如何实现环保智能化高空烟尘瞭望应用 - 安防知识网

《中国的和平发展道路》白皮书指出“由于中国加强了环境保护，……，中国的烟尘排放总量基本控制在1980年的水平……”。如何有效、科学、快捷地实现城市的烟尘管理已是一项刻不容缓的工作。

过去环保高空烟尘瞭望是采用人工在城市高楼上用军用望远镜，通过人眼瞭望城市中有无冒黑烟现象发生，同时人工估读烟尘的林格曼黑度值等参数。这样做不仅占用的人力资源较大而且劳动强度相当高，一般只在特殊的情况下不得已而为之，同时对于黑度值的估计也往往带有较大的随意性。

如何采用高科技的手段，以IT技术为核心，量化地进行城市的烟尘管理是现代化环保管理的一个重大课题。那么如何实现这些要求，我们不妨看看当前的技术条件是否能够实现我们所要实现的功能。最低程度我们必须让人能够在室内看到远处的图像，这个并不难，当前用于监控的摄像机已经可以实现几公里乃至十几公里的图像监控，那么我们只需要应用视频监控的技术就可以实现室内的图像获得。第二就是对于获取图像的分析，当前的数字化技术已经可以非常方便地把图像数字化，那么数字化的图像也就不难实现色度的分析（当然由于传输、数字化等因素，通过计算机回显的图像数字值必定存在一些异化和偏离，但是通过观测校准和数字修正是可以获得基本精确的数值的）。

当然实现烟尘监控并非如此简单，虽然图像的获得也是一个监控的过程，但是环保工作的特性必定要求其具备比普通视频监控更多的控制和管理特性。这些特性包括针对目标的精确定位、超高清晰度的图像获取、超高精度的运行控制、可多路线的巡检定义等等。这往往是普通的监控云台摄像机所无法达到的。通过比较发现在日本国内被广泛采用的三神（ミカミ）云台摄像一体机产品是能够符合环保烟尘瞭望要求的设备，它的高精度定位能力、超长焦距监控能力、双向数据回传控制管理能力、变速步进能力都是针对环保监控所必要的特性。

精确地寻像还只是实现环保高空烟尘瞭望的第一步，如何让云台摄像机按照指定的方式进行运动，如何定位精确的监控目标最终发现和判断黑烟的级别则是最终实现目标的重点。通过对三神云台的资料研究，同时参考了日本的城市消防监控应用案例以及上海的城市重点目标监控系统应用案例，发现基于所选云台的特殊控制能力，当前在国内广泛采用的GIS技术可以为我们选择的云台提供一个非常精确的运行指导，然后再配以环保行业特有的林格曼黑度监测程序就可以让云台具备“一颗聪明的脑袋”，也就是说具有高精度和高级管理特性的云台摄像一体机就好比一个“灵巧的手”，而GIS平台就好比“聪明的大脑”，“手脑结合”才能充分实现高空烟尘瞭望的自动化、量化要求。

发现冒烟
良好的成像质量
要求在摄像机及其镜头能够保证设计瞭望范围的最大半径处的景物在焦距最长时成像清晰、锐利，能够清楚地把黑烟与背景区分开。最好是广播级摄像机及镜头。要求除了有自动光圈、快门、白平衡、聚焦、背光补偿外，还应具有上述参数的软件设置功能，以便在室内可以远程调节图像质量。在工程实施中，我们选择了超低照度、高清晰度款的云台一体机产品，利用内置的广播级摄像机可以实现850线的高清晰度图像回显。清晰的图像回显，为后端的准确判断黑烟提供了基础的保证。而摄像机0.00005lux的低照度能力更是实现了可以在黑夜中发现目标的能力。通过可以远程调节的照度、白平衡等特殊能力，观测程序可以通过初始化设置的场景模式根据场景调整云台摄像机的状态，从而实现一种准全天候的“黑烟发现”能力。

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足够长的镜头焦距
观察黑烟以烟羽方向和摄像机指向一致的情况最为不利，摄像机镜头焦距长度应该保证能够观察清楚设计瞭望范围的最大半径处的小型锅炉在该种情况下产生的烟羽。选择合理焦距范围的设备是一项系统工作，既要考虑符合监控需求，又要考虑安装的便利性和可行性。根据城市的特性，经过大量的测试比对，最后选择采用装备20～440mm变焦能力的望远型高精度云台产品作为主要的构成体进行布设，小型的体积保证了安装的便利，长焦的望远能力则从另一个方面保证了有效的“黑烟发现”。其成像能力可以实现把5km处40×54M的目标在监视器上全屏幕回显，这完全能够符合环保监控的需求。同时在系统构建的时候也必须考虑内置防抖动能力，这是为了保证体积小型的云台在长焦监控的情况下无晃动。这虽然是一个很小的特性，但是从实际效果来看，对于减轻观测者的视觉疲劳以及保证量化计算的精确度是很有帮助的。

