三維GIS與VR技術融合在人防領域應用與實現

李瑩 鄧奇 楊先建 王威 貴慧宏

人防是現代化城市建設的重要內容，和平時期主要服務于經濟建設和抗災救災，戰爭來臨則主要用來掩蔽人員和物資，保障人民群眾的生命財產安全。近年來，人防信息化建設以國家“一網四系統”為要求，全面整合人防信息化的各種資源，使其效能發揮最大化。2014年，國家人防辦頒發了《關于進一步加強和規范人民防空戰備數據建設的意見》，人防大數據建設拉開序幕；2016年初，國家人防辦進一步提出了“把四面八方的數據廣泛采進來、把浩如煙海的數據分類存進來、把決策支撐的數據快速查出來、把蘊含規律的數據科學算出來、把各類應用軟件全部統起來”的建設要求。 三維GIS具備無縫集成特性，以時空視角整合海量信息資源方面具備得天獨厚優勢，已廣泛應用于智慧城市建設領域，尤其與VR、BIM、物聯網等新興技術融合應用，必將助力人防信息化建設。

一、三維GIS與VR技術發展現狀

20世紀90年代后，由于三維可視化與虛擬現實技術的迅猛發展使得建立三維GIS成為可能，而“數字地球”對建立三維GIS也提出了更為迫切的要求。三維GIS依托XYZ地理空間框架，以形象、直觀方式將現實世界映射于虛擬空間，以結構化、對象化形式組織管理虛擬空間內的目標實體，同時支持三維空間化分析與操作，已逐步成為數字地球、數字城市、智慧城市等建設中的關鍵技術。得益于Google Earth被廣泛認知，尤其Google Earth Pro版免費向公眾開放，三維GIS技術加速走入公眾視野。與此同時，三維激光掃描、傾斜攝影測量等三維空間數據獲取技術趨向成熟，極大保障了應用數據基礎。近年來，隨著WEBGL的發展，三維模型數據互聯網化成為一大發展趨勢；傳統三維GIS的C/S架構桌面端軟件，已然轉向WebGIS，以及更加輕量級的移動APP，向著專業化、輕量化方向發展。另一方面，ESRI、SuperMap等都相繼開展三維GIS與VR融合應研究，但VRGIS仍處于初級階段，應用潛力有待進一步挖掘。VR技術利用計算機生成一種模擬現實的環境，構建出一個多源融合、交互的三維動態視景和實體行為的仿真系統，具備多感知性，用戶在虛擬環境中有視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知能力，提供沉浸式體驗。

二、三維GIS與VR技術在人防領域的應用需求

為要做好人民防空工作，借助先進信息化技術，亟須提升人防工程管理效率和提高人防應急響應速度。人防工程管理，業務涵蓋工程構筑物主體、配套設備設施及其運行狀態的監控和管理。人防構筑物主體、配套設備設施管理方面，鑒于人防工程屬于地下構筑物，且設施設備配套涉及供電、通風、給排水、消防、通信，以及其他專用設施設備，結構繁雜，各種管線縱橫交錯，管理維護工作往往要求高、難度大。建筑信息模型，即Building Information Modeling（以下簡稱BIM）是以建筑工程項目的各項相關信息數據為基礎，建立建筑模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。BIM技術是一種數據化工具，通過建筑模型整合項目的各類相關信息，在項目策劃、設計、建造、運行和維護的全生命周期中進行信息的共享和傳遞，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。全面科學地推進BIM技術在人防領域應用，不僅在人防工程建設中有效節省項目成本、縮短建設工期，降低返工、沖突和錯誤等項目風險；而且在人防工程管理中輔助熟識構筑物主體的各類構件和設施設備，降低運維難度，從而極大降低管理成本，提升管理效率。人防工程運行狀態監控方面，設備設施運行狀態有人防工程的通風狀態、通風閥門工作狀態、水箱儲水量與水質、水井水質、電源接入信息、發電設備狀態，還有電源輸入輸出的電壓、電流和功率等；內部環境質量有人防工程內的溫度、濕度、壓差和氧氣、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等濃度；而安全防護則指人防內部與出入口視頻監控、出入口人員入侵情況、內部人員進入數量與密度、工程內部滲水情況等。監控內容涉及類別較多，而且情況復雜，要求及時準確掌控數據情況，亟須采用物聯網技術。

