生态环境教育远程视频观测系统设计与研究

周湘龙，李雅箐

（广西壮族自治区环境信息中心，广西 南宁 530028）

0 引言

生态环境宣传教育是推进生态文明建设的重要组成部分，也是推动生态文明建设的重要手段和途径[1]。近年来，我国大力推进生态环境宣传教育工作，通过自然体验、咨询展示、研究实践等多种方式增强公众生态环境保护意识。随着信息技术的发展，传统的展板、普通的多媒体声光电等方式已无法满足信息时代公众资讯获取需求。

随着环境信息化及网络技术的发展，大数据、“互联网+”等信息技术已成为推进环境治理体系和治理能力现代化的重要手段，通过远距离长光程遥控监控成为现实需要。近年来，数公里以上远距离激光摄像机的应用，可以实现几倍或几十倍于传统监控设备的观察范围和夜视能力，利用高台观测点的高度，配合摄像机云台的性能，可以轻而易举地实现对大面积区域进行非接触、远距离、大范围、360度全方位的精确监控。基于这一技术优势，远距离视频监控技术已被应用于森林火情预警[2]、高速公路建设[3]、线性工程安全管理[4]等领域，在生态环境监管领域中很早就被应用于城市环境质量大区域监控[5]、污染源排污状况监控[6]。青海建设了以视频和遥感监测为核心的自然生态保护监测网，实现了全省五大生态功能区全覆盖[7]，探索综合实现人类活动和野生动物的监测监管。

1 生态环境教育远程视频观测系统设计目的

1.1 全面提高数据应用价值

为有效存储前端丰富的感知数据，提升管理业务的数据利用价值，采用云计算技术，实现全区重点保护区多方监测数据的集中存储与共享业务，更好地支持大数据分析与挖掘等多样化的业务实战，提高生态环境大数据的应用价值。

1.2 提供精细化管理及服务

为满足生态环境保护、野生动植物观测、突发事件处置、服务民生等需求，以全区视频联网和应用服务为导向，以云计算、大数据、深度学习等技术为依托，打造重点生态保护功能区“可感知、可防控、可研判”的智慧大数据，辅助科学决策及生态研究，为生态环境保护的精细化管理及服务提供支撑。

1.3 增加生态环境宣传的公众体验感

近年来，我国大力推进生态环境宣传教育工作，通过自然体验、咨询展示、研究实践等多种方式增强公众生态环境保护意识。随着信息技术的发展，传统的展板、普通的多媒体声光电等方式已无法满足信息时代公众资讯获取需求。通过高清视频物联网技术，实现足不出户即可观看特定区域的自然景观和野生动植物，将极大提高公众现场体验感。

2 生态环境教育远程视频观测系统总体架构设计

2.1 项目背景

本项目在广西区内选取南宁市青秀山、南宁市那考河湿地公园、崇左白头叶猴保护区、防城港北仑河口红树林、梧州界首断面、百色西江源头、玉林九洲江山角断面、桂林阳朔漓江8个重要生态环境观测区域，分别代办广西区内城市绿肺、城市黑臭水体生态综合整治工程、野生动物保护区、红树林保护区、跨省河流交界、重点治理河流和风景名胜区的典型代表区域。本次研究将结合上述8个重要生态环境观测区域，基于GIS设计开发一套集成展示全区环境质量监测数据和各观测点位实时监控视频的广西“金不换”生态环境数据融合及环境可视化监控系统。

2.2 总体架构设计

生态环境教育远程视频观测系统总体架构设计如图1所示。

图1 生态环境教育远程视频观测系统总体架构设计

3 生态环境教育远程视频观测系统设计

3.1 观测点位选取

为确保系统设计成效，观测点选择需注意以下情况：①视野开阔，前端无遮挡物，方便对生态环境观测；②土层厚实，以便牢靠安装监控塔；③抵达路径通畅，方便施工及维护；④方圆2 km内有运营商基站，方便传输网络建设；⑤满足森林防火智能监控及无线网桥传输的要求；⑥场地平坦，附近无高大建筑物遮挡；⑦工程地质良好，避开断层、古河道及可能塌方、滑坡的地段；⑧选择安全的环境，避开易燃易爆的场所和粉尘及有害气体的污染源；⑨避开低洼地，防止雨水淹灌；⑩避免铁塔建设及供电杆路设置占用农田、绿地；[11]避开军事设施或敏感管控区。

在项目需求调研过程中，以各区域自然景观分布和动物活动区域为重点，经过现场实地勘察，确定了8个观测点部署位置。

3.2 观测点位现场端视频观测设施设计

3.2.1 监控塔设计要求

观测点是否需要修建监控塔，可以根据选址点的实际情况确定，优先选取观测点位置建有可利用的铁塔。考虑到生态环境远程观测系统需要对生态功能区进行长期观测，铁塔要求使用20年以上。根据本项目要求，监控塔设计要求如下。

