水利工程实时图像资源切片与应用

骆小龙，耿洛桑，余金铭，余 魁

（1.浙江省水利信息管理中心，浙江 杭州 310009；2.浙江大禹信息技术有限公司，浙江 杭州 310002）

0 引言

汛情信息是进行防汛决策的根本依据，也是各级防汛部门开展非工程措施建设的基础[1]，涵盖了水情、雨情、工情、台风路径、卫星云图、视频图像、工程图片等一系列与防汛防台相关的实时信息。浙江省的汛情信息采集起源于20世纪90年代，以实时水雨情信息采集为标志，近年来已延伸到工程视频图像信息采集。围绕实时图像信息采集的水利工程实时图像监控系统建设很多，并逐步在浙江省各级防汛防台指挥调度中投入应用，在防汛防台指挥决策中发挥了很好的作用。

然而，针对浙江省水利工程实时图像监控系统，图像信息必须通过带控件的专用客户端软件以视频流形式展现和发布，考虑到客户端软件安装不便和视频流对网络带宽的高要求，系统应用覆盖面受到限制。

如何简化客户端操作，扩大图像信息应用面，提高图像信息利用率，一直是值得研究的内容。此处采用切片技术，在浙江省水利工程实时图像监控系统基础上，充分利用水利工程实时图像变化不大的特点，将实时图像以一定时间间隔采样后以图片形式存储、发布和应用，既无专用客户端软件安装要求，又无网络高带宽要求，同时又能反映水利工程的实时状况，可被广泛应用于各类业务应用系统。

1 系统介绍

浙江省水利工程实时图像监控系统采用中国电信“全球眼”方式构建，利用宽带网络将分散和独立的图像采集点进行联网，实现跨区域的统一监控、存储、管理和资源共享，是行业管理者应急管理和调度的一种全新及直观的管理平台。系统具有网络化监控、数字化存储、图像分发广播、集中管理控制等功能，可实现远程图像的实时调用。系统由管理端、传输网络、前端设备、客户端/监控中心等4部分组成。拓扑图如图1所示。

1）系统管理端。是整个系统的存储、控制、认证、管理中心，由存储设施、服务器及相关管理软件组成。系统提供分布式及集中式2种存储方式，可实现媒体转发服务和历史数据回放。用户访问系统需进行合法性校验，且只能对授权范围内的监控区域进行访问控制，远程查看各种现场信息。

2）传输网络。前端根据具体点位和环境网络情况，可选择光纤、ADSL 或 3G 无线等方式，带宽可选择 2～4Mbit/s。监控中心和分中心采用互联网接入连接。

图1 水利监控系统拓扑结构

3）前端设备。主要由摄像机、视频编码器、立杆等设备组成。摄像机主要采用室外一体化快球摄像机。前端编码设备主要采用单路编码器，支持H.264，MPEG2，MPEG4，MJPEG 等编码格式，提供从单路到16路各种密度的规格，支持高至8Mbit/s的高清码流或低至128kbit/s 的标清码流，可以在各种网络环境下满足各类网络监控前端编码、存储和解码的需求。

4）客户端/监控中心。是用户接收实时视频图像的终端。客户端软件采用软解码方式获取图像；监控中心采用硬件视频解码器方式获取图像，并采用电视墙显示。

2 总体框架

水利工程实时图片是以浙江省水利工程实时图像监控系统为基础，利用客户端切片程序，通过专线传输通道对图像监控系统内全部图像资源切片后形成的图片。实时图片资源通过 WebService 服务按站点、时间等方式发布后，为各类行业应用系统提供服务。实时图像监控系统的总体结构图如图2所示。

1）基础设施层。由摄像机、视频编码器、传输网络、存储设备、网络设备和服务器等设施组成，为实时图像资源的采集、传输、处理、存储和发布提供基础条件。

图2 总体结构

2）应用支撑层。由数据中心和认证平台等组成。通过该层，各用户通过身份认证服务平台进行登陆认证，表现层的各应用系统可进行数据交换和提取。

3）应用服务层。以 WebService 方式搭建各类数据访问接口，并通过 IIS 发布和管理各类接口，为系统访问数据库服务器数据提供通道。WebService技术的引入有效地解决了系统直接调用数据库数据带来的连接不安全、访问速度慢、并发性不高等问题，真正实现平台与服务器操作系统、数据库平台的无关性。

4）表现层。由各专业的、需要采集水利工程实时图片资源的业务应用系统组成，如浙江省台风路径实时发布系统，防汛掌上通平台，水利工程管理系统等。在各应用系统中，工程的实时图片作为一种汛情信息源被采集应用。

