基于三维地理信息系统的矿山视频监控系统设计与实现

李勇

（四川省计算机研究院，四川 成都 610041）

0 引 言

近年来，在国家大力推动绿色矿山建设的背景下，数字化矿山作为绿色矿山建设的重要内容，其借助数字化技术对传统矿山进行改造，改变了矿山的生产方式，可使矿山产生更大的社会效益、经济效益，从生产、管理等方面提高矿山的时效性、规划性，确保矿山发展的可持续性。对采矿业而言，建设数字矿山是挑战亦是机遇，是采矿业实现创新发展的必然趋势。国内外许多矿山企业都陆续开展了矿山的数字化建设。数字矿山是现代化矿山的发展方向，具体体现在数字化、智能化、自动化与信息化的高度融合上，四者在矿山应用领域以广泛覆盖作为发展目标，在此基础上实现深度互联，从而实现矿山安全高效的自动化生产以及矿山信息协同共享与智能化分析与决策。

本文基于无人机倾斜摄影三维建模技术、组件式GIS软件SuperMap iObjects开发平台技术、RTMP视频推流技术等，设计并实现矿山环境三维模拟仿真、三维定位、监视监控三维一体的数字矿山监控系统，实现“管控一体化”，消除“管控狭缝”。

1 系统需求分析

1.1 数据需求

结合用户需求分析，本文矿山视频监控系统数据需求主要体现在以下两点：

（1）三维地图数据。三维地图是系统进行三维漫游、视频监控定位的载体。三维地图数据的制作需要DEM（数字高程模型）、DOM（数字正射影像图）、倾斜摄影三维模型、地名点数据、道路线数据等。

（2）视频监控数据。视频监控数据是系统的主体，主要包含视频监控设备的位置信息（坐标）、视频监控设备视频流播放地址、视频监控设备名称等数据。

1.2 功能需求

基于矿山3DGIS（三维地理信息系统）实现精确目标位置的矿山视频监控信息实时展示，远程监控矿山的管理者可以方便直观地查看目标位置的视频监控画面。

功能需求主要包括以下几点：

（1）矿山实景三维模型场景展示需求。采用无人机倾斜摄影测量技术，获取矿山实景三维模型，基于SuperMap iDesktop搭建矿山三维模型场景，基于SuperMap iObjects.NET组件开发实现三维场景展示。

（2）矿山视频监控整合需求。目前矿山监控有尾矿库视频监控、尾矿库明渠视频监控、露天边坡视频监控、炸药库安全视频监控等，由于视频监控设备安装时间、设备型号、设备网络配置等不统一，需要构建一个平台对矿山已有的视频监控进行整合。

（3）矿山视频监控信息的展示基于空间位置信息的查询。基于矿山三维场景的空间位置信息，将视频监控链接以点图层的形式叠加，以支持视频监控点位搜索查询。

2 三维地图制作

2.1 数据获取

本文矿山视频监控系统的数据通过现场勘测获得，主要包含以下几类数据：

（1）DEM数据（.tif）。根据矿山采矿区的地理位置信息，在“地理空间数据云”网站下载该区域30米精度的DEM数据，然后在GIS工具软件中对下载的DEM数据进行裁剪，获得矿山区域的DEM数据。

（2）DOM数据（.tif）。在天地图官网申请密钥，申请使用天地图卫星影像数据，SuperMap iDesktop三维图层中支持加载在线天地图影像图层。

（3）倾斜摄影三维模型（.osgb）。采用无人机五镜头获取矿山倾斜摄影影像数据，RTK地面控制点测量获取控制点和检查点数据，采用ContextCaptureCenter软件进行空三测量和三维重建，然后再运用DP-modeler软件对模型进行修饰，最后输出矿山实景三维模型。

（4）地名点、道路线数据（.shp）。通过现场调查获取地名、建筑名称等信息，然后基于无人机正射影像在SuperMap iDesktop软件中进行矢量化，制作地名点、道路线数据。

2.2 数据处理

首先在SuperMap iDesktop软件中构建文件型数据源，新建三维场景，导入DEM数据添加到场景中构建三维地形，再导入地名点、道路线矢量数据添加到场景，并对地名进行专题地图文本标注。然后在场景图层中导入倾斜三维模型图层，加载在线天地图影像图层，搭建三维场景。最后使用SuperMap iDesktop的性能诊断功能对三维场景进行性能优化（设置图层可见高度、可见尺寸、地图缓存等）。