（1）设计目标观测距离要求大于5 km，为防止被观测路径上一些不可预测的类似树木的遮挡物遮挡视线，本项目8个观测点的监控塔设计高度均为25 m。

（2）考虑到抗风要求，监控塔四柱管式设计，主材为钢管，辅材为角钢，材质为Q235B，抗损能力达到风10级及地震6级。

（3）塔身整体的承重要求要能承受住两个人的重量和一个高清重载激光一体化云台的重量（高清重载激光一体化云台大概80 kg）。

（4）距离塔顶1.5 m处要有一个工作平台，工作平台要能承受两个工作人员的重量。

（5）塔顶要有一个直径为700 mm的平台，要求是4～6 mm厚的钢板，并且上面要打上摄像机云台设备的固定孔。

（6）避雷针装在工作平台的围栏上面，要求至少3 m高，防雷接地在前段控制箱内安装电源、信号、视频三合一防雷模块，做好防雷保护措施；在塔架顶部安装专用避雷针，塔架基础位置做联合接地网；塔架地脚螺栓与接地网接地极连接，保证接地阻值小于4Ω。

（7）防盗在塔架距地面高度5 m以上的位置安装一套红外防盗报警探测器、一套红外一体化夜视摄像机和一套语音喇叭系统，当有人靠近塔架时，系统自动报警，管理中心值班人员可通过喊话的方式，让入侵人员离开；防止设施设备被盗或者人为的破坏。

（8）设计采用风光互补发电系统的方式为前端设备提供后备电源，并配备室外型红外线监测装置、室外球形摄像机、声光报警器及室外防水音柱等组成的监测报警系统。

3.2.2 摄像机设计要求

本项目选取的点位基本都在室外，部分点位甚至在人之罕至的野外地区，因此相关设备需适应日晒雨淋的室外环境，超远距离的观测要求，昼夜不停运行要求，针对这些要求综合考虑，选取清晰度百万像素以上，支持虚焦侦测、自动后调焦、微调焦距、激光补光、光学透雾等功能，采用涡轮蜗杆传动云台，适应工作环境温度为-35～70 ℃，IP66防护等级的摄像机。

3.3 视频数据传输及管理系统设计

3.3.1 远程传输网络

前端摄像机传输1 080 P视频图像的码流为4 Mb/s，存储和实时观测双码流的情况下，码流为8 Mb/s。考虑到监测报警系统的室外球形摄像机在触发报警时会回传1路视频码流回指挥中心，码流为2 Mb/s。因此，每个观测点需布设1条10 M及以上专线到中心机房。具体网络设计如图2所示。

图2 生态环境教育远程视频观测系统网络架构设计

3.3.2 观测管控端平台

本项目设计采用电子政务外网计算资源部署视频监控数据管理平台，观测管控端可通过电子政务外网调度和展示现场端摄像机实时图像，同时可控制现场端每台摄像机。操作人员可以通过平台可发出指令，对云台的四向转动及对镜头的调焦变倍均可进行操作，同时实现在多路摄像机之间的切换，可对图像进行录入、回放、处理等操作。平台设计采用可扩展结构以便未来系统升级，设计能提供第三方接口软件API、SDK或网关软件，实现视频流、设备状态、控制的共享。

本项目对WEB请求接口进行了缓存速率优化，通过编码和压缩格式转换、主码流和辅码流切换等技术，实现浏览器嵌入播放时保持流畅，避免页面播放造成的卡顿，提高了视频点击响应速度，实现快速播放。 视频多媒体工作站上可以按需要进行图像解码，不同的工作站浏览同一个视频源时可以根据情况解压成不同分辨率的视频流。

3.4 可视化设计

本项目设计基于“广西天地图”最新二维矢量地图、影像地图为基础，通过GIS、RS和GPS技术的综合应用，将二维GIS技术与各环境要素的实时在线监测数据相融合，实现环境业务数据的动态查询和在线分析制图，建立管理信息化、分析作业可视化的环境管理和决策GIS应用系统。

3.4.1 GIS功能设计

本项目可视化设计的地理信息应用服务应构建通用、统一的二维WebGIS平台，并具备以下基本功能。

（1）实现包括地图基本操作、地图点位维护、空间查询、空间统计、最佳路径分析、缓冲区分析、插值分析等业务数据的空间查询、统计、分析，查询统计结果通过图表、表格、动画结合电子地图进行直观展示。

