基于视频图像识别的地质灾害监测预警系统设计

邓方雄 卿启维 侯坤

（国能大渡河革什扎水电开发有限公司 四川省丹巴县 626300）

计算机的快速发展带动了无线网络的进步，迅速发展的视频图像识别实时监测技术可以引入重大地质灾害监测预警，加快地质灾害的远程自动化监测预警，实现了实时监测灾情，可以第一时间准确完整的反映实际的地质灾害情况，在发现异常时向相关部门提出综合应急警告，最大程度上的降低了地质灾害所带来的危险和困扰。难以捉摸的自然环境灾害对安全构成了重大的威胁，也给人民造成了严重的损失。特别是山地地区，其原有地质条件复杂，环境脆弱，某些地区的建设需剥去植被，设置集土场、弃土场、修筑路堤、开挖路堑，从而打破山区原有的平衡系统。在降雨、地震等外部因素的影响下，容易造成道路坍塌、落石、快速滑坡、泥石流等道路灾害，此外还有冰雪灾害、水害灾害、地震等影响。为了保证公路的健康运行，减少灾害损失，保护生命财产安全，必须加强地质灾害的安全预防，采取一些措施防治公路灾害。视频图像监测技术的兴起为地质灾害防治措施从单纯的工程技术向工程技术加及时监测的转变提供了重要的技术支撑。地质灾害动态监测预警是减少灾害损失的有效措施。根据所处位置的视频和图像信息，可以及时对灾害进行监测，及时采取应急计划，从而减少灾害损失。建立城市间视频监控系统，对地质灾害监控和交通事故防治具有重要意义，视频图像检测在全国大中城市已经相当普遍。

1 基于视频图像识别的地质灾害监测预警系统设计

1.1 硬件设计

1.1.1 传输方案

传感器的监测技术作为现下最重要的一项技术，其应用范围极其广泛，种类也是多种多样，负责处理技术设备的终端信息。在该系统中，地质灾害预警采集的各种信息数据绝大多数来自各种信息传感器。具体来说，关键包括对温湿度的传感处理，对于压力和振动的传感处理，对于水位和位移距离的传感处理，以及风速传感器等。摄像头是前端监控的重中之重，分为PSO镜头的解码和控制，探测器的报警和解码控制，以及其余可以选择添加的附加设备等。系统采用SMA无线位移动态机电一体化结构监控，采用旋转驱动产生位移并进行位以上的加减，采用高性能处理器技术进行无线传输。特点在于低功耗，电池功率可连续工作一到三个小时，自动独立路由。一体化结构体积小且比较灵活，操作安装等简单方便，工艺先进，运行正常，成本不高但是功能齐全，适合在恶劣环境下工作，综合性价比高。

1.1.2 前端配置

前端配置可以使用有线或无线两种选择方案来进行工作，光纤作为有线传输的模拟数字信号可以满足视频传输的各种需要，可以达到数据传输每秒几千兆的速率。GSM及GPRS是无线传输的主要方式，也是目前运用较为广泛的方式，GSM网络是目前世界上最大的移动通信网络，GPRS突破了只能提供电路交换的思维并不再需要转换器进行转换，可以直接连接并进行传输。这样用户不仅可以在线接入Internet视频交互，而且可以与VRN用户在不拨号的情况下继续进行网络连接。

ACV监控产品是系统视频设备的首选，可以保证画面质量的卓越性能。如红外集成摄像头服务器等，登录服务器监控中心就可以对前端监控设备进行实时监控，收取发回的视频图像信息数据。报警采用sn8000-1智能声光报警，可以报警网站根据滑坡位移和降雨的实际情况，以确保周围的人可以找到灾难信息并迅速组织疏散和报告及时监控指挥中心。

