基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究.pdf

邮电设计技术/2024/04收稿日期：2024-02-280 引言当前，自然资源违法滥用现象较为突出，包括森林资源遭到乱砍滥伐，煤矿开采不合理，各类城市开发区存在违法建筑等问题。这些不合理的资源开发行为导致地质灾害频发，良田受损，给宝贵的自然资源带来了无法弥补的损失。因此，采用先进的信息技术手段加强自然资源监测和监管，已成为一件刻不容缓的重要工作。遥感、物联网、移动通信、大数据、云计算、人工智能等新一代ICT技术为自然资源数字化监管提供了技术支撑，推动了自然资源管理、国土空间治理、地质灾害监测等各领域向数字化、网络化、智能化的方向快速迈进。遥感与定位技术、物联网、视频摄像机等可以作为先进的感知和采集手段，而云计算和移动通信技术则为这些手段提供了高效的计算和信息传输基础设施。同时，大数据和人工智能等技术则能够提供强大的分析能力和高效精准的辅助决策能力。1 需求分析当前，各部门所建设的执法监管体制，如基本农田巡查管护车辆平台、“一网两长”制信息管理系统、基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究Design and Research of NaturalResources Video Monitoring SystemBased on Cloud Computing关键词：云计算；自然资源管理；中台；视频系统doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.004.015文章编号：1007-3043（2024）04-0085-05中图分类号：TN919.85文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：摘要：为了解决当前自然资源执法监管信息化系统存在的问题，满足对违法行为进行实时发现的需求，构建一个覆盖全省的实时监控视频系统。该系统基于云计算和视频中台等技术构建了两级云架构的视频处理与存储系统，通过AI等大数据算法对数据进行整合、分析，进而构建了具有执法线索、监督问效、行动处置和综合指挥等功能的自然资源管理系统。同时，该系统遵循安全等级保护三级要求，确保网络与信息安全，助力自然资源监管数字化。Abstract：In order to solve the problems of the current natural resources law enforcement and supervision information system，and tomeet the demand for real-time detection of illegal activities,a real-time monitoring video system covering the entire provinceis constructed.Based on cloud computing，video middle platform and other technologies，the system constructs a two-levelCloud Architecture video processing and storage system，which iIntegrates and analyzes the data through AI and other bigdata algorithms，and so a natural resource management systems such as law enforcement clues，supervision andeffectiveness，action disposal and comprehensive command is completed.At the same time,the system follows the three-level requirements of security level protection to ensure network and information security，and help digitalize natural resourcesupervision.Keywords：Cloud computing；Natural resource management；Middle platform；Video system赵军生，王晨鹤，吕书林，任高强（中国移动通信集团设计院有限公司河南分公司，河南 郑州 450000）Zhao Junsheng，Wang Chenhe，L Shulin，Ren Gaoqiang（China Mobile Design Institute Co，Ltd.Henan Branch，Zhengzhou 450000，China）赵军生，王晨鹤，吕书林，任高强基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究综 合General引用格式：赵军生，王晨鹤，吕书林，等.