3 系统设计

3.1 系统总体设计

本系统的用户主要是矿山安全生产的管理人员，根据需求分析，矿山视频监控系统采用C/S结构，架构设计如图1所示，系统在逻辑上分为数据层、地图引擎层和应用层。数据层提供系统所需的相关数据，主要包括矿山实景三维模型数据、监控点位矢量数据、道路矢量数据以及视频监控属性数据；地图引擎层主要由SuperMap为系统功能实现提供地图服务支撑；应用层主要是为用户提供查询、浏览、定位、登录等功能。

图1 系统架构图

3.2 系统功能设计

根据矿山功能需求分析情况，所设计的系统功能模块包括用户登录、默认视角、场景控制、位置定位、监控查询、鹰眼地图，利用SuperMap Objects.net组件式GIS技术和RTMP视频推流技术，实现矿山的实景模型展示、矿山监控查询等，从而直观、准确、清晰地展现矿山的真实场景。本系统功能模块设计如图2所示。

图2 系统功能设计图

3.3 数据库设计

利用现场获取的矿山基础属性数据、三维模型数据制作矿山二维电子专题地图（功能区划图、道路图、规划图等），基于SuperMap iDesktop建立矿山三维场景模型。按照不同的应用需求对所构建的三维模型、道路图层、监控点位图层进行分类，主要有道路图层、建筑物图层、视频监控点等图层，然后对视频监控点位图层添加属性信息，构建二三维地理信息SuperMap文件型数据库（.udbx），如表1所示。

表1 视频监控属性表结构

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3.4 开发环境

系统开发工具采用Visual Studio 2017，开发语言为C#，GIS二次开发组件平台选择SuperMap iObjects .NET 10i。

4 系统实现

本文基于矿山倾斜摄影实景三维模型构建矿山三维场景，整合矿山已有视频监控，采用RTMP视频推流技术实现视频监控远程查看，采用SuperMap iObjects开发平台实现矿山三维场景浏览、位置定位、监控查询和播放等功能，为矿山安全生产提供可视化管理平台。

以下为本文系统主要功能的详细介绍：

（1）系统用户登录和系统主界面。本系统用户主要是矿山安全生产的管理人员，用户需输入账号和密码才可进入系统，输入正确的账号和密码进入系统启动界面如图3所示。矿山视频监控系统以三维地图作为底图叠加视频监控点图层数据，主界面如图4所示，左上角为系统名称，右上角为退出按钮，左侧居中的是功能菜单（默认视角、场景控制、位置定位、监控查询、鹰眼地图）。

图3 系统启动界面截图

图4 系统主界面截图

（2）默认视角。本系统支持大屏多点触控操作，该功能主要实现三维场景的初始化定位，恢复到设定好的场景浏览视角，方便用户操作过程中对三维场景的查看。

（3）场景控制和位置定位。场景控制主要实现对三维场景的放大、缩小、平移、旋转等控制，方便用户进行三维地图的查询和定位浏览，如图5所示。位置定位功能根据矿山采矿场、选矿场、尾矿库、生活区等功能区划，通过选择或者输入目标位置，然后快速定位到该点，方便用户进行三维场景浏览以及快速查找目标视频监控点位查看监控信息，如图6所示。

图5 场景控制功能截图

图6 位置定位功能弹窗截图

（4）视频监控查询和视频播放窗口。可以通过下拉列表选择查询目标对象的监控视频弹窗，查询列表如图7所示，或者通过点击地图上的监控图层标注，弹出视频监控窗体，如图8所示。

图7 查询列表

图8 视频监控弹窗界面

（5）鹰眼地图。该功能通过二维地图窗口实现土地规划地图、功能区划图等的展示，通过二三维联动功能实现二维专题地图和实景三维模型场景同屏联动查看以及快速查找目标视频监控点位，辅助矿山规划决策，如图9所示。

图9 鹰眼地图功能截图

5 结 论

本文通过需求调研与分析，获取矿山倾斜摄影三维模型，叠加道路、地名、监控点图层构建三维场景，采用RTMP视频推流技术获得视频监控链接，基于SuperMap iObjects二次开发平台设计并实现了矿山视频监控系统。本系统界面简洁，用户操作简单，提供用户登录、默认视角、场景控制、位置定位、监控查询等功能。本文视频监控系统的设计与实现提升了矿山视频监控设备的使用价值，为矿山安全生产提供了可视化管理平台。本系统是实现数字矿山平台建设的一部分，也为智慧矿山的建设打下坚实的基础。