关注重点目标
对于一个城市的烟尘瞭望管理而言，城市的很多目标是需要重点观察、观测的，因此云台要求有足够多的预置位，把需要重点关注的目标设置在预置位中。实现随时能够快速观察重点目标情况、定时对重点目标进行自动巡检。该系统选择的具有255个预置位的云台一体机产品就充分体现了功能优势，特别是其预置位的定位精度可以达到0.3°，这对于多重点目标的预设定点是非常方便的。当然一般而言，一个瞭望点有255个定点目标已经足以应付烟尘瞭望的需要，但是不能排除某些特殊制高位的安装可能存在很多的重点点位，这个情况在大型的工业区显得尤为突出。这样的问题仅仅依靠云台摄像机固有的预置位已经无法满足，而利用云台绝对定位功能，结合GIS软件的功能，可以先在地图上计算出需要监控的点位的水平、垂直、纵向坐标，再根据视场角确定监控视角范围，通过软件一次性把参数传递给云台，使云台定位到固定的位置。经过这样一个操作预置位已经不再限于云台固有的255个，而是扩展成了一个“无限预置位”的状态，可以说这是非常有利于工作的。

灵活的区域巡检
在实际环保监控工作中通常是以区域为单位进行检测的，因此数字化后就是在GIS地图上以摄像机为圆心，以计算好的距离间隔作同心圆至设计瞭望的最远处，以圆心为原点以计算好的角度间隔向四周作射线。同心圆和射线把整个瞭望区域划分成了一块块小的扇形区块。

适当合并靠近摄像机扇形区块，防止过于密集。要求摄像机云台能够按预先定义好的轨迹，一一对应于GIS地图上的这些扇形区块作自动巡检。巡检方式支持恒速旋转和步进二种方式。恒速旋转指顺次对每个同心圆作一周巡检，要求可自定义起始的圆周和结束的圆周，每个圆周的起始区块、结束区块和每个圆周的旋转速度。步进巡检指对每个小区块进行逐格巡检，要求巡检轨迹和在小区块的定格停留时间可自定义。要求可针对不同的天气情况预先自定义多条区域巡检轨迹，在同一条轨迹中可交错进行恒速旋转和步进巡检。这个技术要求从普通意义上的视频监控应用来看是非常难的，也是实施整个工程中最需要对设备进行精心选型和考量的。因此选择具有绝对定位能力的云台摄像机（上节已述）是功能实现的关键因素了，配合GIS软件的强大计算能力，利用多点的绝对定位就能在坐标系中建立一个或者多个巡检的轨迹。这样一个云台的多区域、多线路巡检就变得轻而易举。也就是说在区域寻检中可以任意生成多条轨迹来运动。而所选云台的128级调速能力是实现多速巡检的基础保证，当齐集了这些“基本”特性后，步进、恒速的巡检实现也就“唾手可得”了。

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方便的手动调节
一般的监控云台都有手动调节功能，但是这类云台并不能满足环保复杂的定位目标监测要求。以水平旋转速度为例，假设一个普通云台最低每秒旋转0.5°,即观察2公里处的目标时,图像中心位置每秒钟移动17米多,无法方便地使目标位于图像中心。针对需要观察远距离目标的情况，云台摄像机的水平旋转、垂直旋转、焦距、聚焦都要有足够低速度及步进，以实现精确调节，同时还需能够实现数字调节。从应用来看需实现的数字调节方式有两种：绝对位置数字调节；相对位置数字调节。要求有足够高的精确度，如水平、垂直角度至少精确到0.05°，焦距值精确到个位数，要实现方便的手动调节。当然在进行实际的使用时由于高空瞭望摄像机布设距离远和分布广的特性，一般只能采用数字传输图像，那么就产生了另一个需求，就是要求系统的总延时足够小，如果延时大于1秒，调节的时候就惨不忍睹了。因此选择系统延时低于200ms的高质量图像编码器和充分考虑软件处理的能力变得异常重要。

从地图到图像
环保监控还必须具有针对突发事件的监控管理能力，有特殊情况发生时，点击电子地图上该区域，利用云台摄像机的绝对定位能力，以电子地图的计算值为依据，云台摄像机可以马上指向该区域，观察该区域的环境情况。如果该区域为多台摄像机可覆盖区域，点击地图上该区域，还可以利用几何原理，计算多角度的覆盖值，由计算机软件自动指挥所有这些可精确定位的摄像机都指向该区域，做到从不同侧面观察。摄像机虽然安装在高空位置，但不可避免有被其它高大构建筑物遮挡的盲区，不同摄像机的盲区都应该能在地图上取出来。那么通过所选云台的优秀特性，组合作为“大脑”存在的计算机软件就可以形成一个“聪明的”环保监控管理系统。