基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究 J.邮电设计技术，2024（4）：85-89.852024/04/DTPT安全生产智能化监管平台等，存在以下问题：平台建设运营分散，导致违法违规线索的信息共享不足；尽管这些平台相互独立，但内容又相互交叉，业务流程类似，操作方式雷同；这种状况造成了工作效能低下的现象。在监管过程中，数据更新滞后，难以有效将违法行为遏制在萌芽状态。目前，2米级卫星影像与亚米级卫星影像结合使用，能够实现月度覆盖全省80%的区域，但单独的亚米级卫星影像每季度仅能覆盖全省40%的区域，且遥感影像的获取周期较长，难以满足对违法行为进行实时发现的需求。因此，亟需建设一个全省覆盖的实时监控视频系统。该体系将设立约4万个前端视频采集点位。视频数据需保存30天，以留存执法证据。同时，应建立统一监管视频管理中台，以打破竖井式监管模式，实现从“被动式”执法模式向“主动式”预警监测模式转变。2 系统方案2.1 整体架构为确保执法证据的留存，系统需要存储30天的视频数据。若采用省级集中存储的方式，省存储的有效容量需求为48.3 PB，具体的计算方法见式（1）。单个地（市）摄像头最多为5 000个，地（市）到省需要的的带宽最大为 19.6 GB，具体的计算方法见式（2）。地（市）到省的传输带宽需求过大，导致成本过高。40 00030（d）24（h）3 600（s）4（Mbit/s）81 0241 0241 024=48.3 PB（1）5 0004（Mbit/s）1 024=19.6 GB（2）因此，本系统采用省市两级的视频云架构，将30天的视频数据存储在市级视频云，各类应用和视频分析算法部署在省级视频云。市级视频中台根据各应用系统的需求，设置为每20 s上传1帧图片，从而减少地（市）到省95%的传输带宽2。总体方案架构如图1所示。2.2 前端摄像头前端摄像头基于运营商的通信铁塔进行安装，通信铁塔覆盖广泛，其高度、抗冰雪、抗风、抗震、防雷、接地等基本条件完全满足摄像头安装的要求。更重要的是，通信铁塔能够提供220 V交流/48 V直流2种供电方式，同时还具备光缆/微波等视频信号回传网络3。前端摄像头安装方案如图2所示。为确保各县（市、区）视频监控能够全域覆盖，站点规划应从业务需求出发，遵循自然资源地理信息系统（Geographic Information System，GIS）地图选点、现场铁塔查勘匹配、GIS地图覆盖模拟仿真校准的闭环原则。前端摄像头的选择应充分考虑实际区域特点，在确保监控范围内各种场景目标“白天能看清，夜视全覆盖”的前提下，在普通农田区域可选用基本型摄像头，其覆盖半径应达到2 km；在矿区、产业集聚区、开图2前端摄像头安装方案图1总体方案架构应用系统省级视频中台计算市级视频云存储安全前端摄像头传输接入市级视频中台计算市级视频云存储安全前端摄像头传输接入市级视频中台省级视频云传输接入省级市级站点省厅安全中心云管平台摄像头安装位置及高度要确保在避雷针的45角保护范围之内利旧现有抱杆或安装在塔体31.5 mm电源线开关电源综合柜五类线角钢塔示意专用综合箱交流箱赵军生，王晨鹤，吕书林，任高强基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究综 合General86邮电设计技术/2024/04发区等重点区域，应选用远距离型摄像头，其覆盖半径应为23 km；而在地质灾害隐患点、森林公园、自然保护区等特殊区域，应选用具有前端智能分析功能的全景型摄像头，其覆盖半径应为35 km；至于军事管理区、监狱等保密区域，则不设置摄像头。2.3 网络架构网络分为2个部分：接入层和骨干层。接入层网络主要负责前端摄像头与市级视频云的连接，骨干网络则负责市级视频云与省视频云之间的数据传输与交换4。接入层网络采用通信运营商的城域网，前端摄像头按照区县归属，通过分组传送网（PTN）/无源光纤网络（PON）接入本区县的宽带接入服务器（BRAS）。PTN是通信网络中广泛应用的一种传送网设备，它借鉴了分组交换的IP技术特点，同时具备严格的服务质量（Quality of Service，QoS）、完善的操作与维护（Operations and Maintenance，OAM）等性能，PON网络是一种无源的数据时分复用光网络接入技术，在光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）和光网络单元（OpticalNetwork Unit，ONU）之间的连接采用纯光介质。