1.2 软件设计

1.2.1 监测指挥中心识别配置

由电视和LED屏幕组成监测指挥中心一体化识别管理，主机切换模拟矩阵功能识别配置，将前端的视频图像轻松切换到屏幕之上。配备中央管理服务器系统、媒体矩阵、存储盘监控端以及电视解码语音设备。预警系统对危害较大的地质灾害应急处理具有重要意义，根据现有传感监测设备控制其精度在1mm左右。目前在实施的接入项目已有大部分光纤接入家庭，在那些没有接入光纤的地区就需要GPRS或者GSM来辅助，进行无线监控信息的传输。预警系统的前端设备运行，所需要花费的费用一般都是根据监测点的布置来计算，基本费用一般控制在10-15万元之内，监控指挥中心运营点的成本控制在一个月450元左右。自然条件太过恶劣会导致地质灾害的加速，专业的监测数据并不准确，难以确保工作人员的人身安全，所以要停止检查。这时通信数字监测设备、自动传感器和GIS就发挥出了自己的作用。基于视频图像识别的地质灾害监测预警系统可以实现视频监控预警分析和报警应急指挥的功能，绝大程度上提升了有关部门对地质灾害的应急处理能力。

1.2.2 分割监测灾害运动目标

在地质灾害运动监控系统设计里，对于视频图像的场景序列处理分析，关键点在于运动目标的分割检测、图像的去噪标记、以及最终目标跟踪确认三个方面。检测系统提取视频内运动目标去除噪声并跟踪有效轨迹，根据灾害特点将目标确认，具体方案如图1所示。

图1：监测系统开发方案

对灾害运动目标的提取本次系统设计使用的是背景差法和中值法混合进行，方法中最重要的是及时更新图像并在检测中快速产生响应，背景图像被中值法进行初始化操作。该方法需要大量计算连续多帧的图像，像素灰度值是取决背景的主要计算，所以引入背景更新算法来保留中值法，检测当前帧目标的基础就是上一帧的更新背景，将当前帧更新为下一帧背景，使用公式如下列式（1）：

式中，B代表下一帧在更新后的图像识别值；B为当前帧的图像识别值；f指当前帧的前景识别数据；为更新权值，根据公式（2）选取。

式中，D指视频识别图像与当前图像的差值像素灰度数据； 、 为图像识别前后的加权并行数值。初始化背景后更新背景并构造一个新的图像识别，若是中值法在检测开始时结束，则公式1中值法构造的背景选择为B。否则继续使用Koller方法进行计算，既保证了背景更新的速度又保证了中值方法的精度。

1.2.3 视频图像去噪和标记

视频图像识别经过处理后对目标运动图像就出现了区分，检测到运动目标中有噪点，可能出现目标不完整的现象，运动物体间没有明确的识别，需要对测试结果进行处理以便得到完整可区分的目标。形态法可以简化视频图像的数据，清楚没有关联的组成部分，保持目标基本形状。形态学最基本的操作在于先腐蚀消除小区域内的目标孤立点，然后进行膨胀计算，填充小区域内的间隙。结构元素的选择是数学形态学方法去除噪声的关键，检测目不同场地和不同区域的地质灾害，噪声和面目标大小也不一样，所以要根据监测场地来确定噪声作为结构组成。

形态滤波处理去除轻微噪音，连通间隙填充，但检测目标仍存在较大噪点结构元素，使用连通分析法可以在一定程度上解决问题。连通性为像素P，q∈S，假设 P到q的路径上所有像素都包含在S中，则P联通q。在正常连接的时候，组件数量若超过阈值，其真实连接区域将被确定，如果连接区域的像素小于设定阈值，在二进制图像像素值区域进行扭转来消除背景区域的逆转噪声。此外，在连通性分析过程中标记每个连通性组件以区分不同的运动目标。