5）用户层。由表现层各业务应用系统的面向对象确定。从角色来说，既可以是普通社会公众，也可以是水利行业专业工作人员；从终端工具来说，既可以是普通 PC 终端应用者，也可以是移动终端用户。

3 切片原理

3.1 切片流程

实时图像资源需通过切片后才能形成实时图片，切片流程图如图3所示。切片程序由多个服务器组成，客户端（Client）将切片任务交由切片任务管理服务器（CapCMS），并由 CapCMS 具体分配任务至各切片程序服务器（CapImgServer），CapImgServer 根据程序指令执行切片任务，按控制权限连接远端视频服务器，并调用前置摄像信息，完成抓拍切片后，将图片返回给 CapCMS，CapCMS最后将数据按固定格式存储到数据库服务器（DB）中，至此，整个视频图像切片过程完成。

图3 切片流程图

CapCMS 是图像切片的中心管理服务，在系统中起到管理本域内 CapImgServer，Client，DB 的信令和业务策略控制等作用；CapImgServer 是图像切片的抓拍服务，在系统中起到执行直接抓拍任务的功能；Client 是图像切片的客户端服务，在系统中起到提交抓拍任务功能；DB 是图像切片的数据库服务，在系统中起记录抓拍的图片路径、用户登陆、日志管理等作用。

在具体切片工作中，可根据前置监控点数量多少，配备多台服务器合理部署 CapImgServer，以此提高抓拍效率，缩短完成抓拍任务的时间。

1）切片参数。切片程序如何运行，需要由预先配置的各项参数信息确定。切片参数决定了切片程序工作时水利工程实时图像资源的采集范围、采样频率、图片质量、保存格式等。

a）切片对象。水利工程实时图像监控点数量非常多，难以保证每时每刻全部可用。考虑到切片程序服务器的硬件性能，以及图像监控点的可用性，每个切片程序要预先设置可管理的图像监控点对象。

b）切片频率。即对每个图像监控点对象隔多长时间抓拍1次。根据水利行业的特点，汛期对水利工程的关注度高，抓拍间隔时间短，一般可1h 甚至 0.5h 抓拍1次；非汛期对水利工程的关注度相对少，几小时甚至1d 抓拍1次即可。考虑到许多图像监控点布设于野外，夜间光线差，且无红外功能，建议过滤夜间抓拍时段。从技术手段而言，目前单台服务器一般支持16路并发，即同时有16个通道对16个前端监控点进行1轮抓拍采集，耗时大约为25～30s。

c）切片质量。实时图像切片后，图片分辨率多少，图片质量如何，这不仅取决于图像监控点前端编码器支持的码流大小，也取决于客户端程序初始化配置时用户要求的图片质量。一般而言，图像前端编码器是 D1格式，则切片后图片是 D1分辨率；前端编码器是 CIF 格式，则切片后图片为 CIF 分辨率。用户可在初始化时配置低于前端编码器格式的分辨率。

d）文件格式。程序切片后支持多种格式的存储，如 BMP，JPG，CIF 等格式。考虑到存储容量和清晰度，在实际应用中一般采用 JPG 格式。JPG 是目前主流图片格式，支持多级压缩，且质量较好，在清晰度不变情况下，存储容量可大幅下降，每张图片大小约 300～500kbit。

2）命名规则。水利工程实时图像监控点遍布全省各地，实时图像资源切片后，产生大量的图片文件。系统不仅要有序完成各图像监控点的切片，更要自动规范图片文件的命名格式，方便文件的检索和调用。

为此，图片文件存储时命名格式统一为：设备编号 + 通道号 +“—”+年月日时分秒。其中，设备编号为18位字符长度，前6位为浙江省的各地区编码；通道号，也称为摄像头 ID，用4位字符长度，标识同一前置设备下的各摄像头编号；年份用4位字符长度，月日时分秒各用2位字符长度，不足部分补“0”表示。通过统一命名格式，可精确标识所有图像监控点的全部图片，并被各应用程序调用。

3.2 安全机制

水利工程实时图像资源包含的信息多，数据量大，在防汛期间重要性显著，图像资源采集、切片、存储和发布的安全问题也相当突出。经过深入研究，提出如下解决方案：

1）专线连接。确保图像资源采集和切片的传输通道畅通。水利工程实时图像的切片操作实时性要求高，数据量大，占用带宽多，公网线路难以胜任。为此，在水利厅中心机房与运行商之间租用专线，专门用于切片程序客户端与视频服务器之间的图片传输。