前端摄像头接入网络的带宽可以按需设定，初次设定为4Mbit/s。在接入层物理网络基础上部署一张采用多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）技术的虚拟专用网络，前端摄像头的网关都设置在BRAS上，将地（市）视频云和前端摄像头置于一个大局域网之中。视频数据回传网络架构如图3所示。骨干网络采用OTN技术，该技术将SDH强大完善的OAM理念和功能移植到了光网络中，支持大容量、高带宽的复用和配置，具备完善的监视管理和保护切换功能。2.4 视频云基于先进、开放、可靠的云计算技术，可为自然资源视频监控提供稳定可靠的计算资源、存储资源、网络、数据库等专属云服务，实现网络隔离和资源独享，以满足性能、安全、可靠性、可扩展性等关键业务诉求。视频云平台采用基于KVM虚拟机的Openstack级联架构，能够有效地管理和发放计算、存储和网络等资源。KVM虚拟化层负责将基础设施资源转化为虚拟资源池，Openstack可实现虚拟机资源的动态调度，并以标准 API接口的方式为云服务层提供所需的服务5。视频云采用省市2级架构，由省级平台节点进行统一管理，包括鉴权、账号认证、资源发放等。省级平台提供平台等保三级和用户等保三级等安全保障措施，以确保平台、数据和用户的安全。视频云网络架构按照服务类型被划分为对外出口区、安全服务区、网络服务区、管理服务区、计算区域和存储区域等多个区块。各区块之间通过核心交换机实现互联互通。针对不同类型的流量，采用虚拟路由转发（Virtual Routing Forwarding，VRF）进行隔离，并通过防火墙进行安全防护。大容量存储采用对象存储的方式，将不同数据类型定义为对象，并以IP的方式进行描述，通过任意一台连接至互联网的电脑上，客户端可随时随地访问和管理对象存储中的数据。数据的存储采用三副本方式，当任何一个硬盘或存储节点发生故障时，对象存储系统将在后台自动通过其他数据副本复制故障节点的数据6。2.5 视频中台视频中台采用省市2级架构。运用微服务及容器化技术打破传统烟囱式结构的局限，实现了前端摄像头、存储与后端分析应用的解耦。该架构能够横向扩展对接其他监控系统，纵向对接省级平台不同场景的业务应用。视频中台架构如图4所示。2.5.1 市级视频中台图3视频数据回传网络架构ONU设备小型化PTN市级视频云虚拟专用网络网线光纤网络PTN设备接入基站OLT设备接入基站小型化PTNONU设备赵军生，王晨鹤，吕书林，任高强基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究综 合General872024/04/DTPTa）前端摄像头的接入管理。市级视频中台支持SDK、GB28181、开放型网络视频接口论坛（Open Network Video Interface Forum，ONVIF）协议添加编码设备，并进行视频业务应用，也支持多个厂家的视频监控前端设备。该平台具备GIS电子地图功能，能够实现前端摄像头的接入认证、远程激活、信息采集、远程升级、告警管理、批量配置、终端状态监测及多维度统计分析。b）媒体数据处理。市级视频中台支持视频转码、抽帧截图、流媒体转发和录像回放，能够为省级平台提供海量的视频资源。同时，它支持视频预览、录像回放等视频处理，能够灵活满足地（市）级用户多样化的视频监控需求。该平台可对管理的流媒体进行负载均衡，基于流媒体上报的各种性能参数（如CPU使用率、内存使用率、网络使用率、会话数等）进行多维度的分析判断，通过均衡算法可将流媒体分发请求动态均衡到各个流媒体上。c）存储管理。市级视频中台通过S3等对象存储协议接入对象存储系统，并通过存储虚拟化技术整合存储资源，对存储空间进行池化管理。这样做对上层应用能够屏蔽设备差异，对外提供统一的视频、图片、对象存储服务。该中台能够在不丢失数据、不影响系统运行的情况下，进行存储容量的无限扩展。2.5.2 省级视频中台a）线索管理系统。从数据库中获取违法线索数据，进行定位、分类、比对和推送，并对线索进行统计和归档。同时，该系统为用户提供线索手动登记页面，对来自12336热线、12345热线、舆情、领导交办和信访的线索进行登记。b）数据治理系统。全面盘点自然资源执法线索和违法案件，通过数据清洗、比对、融合以及检查，对疑似线索及相关卷宗数据进行去重，提升数据质量，实现数据互联互通，提高数据获取效率，确保数据安全合规7。c）算法仓库。负责管理和存储各类算法包，是支撑智能分析的核心部分。算法仓库是一个开放的体系，除了内置算法外，还支持导入第三方的算法包或者通过算法训练平台构建的算法包。