频展示

电视墙支持各通道画面在电视墙的选路切换以及云台控制。当视频监控发展到数字制式时，数字视频需要先经过解码还原为模拟信号，才能输出到电视墙的监视器或DLP屏显示。该功能不仅可提供实时视频和录像视频上墙，支持电视墙预案配置，能够定时启动预案和手动启动预案，同时还支持图像质量、预置位、巡航轨迹的设置。

设备管理

平台支持设备资源的添加与管理，包括监控前端IP摄像机、存储NVR、报警设备和平台其他控制管理设备等，添加设备需要选择设备类型、设备型号、生产厂家、联系人、联系电话、购买日期、保修期限等信息，可以在系统内对所有的前端设备进行远程的参数配置，修改设备的参数、通道的参数等，可设置的内容取决于设备厂商SDK的支持。为保证所添加的服务器已经正确安装，可以在程序中查看服务器的运行状态，同时支持对前端设备进行独占性控制的锁定及解锁功能，锁定和解锁方式也可设定，以确保设备的正常运行。

系统管理

视频设置。可设置网络客户端访问的视频流参数，设置为主码流或子码流。主码流即相对码流值图像清晰度较高的码流，相对应的带宽要求也较高；子码流即相对码流值清晰度较低，但对带宽要求也较低。

级联设置。在多个平台构造的环境中，需要系统级联时，可在级联设置功能中指定上下级别关系即可实现系统级联，其具体功能如下：一是注册与发现。平台间具有自动注册功能，在两个互联平台上各自对任一设备进行添加/修改，两个平台能够互相发现；二是心跳功能。两个互联平台上能够相互感知到对方平台上的授权设备状态信息；三是云台控制。两个互联模式的平台在权限设置允许的条件下，能够控制对方的云台；四是实时监控。上级平台在权限设置允许的条件下，能够对下级平台摄像头的实时视频进行访问；五是录像调阅。上级平台在权限设置允许的条件下，能对下级平台的录像资料进行查看、下载；六是用户管理。上级平台能够检索到下级平台的用户信息。

告警管理

系统能够对系统中各种告警信息自动处理并保存，并能够通过预案设置，对告警作出联动（码流上送客户端、平台自动录像、码流上墙、告警上送客户端、地图联动）。

录像管理

录像管理，用来管理存储的录像，包括对前端设备的录像计划配置，集中存储的录像计划配置。对于录像存储位置的配置，可预先配置录像存储方式、码流类型及存储的位置，选择录像的存储盘，进行预分配。

结语

通过建设水利AR实景可视化系统，构建一个实景化、多层次、多功能、反应迅速、信息共享的智能可视化体系[5]，可为日常管理和应急救灾提供有别于传统视频监控的独特视角。系统依托现有水利信息基础实施实现透彻感知，运用新一代信息技术，实现感知对象和各级平台之间的互联互通，深度整合监测数据与业务，对各类调控、管理对象和服务对象行为现象进行识别、模拟、预测预判和快速响应，将有利于指挥中心随时掌握水利重点监控区域动态情况、从容处理各类复杂突发事件，实现水利监管更高效、社会管理更精准、调度运行更科学、应急处置更快捷。