秦飛飛，唐麗華

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 臨安311300）

森林為人類的生存和發(fā)展做出了無可取代的貢獻，但是，全球每年發(fā)生20萬次左右森林火災(zāi)，常造成嚴重的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。森林防火工作任重而道遠。視頻監(jiān)控和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)相結(jié)合的森林防火技術(shù)［1］，既能直觀地監(jiān)控到火場的實時情況，又能獲取火點位置的地形地貌情況及森林資源狀況，是最先進的森林防火技術(shù)之一?，F(xiàn)階段，此技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)研建［2－3］、資源配置［4－5］、火災(zāi)識別［6－7］等方面，但2種技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵——攝像機視域與地圖數(shù)據(jù)的同步跟蹤［8］的研究較少。方陸明等［9］以數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用通視性分析算法確定視頻可視域的中心點，根據(jù)鏡頭參數(shù)提取視頻可視域，證實視頻可視域與攝像機的參數(shù)有關(guān)，其他關(guān)于此方面的文獻并不多見。而傳統(tǒng)方法把監(jiān)控區(qū)域的地圖數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化分區(qū)編碼并建立數(shù)據(jù)庫，使攝像機某一范圍內(nèi)的角度與編碼關(guān)聯(lián)，根據(jù)獲得的攝像機的角度來檢索對應(yīng)編碼，利用地理信息系統(tǒng)的渲染功能得到對應(yīng)地圖范圍［10］，計算速度快，但誤差較大。本研究將采用一種新方法實現(xiàn)攝像機視域范圍與數(shù)字高程模型（DEM）的同步跟蹤。

1 實驗環(huán)境

1.1 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來源

數(shù)字高程模型是用一組有序數(shù)值陣列表示一定區(qū)域范圍內(nèi)的平面坐標及其高程坐標的實體地面模型，是對地球表面地形連續(xù)起伏變化的一種數(shù)字表達和模擬，被廣泛應(yīng)用于地形分析，成為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分［11］。

本研究采用浙江省臨安市三橋鄉(xiāng)的地圖數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其中地圖數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃圖、地形圖、遙感圖、道路分布圖，比例尺都為1∶1萬；屬性數(shù)據(jù)包括林場名、林班號、小班號、樹種、地類、郁閉度、林齡、齡組等。將地形圖掃描轉(zhuǎn)換為柵格影像，利用Arc GIS 9.3對經(jīng)過誤差校正的柵格影像進行配準，對等高線、高程點等進行數(shù)字化采集，得到矢量地圖數(shù)據(jù)格式并賦予各空間要素相應(yīng)的屬性，再利用Arc GIS將矢量地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)，線性內(nèi)插建立分辨率為5 m的格網(wǎng)數(shù)字高程模型，與校正好的遙感圖、行政區(qū)劃圖、小班圖、道路分布圖等疊加入庫，作為視頻同步跟蹤的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)3個部分構(gòu)成［9］。其前端設(shè)備包括攝像機、鏡頭、數(shù)字云臺等，帶參數(shù)反饋的數(shù)字云臺可以實時獲得攝像機的俯仰角、方位角、空間位置以及鏡頭的焦距，將這些決定攝像機視域范圍的參數(shù)和拍攝到的圖像通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)具有火災(zāi)識別、同步跟蹤、火點定位、自動報警、火災(zāi)決策指揮等功能。

2 算法設(shè)計與實現(xiàn)