人工智能
系统传输目标图像至计算机后，能智能判断出图像中有无冒烟现象，如果发生，则云台自动停止运动，并发出警报，等待人工处理。智能判断系统要求有学习功能，能不断提高判断的正确率、减少误报漏报率。系统中某台摄像机的工作状态不影响其它摄像机。这是一个软件和云台摄像机硬件设备不断“磨合”的过程，环境的千变万化、气候的千变万化必然影响观测的结果，但是利用了云台的远程遥控摄像机功能，可以在计算机软件上配置多种“情景模式”，根据不同的情景状况启动不同的图像获取方式，比如夜晚的超低照度模式启动、逆光环境下的补偿功能启动、各种天气情况下的白平衡设定……。

知道何处冒烟
随着IT技术的发展，计算机可以为我们解决很多的问题，以重点监控的目标而言，一旦发现黑烟的存在我们就可以直接从地图获得详细的该目标信息。然而世界是千变万化的，在某些特殊场合也许人眼是最佳的信息获取工具。当特殊的情况发生时也许是人眼第一发现该烟尘的存在，然而我们需要知道的是，高空瞭望摄像机往往由于其监控范围大，距离远，人眼往往是很难从视频图像中快速定位黑烟的具体地点，这时我们又不得不依靠先进的计算机和监控技术来完成目标的定位了。当人眼“偶然”发现情况后，能够根据云台摄像机的水平角度、垂直角度、焦距数值判断出目标的地理位置，并在GIS地图上表示出来。这一很简单的功能却是实施整套系统中一个很大的难点，该系统的云台摄像机系列产品则解决了这个问题，只需要发送一条查询指令，计算机就可以在几百个毫秒内快速获知当前该摄像机的水平角度、垂直角度、变焦数值、聚焦数值，有了这四个参数，通过光学的成像计算原理，计算机就可以在几秒钟内在电子地图上标定一个方圆从几米到几十米的一个范围，在知道确切地理位置后就可以出动车辆到现场进行处理。当然整个过程无论巡检状态还是手动状态都有可能发现情况，但无一不需要云台的精确定位和GIS系统的复杂处理。

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远程监测
判定是黑烟后，需要能够在远程进行林格曼黑度监测。这也是环保烟尘监测的一个重要参数。远程监测时需注意区分背景的灰度和烟羽的黑度。取样面积应该是区域，并且大小可调可选。黑度应该是所选区域的平均黑度。每个监测周期的时间和取样间隔必须符合规范。在开始监测的同时必须自动开始水印录像，监测结束形成规范的表单。录像和监测原始数据一起存档备查。档案属性包括产生黑烟的地理位置（如果知道还应有污染源名称）、持续时间、监测人。当然这些功能在计算机软件的支持下都可以完美地实现。

其它要求
安装位置
安装位置越高越好，被建筑物遮挡的盲区越少越好。使在摄像机前方的重点关注目标尽量地少。

适应恶劣环境
要求云台摄像机能够适应安装地的最不利环境。如抗风、抗雪，适应高温、高湿、多雨、防雷等。这个问题我们在实际实施中解决得非常的好，60m/s的抗风性、防雪耐寒特性、智能化防雾除霜玻璃、多层的护罩结构、内置的避雷器等都是适应多变气候的基础保障。

遮挡功能
在一个城市中往往有一些敏感区域，对这些敏感区域必须进行遮挡，必须保证在无论什么状况下，敏感区域的图像都不能出现在监视窗口中。虽然枪式云台摄像机一般都不具备这些能力，但是在GIS软件的支持下，要实现遮挡并不是很难的工作。

联网功能
突发环保事故指挥处理往往需要多部门协调，甚至上升至市政府集中统一指挥，因此该系统应该可以通过专用网络（如政府内部网）传输数据至上级和其它部门，甚至把系统中心转移至政府指挥中心。

小结
该系统日常应用是高空烟尘瞭望，确保城市中不发生冒黑烟的现象，在发生环保突发事故时，还可以辅助应急事故指挥。除了环保行业还可应用于消防、交通等领域。

随着监控设备技术的不断发展以及计算机技术的进步，环保工作会越来越多的采用计算机和智能技术，相信不久的将来人眼观测的烟尘监测将永远进入尘封的历史档案。