1.2.4 视频图像跟踪地质灾害目标

目标确定必须分析运动目标的形状和运动特性，以锁定目标中的地质灾害现象。通过相似性度量目标，与Koller法预估出的位置和方向做对比，从而争取看出每一个地质灾害所能达到的运动轨迹及位置。安装监控时集中在地质灾害监测区，尽可能避免最大程度的外部干扰信号。运动目标跟踪是在连续的视频序列中，寻找最为合适的运动路径，主要包括卡尔曼滤波方法预测目标方向速度，根据目标当前位置计算出目标在位置方向。以预测位置为中心设置半径，其范围就是搜索区域，目标较近时，运动信息与轨迹相关联。一般视频图像中存在目标最大和最小值，可用所占面积来判断。像素面积小于最小值则为噪声；大于最大值则为震动或其他干扰因素，在软件系统中只保留介于最大值和最小值间的视频图像预警，根据视频图像的实际大小按比例设置尺寸。在识别二维图像视频时，目标与目标之间的相似性要在欧几里得空间中测试距离。目标图像作为一个点，用相邻采样点之间的直线距离代来测量，采样性质是不同的，根据其相似性进项分类。在重力作用下，轨迹由上至下产生偏差，图像视频识别中的灾害目标轨迹会连续运动。

1.2.5 实现灾害预警

对于地方质量灾害监测预警系统的实现，系统管理平台之前，首先介绍了系统监控主体结构的实现。前端数据采集监测点的硬件实现包括数据采集部分，数据采集部分由传感器和数模转换器组成。将前端的数据分为几个部分（基本的嵌入式系统，前端的数据采集进行预处理）；数据传输部分（将采集到的数据通过网络技术发送到系统服务器后台平台）；还有一个供电模块，在前端为所有的电源和能源组件提供运行所需的能量（根据监测点的条件，有电网供电、电池供电和太阳能供电多种类型）。具体前端数据采集与监测点施工图如图2所示。

图2：前端数据采集监测点结构示意图

采集信息的传输包括构建短距离无线传感器节点网络；每个传感器节点采集监测点的传感器信息。通过GPRS或卫星远程传输网络，将信息传输到系统的后台服务器。对于通过系统压力读数器打开系统主电源管理界面，在系统主电源管理界面中，左侧有系统各电源选项选择按钮，中间有相应点的所有监测站列表，右侧为监测站各监控设备的默认运行状态列表。通过主能量界面，可以进入系统子能量管理的其他界面。在系统主电源接口的实现中，主要采用了网页设计的相关技术，包括页面框架的构造、HTML代码、CSS结构代码等。

监控数据管理包括监控数据聚合管理、监控数据分析、实时数据处理和显示等具体的显示和操作界面。提供预警功率模型供专业人员设计。在该系统中，直接调用预警模型的计算模块来实现相应的预警功率。利用系统中的监测数据和预警模式，获取地质灾害可能发生的情况，在管理和能源管理界面上手动选择和发布预警信息，包括短信、直邮、系统呼叫等具体方式。灾害信息管理是对已经发生的灾害信息进行调整，供专业人员检查和分析的能力，主要包括灾害信息标识、灾害信息查询和灾害信息系统评分分析功能。

2 测试实验

2.1 实验准备

依照以上地质灾害监测预警系统设计，开发相应代码，并提供合理的硬件支持。视频图像监测预警系统的要求比较高，要在一定程度上降低要求，实现地质灾害预警系统的大范围应用。在现场处理一些视频图像的时候会耗费很多的电能，需要努力解决这个问题，尽可能的保持电量充足和续航持久。地质灾害在监测预警之后，管理发布信息需要客户端与硬件进行完美的配合，对于这些需求进行设计，具体的流程如图3所示，地质灾害监测硬件系统主要包括视频采集处理系统、供电系统、远程控制客户端系统以及网络支持等。