攝像機具有一定的視場角（θ），視場角與鏡頭的焦距（f）及感光面尺寸（水平尺寸h及垂直尺寸v）的大小有關(guān)，可用下式計算：

2.1 算法設(shè)計

2.1.1 攝像機的手電筒模型 攝像機存在視場角，其視域與手電筒光束照射在障礙物表面形成的光圈類似（圖1）。攝像機的手電筒模型是依據(jù)手電筒光束照射障礙物形成光圈的過程，在坐標系統(tǒng)中建立攝像機視域的幾何模型，如圖2。視點A為攝像機的鏡頭，點S為攝像機中心視線與地形表面的交點（視域中心點），AS的距離為d，點E為鏡頭最外圍視線與地形表面的交點，角θ表示視場角，設(shè)過點S且與AS垂直的平面與視線AE的交點為E′，SE′的距離為R，虛線圓表示以點S為圓心，R為半徑的圓，此圓平面同手電筒光束垂直射向平面時形成的光圈影像，陰影區(qū)域即為攝像機的視域范圍。本研究最終要實現(xiàn)此區(qū)域的同步跟蹤。由于地形起伏，陰影區(qū)域不是平面，但區(qū)域內(nèi)各點與視點A的所在直線必經(jīng)過圓S平面。

圖1 攝像機的視域范圍（左）與手電筒光圈（右）對比Figure 1 Contrast of video visualization domain（left） and aperture of flashlight（right）

圖2 三維坐標系中攝像機視域范圍的簡化示意圖Figure 2 Simplified sketch of video visualization domain in 3D-Coordinate System

2.1.2 基于數(shù)字高程模型的同步跟蹤算法設(shè)計 根據(jù)攝像機的手電筒模型設(shè)計算法如下：實時獲取攝像機的參數(shù)，利用空間幾何關(guān)系和Janus算法［12］，確定攝像機的視域中心點；利用圓的正多邊形逼近算法，對過視域中心點且垂直于中心視線的平面的邊界點進行求解；再次利用Janus算法分別計算外圍視線與數(shù)字高程模型的實際交點，并在數(shù)字高程模型上顯示視域范圍；旋轉(zhuǎn)攝像機的俯仰角或方位角，重復(fù)以上步驟，實現(xiàn)同步跟蹤。算法的基本技術(shù)流程圖如圖3。

圖3 流程圖Figure 3 Flow chart

2.2 算法實現(xiàn)

2.2.1 Janus算法［12］Janus算法是格網(wǎng)數(shù)字高程模型常用的通視性分析算法，其基本思想是利用觀察點和目標點之間X，Y坐標的最大移動量（max Δ）和數(shù)字高程模型的分辨率（m）將視線劃分成step=int（max Δ/m）份，比較采用四點法內(nèi)插出的劃分點的地形高程值與對應(yīng)視線點的高程的大?。呵罢咝∮诤笳撸瑒t兩點通視，接著進行下一點判斷；反之則不通視并返回。

2.2.2 視域中心點求解 已知攝像機的俯仰角α（取值范圍為 0°～90°），方位角β（順時針方向），空間位置即視點A（XA，YA，ZA），假設(shè)中心視線與高程為0的平面的交點為P（XP，YP，ZP），Y軸方向為正北，X方向為正東，點A′為視點在高程為0的平面上的投影點，攝像機與地形之間的關(guān)系如圖4所示。中心視線AP上第1個與DEM地形表面相交的點即為視域中心點S，可利用Janus算法求解，具體步驟如下：

①點P坐標求解。在ΔAA′P和平面XOY中，有三角函數(shù)關(guān)系：

圖4 攝像機與地形之間的關(guān)系Figure 4 Relationship between camera and terrain

由空間2點間距離公式得線段AP的距離為：

聯(lián)合式（2）（3）（4）即可解出點 P 的坐標。

②平分點坐標求解。由點A′，P的坐標可得射線A′P的直線方程：

根據(jù)數(shù)字高程模型分辨率，將視線AP進行n等分；根據(jù)式（5）和相似三角形和等比分點公式，得第k個等分點Nk的坐標為：

③確定視域中心點S的坐標。利用距離加權(quán)平均法［13］插值得到等分點的地形高程：

式（7）中：n=4，zi為格網(wǎng)結(jié)點的高程，di為格網(wǎng)結(jié)點到內(nèi)插點的距離。

沿視線AP方向?qū)Φ确贮c進行掃描，如果數(shù)字高程模型上點的高程小于對應(yīng)等分點的高程，則進行下一點判斷，直到數(shù)字高程模型上第1個點的高程大于對應(yīng)等分點的高程，返回該點即點S。