人防應急防災響應提高方面，通常采用應急演練方式，來提升組織協調能力和發現應急工作薄弱環節。作為常規應急演練模式，實戰演練雖能達到訓練有素，提升效率目標，但往往存在情景單一、涉及領域有限，且耗時耗力評估困難等缺點；而傳統的桌面演練，又過于程式化，按部就班，往往是圍繞事先設計好的一個或幾個虛擬場景，按照既定步驟開展模擬演習，帶入感差，各類演練角色難于進入狀態。VR技術具備交互性、沉浸感、想象力等特征，能夠按照用戶想象快速設置或改變演練場景的同時，在虛擬場景中給各類演練角色以沉浸感、交互式真實體驗，從而達到“集約演練、實景參演、動態推演、精準評估”要求。

三、三維GIS與VR融合在人防應用中技術實現

三維GIS與VR技術在人防領域融合應用，以人防管理信息化視角，采用三維GIS平臺軟件，在電子地圖、高清影像、城市模型等地理空間數據基礎上，導入人防工程BIM數據，接入人防物聯網監控數據，構建人防工程管理靜態、動態信息一體化展示、管理、監測和控制窗口，并建立與VR多尺度聯動信息適配機制，從而保障用戶沉浸式體驗同時，保障三維GIS、VR信息同步和及時交互。三維GIS具備無縫集成特點，而VR技術可加強具象性及交互功能，兩者融合將大大提升BIM應用效果，具備渲染真實度提升、增強整個BIM模型展示效果、VR插件動作捕捉顯示沉浸和顯示分辨率提升等特點，能滿足人防工程管理需求。

在人防工程管理應用功能上，為滿足人防基本信息管理、內部環境監測、設備設施監控、安全防護預警、綜合信息展示、實景交互體驗等功能需求，實現三維GIS與VR在人防工程管理領域的融合應用，兼顧宏觀、中觀、微觀等多尺度管理目標，設計融合技術路線如圖1所示。

城市三維地理場景搭建，主要指自然環境和氣候環境。自然環境方面，采集基礎地形數據、高清影像數據、地面高程模型、三維地物模型等，選擇US-Globe軟件搭建出人防工程外部城市仿真級場景，并配置陰晴雨雪氣象、早中晚天候等；

人防工程單體模型建設，選擇人防工程建設規劃、設計、建造、運行等過程中使用的BIM建筑信息模型，通常包括工程建筑、結構和機電專業，相關單位在提交時模型格式轉換為rvt格式。在融合應用中，三維GIS應用通過3DMAX軟件轉化為3DS格式，VR中則要求轉換為FBX格式應用，實現人防工程內部仿真級場景建設，如圖2所示：

人防工程實時運行監測，定制7*24小時運行監測與預警服務，采用訪問實時監測數據庫和解析通訊交互字符信息等兩種方式，獲取人防工程實時監測數據，并自動化比對各業務預警閥值，若出現閥值情況則發送警報信息。

人防工程管理的三維GIS展示和VR沉浸體驗，將人防工程單體模型，在US-Globe軟件中通過大小、方位、方向調整與城市三維地理場景相融合，選擇US-Globe SDK定制開發三維GIS展示系統和VR沉浸體驗系統，實現地上下、室內外一體化實景管理和沉浸式交互巡檢；

三維GIS與VR交互服務，建立多尺度聯動信息適配機制，主要包括空間尺度上構建GIS地理坐標與VR局部坐標之間的轉換和交互指令上兩者之間空間、事件等信息的同步。定制7*24小時三維GIS與VR交互服務，實時同步、傳遞兩者間的空間方位、姿態和指令等信息。三維GIS與VR交互，如圖3所示：

四、總結與展望

人防信息化建設已然步入大數據階段，“重硬輕軟”狀況極大轉變，海量人防數據的獲取、整合、存儲、應用將是本階段主要任務。三維GIS與VR技術在人防領域融合應用，不僅為人防大數據打造了一個多維可視窗口，同時也為其業務精細化監管提供了時空交互入口，尤其在應急演練方面深度應用潛力，都將產生極大的社會經濟效益。本文中三維GIS與VR融合主要指邏輯交互層面，而人防工程單體BIM模型為滿足三維GIS和VR系統調用，需轉換并存儲兩個不同格式版本，不利于模型數據更新與同步，一定程度上限制了融合技術深層次應用，下一步將強化對BIM數據的直接兼容要求。