图3：地质灾害监测硬件系统

视频图像采集的部分一般都会安装在地质灾害发生的现场，核心是在于数据处理模块的具体排列，关键部件是DSP检测程序运行。采集的视频图像识别数据没有办法在第一时间传输到客户端，首先会在DSP内进行目标检测，不存在危险视频数据就不会传出，若是检测到危险预警则立即向客户端发送安全预警信息，第一时间把危险数据传给客户端。此设计大大减少数据量，并绝大程度上降低了网络带宽的硬性要求。相机的拍摄距离、光线条件以及最终视频图像的质量等都很关键，通过调节焦距能够清晰拍摄最小尺寸视频，帧率要控制在20FPS左右。在特殊情况下光反射成像相机可安装红外相机，通过温度成像保证安全预警的正常运作。

地质灾害的监测预警系统设计思路是在灾害开始之前通知受灾群众及时撤离事故现场，并要求群众远离危险地区，去到足够安全的地方。根据这一思想，灾害预警的检测点一定要和受灾现场存在一定的距离，系统视频图像识别采集和供电系统需要在灾点周围进行安装。灾难点之间的距离在监测预警过程中处于静态状态，焦距处于被固定的状态下。远程控制系统在办公室内进行安装，位置要求网络环境良好，可以第一时间收发报警信息，确保系统参数的畅通和可修改，存在潜在风险的地区，要在人民群众有很能出现的地方设立一些电子警示标志和扬声器，以便于灾害在第一时间检测出来后向群众发出提醒，做出有效的警示信号来指导撤离。

2.2 实验结果

地质灾害监测预报预警系统的实现包括两个方面，一方面是各监控节点的硬件实现和监控网络的建设，另一方面，实现了系统的管理平台软件（特别是预警信息的管理、显示和发布）。在设计中，通过图中的公式对系统前端的硬件和数据采集与传输网络进行了简要的说明。本章在系统后端管理平台的软部分只重点介绍了系统的核存储和电源模块，即预警信息的管理和预警信息的发布。通过对系统测试各部分容量的数据进行汇总，得到系统的两个监测预警统计和汇总表，如表1和表2所示。

表1：系统监测统计表

表2：系统数据监测预警汇总表

系统用户还对系统进行了功能验收测试，通过了表3描述验收系统的测试情况。

表3：系统功能验收测试情况

对于本系统而言，其测试工作是一个系统的大型工作，因为系统的开发人员只参与其中部分测试工作，同时测试工作来自系统从测试结果中详细的测试，所以开发的系统能够满足地质灾害预警系统的需求，通过了基于视频图像识别的地质灾害监测预警系统设计的验收测试，系统的运用能够有效地防治地质灾害，对灾害进行第一时间预警。

3 结束语

设计的基于视频图像识别的地质灾害监测预警系统，是针对地质灾害多发地区周边地质环境进行监测预警的综合信息系统。适用于滑坡、泥石流等地质灾害的实时动态监测和数据分析。能够有效监测滑坡、泥石流等各种地质灾害的发生点，进行多指标监测，进而自动发布更准确的报警信息，进一步为数据的智能能量分析提供数据依据。消息转发系统中的子系统的设计有利于实现服务器的消息分配机制，使系统有很好的可伸缩性和可扩展性，有利于实现系统完整性、子系统划分的透明度，保证每个子系统的独立性。系统服务器端的消息分发机制和各个处理器之间的松耦合使得系统的整体框架适用于其他类似的领域。该系统也可用于其他需要远程监控和布线难以安装的地区。该系统采用ACE中间件技术实现了森林、水库、水坝等系统的客户端与服务器之间以及服务器内各子系统之间的网络通信。客户端和服务器中的每个子系统都可以主动监控端口的消息接收和发送，也降低了开发的难度。对于这个系统，开发人员必须意识到在系统推出之前还有很多的权力差距和使用限制，有些差距需要检测和讨论，在系统推出之后需要做出相应的解决方案和改进。通过对系统的功率、性能、界面和文字进行测试；为了满足用户的需求，使系统运行良好，应根据具体的使用条件进行功率和性能的不断改进。