算法仓库中算法的丰富多样，是挖掘视频潜在价值的关键所在。2.6 应用系统省级应用系统部署于省级视频中台之上，它以视频监控资源为基础，综合运用卫星遥感、车辆巡查、网络舆情等手段，全面快速地获取各类自然资源违法违规行为和突发事件现场数据，实时推送问题线索，并对处置过程进行持续跟踪与问效8。应用系统架构如图5所示。a）行动处置系统。基于不同违法类型的行动指令规则，对接“一网两长”制信息管理系统及自然资源专项行动整治管理系统，实现对各类违法线索信息的及时分类下发、对处置进度的全流程监测管理，并对处置结果进行汇总整理和存档。b）综合指挥系统。基于自然资源业务数据资源，以系统内部数据资源为基础，结合GIS地图实时跟踪展示视频监控、对讲、无人机以及基本农田巡查管护图4视频中台架构元数据管理数据检查运维系统算法编排钓鱼检测船只识别GB/T28181级联终端线索管理线索分类线索分析线索推送线索登记数据清洗数据融合数据治理算法仓库烟火检测国标设备平台功能视频转码流媒体处理ONVIF设备状态监测统计报表设备接入网关电子地图接入认证抽帧截图存储管理负载均衡批量配置视频流信令流事件流其他设备权限管理市级视频中台省级视频中台赵军生，王晨鹤，吕书林，任高强基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究综 合General88邮电设计技术/2024/04车辆的现场情况。深入挖掘、分析信息相关性，并进行趋势判断和预测，直观展示各项分析结果，为领导决策提供丰富、直观、可视化数据支持。c）监督问效系统。综合自然资源各级部门对各类违法违规线索的核查、处置、反馈、完成情况以及时限要求，全面评价各级工作成果。3 系统安全自然资源视频监控系统作为经济建设和社会治理中的重要信息化系统，严格遵照网络安全等保三级要求9。在通信网络中，通过为通信链路和节点设备的硬件增加冗余来增加健壮性，对数据传输电路采用虚拟专网等方式进行隔离保护。在与其他系统互通的网络边界处，部署网闸、视频入侵防御、防病毒网关、分布式拒绝服务攻击防护和防火墙等安全设备。防火墙默认拒绝所有进出通信，仅对合法通信设置允许规则。省级视频云部署了漏洞扫描、日志审计、数据库审计等安全设备，用于分析日志中的安全事件，识别各类性能故障、非法访问控制、不当操作、恶意代码、攻击入侵，以及违规与信息泄露等行为。同时，这些设备能够实时对网络内的路由器、交换机、服务器、中间件等应用及操作系统进行安全漏洞检查，从而成为全网的安全管理中心。4 结论采用基于专属云架构的对象存储、视频中台管理组件和AI算法，对上层应用屏蔽了前端摄像头的各种差异，向上层提供统一的视频、图片处理能力，下层终端可实现无感知化扩容。算法可以持续优化迭代，应用系统可以扩展到自然资源乃至各类政务视频应用，系统底座完善，具备良好的扩展性。参考文献：1 中华人民共和国自然资源部.自然资源部关于印发 自然资源部信息化建设总体方案 的通知 EB/OL.（2019-11-23）2024-01-06.http：/ 陆俊杰，乐宇日，陈峰.基于云计算技术的视频监控系统架构设计与实现 J.现代科学仪器，2018（2）：34-38.3 张毅，吉波，阮婧.基于塔基视频监控的自然资源智能感知模式实践和思考 J.国土资源信息化，2021（5）：8-14.4 熊开君.基于云网融合的视频联动系统设计与实现 D.大连：大连理工大学，2018.5 葛文双，郑和芳，刘天龙，等.面向数据的云计算研究及应用综述J.电子技术应用，2020，46（8）：46-53.6 张海山.基于云存储视频监控系统的研究 J.电子设计工程，2015，23（10）：169-171.7 吴信东，董丙冰，堵新政，等.数据治理技术 J.软件学报，2019，30（9）：2830-2856.8 刘发发，熊晓峰，刘飞，等.基于云架构的自然资源动态遥感监测监管系统设计与研究 J.河南科技，2022，41（4）：13-16.9 李尚智，苏浩伟，曹超生，等.基于等保2.0的信息系统三级安全规划的探讨 J.中国信息化，2020（12）：54-56.作者简介：赵军生，高级工程师，硕士，主要研究方向为云计算、软件开发；王晨鹤，工程师，学士，主要研究方向为视频技术、5G通信；吕书林，高级工程师，硕士，主要研究方向为云计算、传输网络；任高强，工程师，学士，主要研究方向为人工智能、IT支撑系统。图5应用系统架构行动处置系统监督问效系统督查督办子系统综合指挥系统综合评价子系统应用系统行动指令规则专项行动整治管理系统全流程违法处置子系统综合分析“一网两长”制信息管理系统大屏可视化直击现场省级中台线索管理数据治理算法仓库数据资源层视频数据基础地理信息数据现场数据卫星影像补充规划数据舆情数据赵军生，王晨鹤，吕书林，任高强基于云计算的自然资源视频监控系统设计与研究综 合General89