2.2.3 圓的正多邊形逼近算法 計算機中，常用多邊形掃描算法模擬圓［14］。圓的內(nèi)接多邊形邊數(shù)可以控制，則垂直于中心視線的平面形狀的模擬可以控制。本研究用正十二邊形模擬光圈圓S，步驟如下：

①求圓S的半徑R。在三角形△ASE′中，由空間2點的距離公式和三角函數(shù)關(guān)系有：

②正十二邊形各點的坐標求解。如圖5，圓上一點E0′和視域中心點S在高程為0的平面上的投影點分別為 E0″、 S ″，設(shè)向量 E0″S′平行于 X 軸，以 E0′（XE0′，YE0′，ZE0′）為初始點，將圓 S 等分為 12 段。根據(jù)2點間距離公式和空間向量解析幾何，可得到如下方程組：

圖5 圓的正十二邊形逼近示意圖Figure 5 Sketch of regular dodecagon generating a circle

從而可以得到點E0′的坐標。同理，其余11點由以下方程組解得：

式（11）中：i取1到11的自然數(shù)。依次連接各相鄰點完成圓S的模擬。

2.2.4 視域邊界的確定 前面說過，視點與視域內(nèi)各點所在直線必過圓平面。連接視點與正十二邊形各點，再次利用Janus算法分別計算出各外圍視線與數(shù)字高程模型的交點，即可得到視域的邊界。分析視點到視域內(nèi)所有目標點的通視情況，并在數(shù)字高程模型上顯示。

2.2.5 同步跟蹤算法的實現(xiàn) 確定邊界視線在數(shù)字高程模型上的邊界點是同步跟蹤算法的關(guān)鍵。因此，基于數(shù)字高程模型的同步跟蹤算法的步驟如下：①初始化地形，確定攝像機的空間位置，獲得某時刻攝像機的俯仰角、方位角，根據(jù)數(shù)字高程模型的分辨率，利用Janus算法計算視域中心點；②確定攝像機的視場角，計算過視域中心點且垂直于中心視線的平面圓的半徑，利用正十二邊形逼近算法模擬平面圓，得到多邊形各點坐標；③再次利用Janus算法分別計算各邊界視線在數(shù)字高程模型上的交點坐標，得到視域邊界，分析視點到視域內(nèi)所有目標點的通視情況，并在數(shù)字高程模型上顯示；④數(shù)字云臺控制攝像機旋轉(zhuǎn)，刪除前一角度的通視線路，添加新的通視線路，重復(fù)前3步驟完成同步跟蹤算法。根據(jù)以上步驟，在Visual Studio 2008開發(fā)平臺上采用C#.NET編程語言，利用Arc Engine 9.3開發(fā)包編程實現(xiàn)同步跟蹤算法。

3 實驗結(jié)果分析

已知攝像機的空間坐標為（473 600.03，3 348 919.39，62.75）。進行實驗：a時刻，俯仰角為55°，方位角為310°，焦距為50 mm；b時刻，俯仰角為65°，方位角為310°，焦距為50 mm；c時刻，俯仰角為65°，方位角為190°，焦距為50 mm，分別利用本研究的算法得到的攝像機的視域范圍如圖6白色圓形區(qū)域所示。

圖6 不同時刻視域范圍顯示對比Figure 6 Contrast of visualization domain display at different time

從圖6中可以看出：改變攝像機的俯仰角（a，b時刻）或者方位角（b，c時刻），該算法都可以得到攝像機在數(shù)字高程模型上的視域范圍，從而實現(xiàn)同步跟蹤。

4 結(jié)論

攝像機視域與地圖數(shù)據(jù)的同步跟蹤算法是視頻監(jiān)控技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)聯(lián)動的關(guān)鍵。本研究以數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)手電筒光圈形成過程建立攝像機視域的數(shù)學(xué)模型，通過圓的正多邊形逼近算法和Janus算法得到了攝像機視域范圍。實驗證明：該算法可以實現(xiàn)攝像機視域在數(shù)字高程模型上的同步跟蹤顯示，而且此算法可控制過中心點且垂直于中心視線的平面的形狀，為視頻監(jiān)控與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合提出了一般性方法，也為準確確定火點的位置以及進行森林防火資源配置奠定了基礎(chǔ)。

［1］ FANG Lumig，XU Aijun，TANG Lihua.Study of the key technology of forest fire prevention based on a cooperation of video monitor and GIS ［J］.Nat Comput，2008，5：391－396.