（2）管理现有的空间数据，不同的用户可按其权限浏览查看或者下载共享的空间数据；提供空间数据浏览功能，用户除可以浏览共享的地图服务数据外，还可以浏览自有的数据，将自有的数据加载至已有地图，实现地图的叠加并能制图打印。

（3）用户能够在地图上进行地理要素的标注和保存，并能共享给指定用户。

（4）可视化系统预留接口，以便于后期与数字广西协同调度指挥中心对接、统一展示和指挥调度。

3.4.2 视频观测管理设计

集成观测管控端平台，实现基于“一张图”的视频观测管理功能，其主要功能如下。

（1）视频点位管理。通过二维地图精准的地理环境信息，可对现有视频点位的信息进行更快速、精准的查看和管理，有利于全域视频信息的快速准确调用。

（2）视频域维护。在二维GIS地图中，利用视频域分析功能，可对各视频点的可视域范围进行维护管理（包括视频域的高度、宽度等），实现在地图上直接查看各个视频的可视范围，一方面便于对视频布点的规划，另一方面有利于视频的快速调阅、查看。

（3）视频搜索及视频调阅。在二维地图中可根据真实的地理环境，更快速地调取事件周边的视频进行查阅。同时，在二维地图上可支持按点、按面、按系统线路，以及建筑物范围等多种条件进行视频的搜索，有效提高了视频调取效率。

3.4.3 环境质量可视化与分析设计

本项目从监视性监测和特定监测为主要出发点，通过与环保监测各业务系统的接口开发对接，在二维地图实现包括各主要环境质量数据的管理、查询统计分析，以及环境质量制图分析。系统基于Web浏览器系统架构设计，免安装，可直接运行。

针对全区所接入的环境质量监测数据，在“一张图”上实现监测点信息的动态的监测，其具体功能如下。

（1）环境质量实施监测。可根据不同监测点的类别（如大气监测、水环境监测等），在地图上直接查看不同类别监测点的当前最新监测数据。

（2）监测数据图表展示。可在“一张图”上对不同监测点当天或历史的监测数据进行动态图表展示，以便及时掌握监测数据的动态变化，在地图上以曲线图表的方式将监测历史变化数据动态展示。

（3）监测信息查询。可直接在二维地图中通过多种方式进行监测点位信息查询，其方式如下：可通过监测点位的名称、所属机构或监测点位的类型进行查询；可通过圆选、矩形或多边形选择，在图上画出相应的范围，查找区域内的监测点位；可查看某个监测点位的详细信息，以及当前及历史的监测数据。

3.5 系统接口设计

（1）与“广西天地图”对接设计。按照“广西天地图”开放接口对接要求进行开发实现，调用广西全区最新二维矢量地图、影像地图，以此为底图，并结合本项目的GIS可视化设计实现与环境管理各流程环节业务数据的融合展示。

（2）与环境在线平台对接设计。根据地图系统展示需求，通过HTTP接口或WebService接口方式对接广西生态环境信息资源中心，获取水质、城市空气、近岸海域的实时监控数据，并通过可视化展示模块实现环境质量监测的展示和环境质量专题分析展示。

3.6 信息安全系统设计

本项目系统安全等级保护定级为第二级，其部署的数据中心已通过第三级等级保护测评，运行网络为电子政务外网，因此系统的安全防护主要通过信息安全防护系统建设，结合所在数据中心及电子政务外网平台现有的安全防护系统，按二级等级保护要求，实现对本项目系统的安全防护。

4 结语

本文设计研究的生态环境教育远程视频观测系统，通过远程接口方式控制云台角度姿态，视频平台多码流的压缩、缓存机制设计，使系统演示无须安装客户端，实现浏览器终端远程控制。基于GIS技术，建成兼具大屏幕展示和公众互动功能的生态环境教育远程观测系统。在“一张图”上集成展示广西生态环境监测数据和各观测点位的实时监控视频，实现环境管理信息的落地，提高了生态环境数据的应用价值，推动了环境信息资源的高效、精准应用，以更加精细的动态方式实现对环境的监管与保护，通过趣味互动的方式达到生态文明教育宣传的目的。随着视联网、虚拟现实、增强现实、数字孪生等新技术的产生，“场景化学习”“场景化参观”将成为下一阶段生态文明宣传教育平台研发的主要方向。结合新技术将生态文明宣传教育打破传统的空间局限，通过增强人于场景之间人机交互的即时互动，提升参观体验，达到参观者主动感知学习的宣传教育方式。

在生态文明建设不断推进、信息技术快速发展的大背景下，生态文明宣传教育工作面临着新时代的挑战，应当结合最新信息化技术，在满足环境监管需求的同时，创新生态文明宣传教育方式，着力打造互动性强、内容新颖的绿色发展理念教育宣传平台，推动经济发展与生态环境保护协同共进，建设美丽中国。