2）帐户管理。避免非法用户对前端图像监控点的控制操作。系统具有完善的授权机制，可方便地授予用户不同级别的权限，用户只能执行权限内的操作。切片程序对每一路图像资源切片时，必须通过合法的帐户密码获得该前端图像监控点的控制权限，方可完成切片操作，获取实时图片[2]。

3）SAN 存储。保障实时图片的大容量冗余存储和发布。所有的图像监控点按一定时间间隔连续切片后，形成大量的实时图片，难以用普通的 PC 服务器来存储。为此，引入 SAN 网络存储，通过专用的存储设施，解决数据的存放和快速调用响应问题。

4 资源发布

通过切片程序产生的大量实时图片，作为并列于水情、雨情、台风、云图以外的另一种汛情资源，以 WebService 接口方式面向水利行业的各类业务应用发布。这不同于浙江省水利工程实时图像监控系统的视频流图像直接调用发布方式，它不单独形成系统，而仅以服务方式作为其他业务应用系统的一个数据组成部分。

考虑到时效性，图片发布分为当前和历史图片2种方式，图片提取时根据 WebService 不同接口方法获取图片信息，主要接口方法定义如下：

1）String Image Latest，通过视频设备编码获取最新图片，参数说明如表1所示。

表1 Image Latest 接口方法参数表

2）String Image History，通过视频设备编码及时间获取历史图片，参数说明如表2所示。

5 应用

水利工程实时图片作为水情、雨情、工情、台风路径、卫星云图等信息后的又一种汛情信息，已经被广泛应用于水利行业的各类业务管理和辅助决策应用系统中，并凭借着直观视觉效果，支撑着应用系统在水利行业中发挥强有力的作用。

表2 Image History 接口方法参数表

5.1 在防汛防台相关系统的应用

浙江地处我国东南沿海，洪涝台灾频发，是防汛防台的重点省份之一。近年来，围绕着防汛减灾问题，已经建立了一系列信息发布和预警的相关应用系统，如：面向社会公众的浙江省台风路径实时发布系统，面向防指领导决策指挥的浙江省防汛减灾 GIS 支撑平台，面向移动终端用户的浙江省实时汛情发布系统和防汛掌上通。这些系统都已投入正常使用，并作为防汛防台非工程措施，在日常防汛工作中发挥了很好的作用。但一直以来，系统都以数值化数据为支撑，不能直观地向领导和公众展现工程即时现场效果。

系统引入实时图片资源后，与其他汛情数据融合，利用系统内嵌的电子地图，定位图片所在水利工程的地理位置，有效展示工程的现场信息，给领导直观的视觉效果，为领导决策提供依据，提高了防汛抗洪辅助决策的科学性和严谨性。图4为浙江省台风路径实时发布系统整合实时图片资源后的界面图。

5.2 在水利工程管理相关系统的应用

近年来，随着病险水库、水闸除险加固，河道治理等大批水利工程竣工，水利工程管理任务日益加重，管理手段也不断提升。一大批工程管理应用系统已经形成并在日常工程管理中应用，如：浙江省水利工程数据库综合信息服务、水闸管理信息、河道管理信息等系统。系统汇聚了工程的各种属性信息，并在应用层面整合水利工程实时图片资源，全面展现工程面貌，为工程管理人员的日常管理提供了很好的手段。效果图如图5所示。

6 结语

图4 浙江省台风路径实时发布系统界面

图5 浙江省水利工程数据库综合信息服务系统界面

以浙江省水利工程实时图像监控系统为基础，提出以实时采集工程图片作为数据资源服务于水利和防汛相关应用系统的理念，在阐述图片发布、应用总体构架基础上，详细介绍实时图像的切片原理。图像监控系统已在防汛防台与水利工程管理相关系统中应用，并发挥了强有力的作用。随着水利信息化进程的不断推进，浙江省水利工程实时图像监控系统的工程图像监控点越来越多，水利工程实时图片库资源也越来越齐全。工程实时图片正在成为水利行业工程管理、防洪减灾、水资源管理等应用中不可或缺的重要数据，为行业各级领导、工程管理人员及社会公众提供服务。

[1] 虞开森，黄康，骆小龙，等.面向 GIS 的汛情信息时空展现[J].水利信息化，2011（6）: 11-15.

[2] 凌红霞.安徽省防汛抗旱视频见识系统二期工程建设[J].水利信息化，2011（增刊 1）: 52-55.