［2］ STULA M，KRSTINIC D，SERIC L.Intelligent forest fire monitoring system ［J/OL］.（2011-03-29）［2012-02-10］.http：//www.springerlink.com/content/l35355107k365723.

［3］李龍國，沈明霞，叢靜華.基于Arc Engine的與林火監(jiān)測攝像機聯(lián)動的GIS設(shè)計與實現(xiàn)［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，23（1）：159－163.LI Longguo，SHEN Mingxia，CONG Jinghua.Design and realization of GIS for forest fire monitoring system based on ArcEngine ［J］.Acta Agric Zhejiang，2011，23（1）：159－163.

［4］戴壽連，徐愛俊.森林火險評價與防火資源配置系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.林業(yè)資源管理，2011（3）：105－110.DAI Shoulian，XU Aijun.Design and development of forest fire risk assessment and forest fire protection resource allocation system ［J］.For Resour Manage，2011（3）：105－110.

［5］黃小銀，徐愛俊，張晨輝.森林防火監(jiān)測型資源配置評價及優(yōu)化方法［J］.浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2011，28（4）：583－589.HUANG Xiaoyin，XU Aijun，ZHANG Chenhui.Evaluation and optimization methods of forest fire monitoring resources allocation ［J］.J Zhejiang A&F Univ，2011，28（4）：583－589.

［7］徐愛俊，方陸明，樓雄偉.基于可見光視頻的森林火災(zāi)識別［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，32（2）：14－20.XU Aijun，F(xiàn)ANG Luming，LOU Xiongwei.Forest fire identification algorithm based on a visible light video ［J］.J Beijing For Univ，2010，32（2）：14－20.

［8］柴紅玲，方陸明，王蘇燕.視頻和GIS技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機化研究，2009，31（1）：196－199.CHAI Hongling，F(xiàn)ANG Luming，WANG Suyan.The application of video and GIS technique in forest fires prevention［J］.J Agric Mech Res，2009，31（1）：196－199.

［9］方陸明，柴紅玲，唐麗華，等.基于DEM的視頻可視域提取算法［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，32（3）：27－32.FANG Luming，CHAI Hongling，TANG Lihua，et al.An extraction of a DEM based video visualization domain ［J］.J Beijing For Univ，2010，32（3）：27－32.

［10］王元園.基于GIS的森林火災(zāi)視頻監(jiān)控定位方法研究［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備，2008（5）：24－26.WANG Yuanyuan.GIS-based positioning methods in video monitoring of forest fires ［J］.For Mach&Woodworking Equip，2008（5）：24－26.

［11］李胤，楊武年，楊容浩，等.基于移動曲面擬合算法和加權(quán)平均算法的DEM內(nèi)插算法改進 ［J］.測繪，2010，33（4）：168－171.LI Yin，YANG Wunian，YANG Ronghao，et al.Improvement of DEM interpolation algorithms based on moving surface fitting and distance-weighted ［J］.Surv&Map，2010，33（4）：168－171.

［12］ HENDERSON D L.Mod Terrain：A Proposed Standard for Terrain Representation in Entity Level Simulation ［D］.Monterey：Naval Post Graduate School，1999.

［13］ CALDWELL D R，MINETER M J，DOWERS S，et al.Analysis and visualization of visibility surfaces ［J/OL］.（2003-09-08）［2011-12-20］.http://www.geocomputation.org/2003/.

［14］張博.生成正多邊形和圓的新算法［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2011（2）：1－4.ZHANG Bo.New algorithm of generating regular polygon and circle ［J］.J Eng Gr，2011（2）：1－4.