山區(qū)視頻監(jiān)控點(diǎn)選址算法研究.pdf

1、目前，視頻監(jiān)控在城市街道等局部范圍內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，而對(duì)于可進(jìn)行大區(qū)域聯(lián)合監(jiān)控的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求還沒有得到完全滿足，我國(guó)西部邊境山區(qū)亟需大規(guī)模邊防視頻監(jiān)控系統(tǒng)支持邊境的軍事防控工作。山區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)需首先解決視頻監(jiān)控點(diǎn)的選址問題，合理的監(jiān)控點(diǎn)布局可以降低系統(tǒng)的建設(shè)與維護(hù)成本，提高監(jiān)控質(zhì)量。
　　當(dāng)前，山區(qū)視頻監(jiān)控點(diǎn)選址主要有兩種方法，一是結(jié)合地形圖及野外測(cè)量作業(yè)進(jìn)行人工監(jiān)控點(diǎn)選址，二是以基本地理數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(Di

2、gital Elevation Model，DEM)等為數(shù)據(jù)源，以數(shù)字地形分析為基礎(chǔ)，結(jié)合模擬退火、遺傳算法等優(yōu)化算法進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)自動(dòng)選址。相比較而言，前者對(duì)單個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位置的確定較為精確，且能避開自然條件不適合的區(qū)域，但是不能保證多監(jiān)控點(diǎn)聯(lián)合監(jiān)控覆蓋率的最大化，并且耗費(fèi)較大的人力財(cái)力。后者可以在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)的選址，并且可以在理論上保證多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)聯(lián)合監(jiān)控的質(zhì)量?；贒EM的監(jiān)控點(diǎn)自動(dòng)選址算法已經(jīng)能夠解決較小區(qū)域的監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)問題，

3、但視頻監(jiān)控點(diǎn)選址問題的復(fù)雜度隨著監(jiān)控區(qū)域增大及監(jiān)控點(diǎn)的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，現(xiàn)有自動(dòng)選址算法的性能會(huì)明顯降低，無法保證監(jiān)控點(diǎn)聯(lián)合監(jiān)控的質(zhì)量。另外，為保證較高的布局質(zhì)量，自動(dòng)選址算法需進(jìn)行較為復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)于較大規(guī)模的選址問題，選址算法的效率還有待提高。
　　因此，本文以數(shù)字高程模型為數(shù)據(jù)源，利用地形可視性分析方法、蟻群優(yōu)化(AntColony Optimization，ACO)算法及并行計(jì)算手段，探索山區(qū)大范圍視頻監(jiān)控點(diǎn)自動(dòng)選址新方

4、法，進(jìn)一步提高監(jiān)控點(diǎn)選址的質(zhì)量和效率。論文分析了山區(qū)視頻監(jiān)控特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了山區(qū)視頻監(jiān)控點(diǎn)蟻群優(yōu)化選址及其并行算法。以山地視頻監(jiān)控點(diǎn)選址為研究案例，實(shí)現(xiàn)山區(qū)視頻監(jiān)控點(diǎn)蟻群優(yōu)化選址，并與模擬退火、規(guī)則格網(wǎng)隨機(jī)選址及模擬最優(yōu)解進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文提出的蟻群自動(dòng)選址方法的有效性。論文主要的研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:
　　1.實(shí)現(xiàn)了面向視頻監(jiān)控的可視域算法
　　在基于參考面的地形可視域分析算法基礎(chǔ)上，將視頻監(jiān)控特點(diǎn)參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)面向視頻監(jiān)控的可

5、視域算法。與ArcGIS平臺(tái)比較，本文實(shí)現(xiàn)的可視域算法具有較高的計(jì)算精度。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域的模擬。
　　2.實(shí)現(xiàn)了基于蟻群優(yōu)化的監(jiān)控點(diǎn)自動(dòng)選址算法
　　基于數(shù)字地形分析技術(shù)及蟻群優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向山區(qū)大規(guī)模視頻監(jiān)控點(diǎn)自動(dòng)選址算法ACOVMS。具體包括，以地形特征點(diǎn)作為監(jiān)控候選點(diǎn)，利用面向視頻監(jiān)控的可視域算法模擬單個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控區(qū)域，以監(jiān)控聯(lián)合覆蓋率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，在蟻群優(yōu)化算法框架下進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)

6、的自動(dòng)選址。在Visual Studio環(huán)境下，利用C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該算法。并結(jié)合MPI(Message Passing Interface)消息傳遞接口實(shí)現(xiàn)了了ACO VMS的并行計(jì)算方式，提高了選址算法的效率。在計(jì)算集群下使用2-16個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行ACO_VMS算法的并行效率測(cè)試，結(jié)果顯示并行算法具有較高的加速比與并行效率。
　　3.基于ACO VMS的視頻監(jiān)控點(diǎn)選址實(shí)例分析
　　以數(shù)字高程模型作為數(shù)據(jù)基

7、礎(chǔ)，在面積為750平方公里(2048×2048 pixels)的山區(qū)，進(jìn)行100-200個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)的選址實(shí)驗(yàn)。與模擬退火算法相比較，ACO_VMS選址結(jié)果的聯(lián)合覆蓋率相對(duì)提高19.12％-25.95％，絕對(duì)值提高10.15％-11.52％;與模擬最優(yōu)解相比較， ACO_VMS選址結(jié)果的監(jiān)控點(diǎn)組合的聯(lián)合覆蓋率與之相差不超過6.54％;與規(guī)則格網(wǎng)隨機(jī)選址結(jié)果相比較，ACO_VMS可以相對(duì)提高20.21％-24.98％的聯(lián)合覆蓋率，聯(lián)合覆蓋