測繪地理信息技術在消防應急解決方案中的應用

劉永軒 易致禮 張 駿 李冬冬 彭泊涵

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038;3. 工匠創新工作室, 北京 100038)

0 引言

當前,我國社會經濟飛速發展,人民生活節奏加快,火災危險源越來越多,城市高層建筑消防及火災威脅形勢越加嚴峻,為了做好高層建筑的消防安全,應付突發的火災事故,確保人民的人身生命財產安全,制定消防應急預案顯得格外重要[1]。近幾年,隨著測繪地理信息行業朝著信息化、數字化、智能化的方向發展[2],現代測繪對于工作效率和精度的要求越來越高,三維激光掃描技術以非接觸的主動測量方式為現代測繪提供了一種全新的技術手段,本文基于三維激光掃描點云數據,研究了建筑物樓層消防疏散平面圖以及三維場景制作的流程與關鍵技術,并開發了基于安卓系統的消防疏散小程序,將二維地圖與三維場景在移動端進行集成與展示,為消防安全管理部門應急疏散救援提供輔助決策。

1 研究區概況

本次研究區域為北京市西城區南禮士路60號院,該院落北鄰南禮士路公園,東鄰南禮士路甲62號院,南鄰建威大廈,西鄰南禮士路21號樓。周邊道路西側有南禮士路,北側有樂道巷,東側有西二環路,南側有長安街。研究區域周邊地勢平坦,交通情況復雜,車多、人多,且高樓林立、樹木密集,院內有二十多層的高層建筑以及五層配樓各一座,發生火災時需按照消防應急預案快速進行人員疏散,保證院落內職工人身生命財產安全。

1.1 研究目標

為了做好消防安全,應付突發的火災事故,確保院內職工人身生命財產安全,根據《中華人民共和國消防法》《機關、團體、企業、事業單位消防安全管理規定》等消防安全制度,制定消防應急預案,并利用測繪地理信息技術,完成如下內容,為消防應急疏散救援提供輔助決策。

(1)南禮士路60號院總體平面圖,需標明(或設計)避難所、集結點等相關場所。

(2)建筑物樓層內分層消防疏散平面圖,需標明疏散方向、消防設施位置等相關要素;實測至每個房間門口,分戶可示意。

(3)消防應急路線演示。需通過二維地圖或三維場景完成消防應急疏散路線演示。

1.2 已有資料分析

為了配合完成研究區消防應急預案的制定,利用測繪地理信息技術為消防應急疏散救援提供輔助決策,項目實施前期已收集的資料如下。

1.2.1基礎測繪數據

研究區2017年1∶500地形圖(dwg格式)、建筑物房產測繪成果(dwg格式)、建筑物設計圖紙(紙質),用于研究區地形圖、建筑物分層平面圖修測以及消防設施調查(滅火器、消防水帶、消防水井、報警按鈕、火警電話等)。

1.2.2POI及地圖數據

2019年天地圖·北京電子地圖(地圖切片緩存)及全市興趣點(Point of Interest,POI)數據(shapefile格式),用于制作研究區電子地圖以及消防應急救援POI查詢[3](消防站、醫院、避難所場等)。

1.2.3三維模型數據

研究區2017年傾斜Mesh三維模型、無畸變傾斜航片、傾斜攝影空三數據,用于制作研究區三維場景。

2 項目技術路線

根據研究區消防應急預案,利用測繪地理信息技術為消防應急疏散救援提供輔助決策。項目前期充分收集了研究區的基礎測繪、POI、天地圖·北京地圖、三維模型等數據?；谝延械臄祿Y料,首先,對研究區進行測繪與調查,包括地形圖修測、建筑物分層平面圖測繪、消防設施調查、POI分類提取、全景影像拍攝、三維激光掃描,對獲取的數據進行數據整理,在SuperMap 9D桌面產品中完成消防應急空間數據庫的建設。其次,基于消防應急空間數據庫,完成院落總體平面圖、建筑物分層疏散平面圖、全景虛擬現實(Virtual Reality,VR)影像、三維場景的制作。最后,開發基于Android系統的消防疏散APP,將測繪成果在移動端進行集成與展示,具體技術如圖1所示。

圖1 總體技術路線圖

3 關鍵技術研究

3.1 地形圖及分層平面圖修測

3.1.1地形圖修測

在地形圖修測作業時,未采用傳統布設控制點、全站儀野外數據采集的方式,而是采用徠卡RTC360對院落范圍進行快速掃描,采集點云數據,在繪圖致件(CAD)中,與已有1∶500地形圖進行匹配,根據點云修測地形圖[4]。

3.1.2分層平面圖修測

建筑物的邊長丈量采用手持測距儀獨立測量兩次,兩次丈量較差的絕對值不應大于5 mm,結果應取中數。采用手持測距儀無法準確測量時,采用解析法施測建筑物各主要角點,并通過一站測量完成。采集內容包括:房屋的邊長數據、房屋的墻體厚度數據、房屋特征點的位置數據、房屋的房角坐標數據。

3.1.3消防設施調查

利用作業區1∶500地形圖進行室外消防設施調查,調查消火栓、滅火器、監控器、消防控制室等消防設施及消防隱患點的位置。利用分層平面圖進行室內消防設施調查,調查各層消火栓、滅火器、消防報警器、煙感、噴淋等消防設施的位置。

3.2 室內VR全景影像制作

通過VR將實際場景通過拍攝的形式進行1∶1真實還原,打造線上720°真實立體可深度交互的場景,全景中融入電子導圖、宣傳畫冊、視頻等,用戶可隨時隨地、身臨其境地了解場景信息[5]。VR消防安全教育不同于傳統的消防安全教育,能夠將傳統枯燥乏味的消防安全教育變得更加生動有趣,這樣能夠帶來更好的消防教育效果。

室內VR全景影像制作流程包括全景照片拍攝,項目采用Gopro全景相機,首先對建筑物內部進行全景拍攝,拍攝時要求拍攝的所有照片要有重疊區,便于后期拼接,使用固定的三腳架進行設站,站與站之間距離不宜太遠,本項目根據建筑物實際面積與應用場景,保持在5～10 m以內即可,同時在室內建筑物拐角、消防設施位置處進行設站拍攝,便于場景視角的轉化與消防設施的展示。第二步對拍攝好的照片進行全景圖片合成,并運用圖像處理軟件(PS)對全景圖片進行調色保證場景的真實性。最后在全景平臺上進行全景上傳編輯[6],完成全景漫游制作發布。

3.3 三維激光掃描

其原理是通過高速激光掃描測量的方法,大面積、高分辨率快速地獲取物體表面各個點的(x.y.z)坐標、反射率、(R.G.B)顏色等信息,由這些大量、密集的點信息可快速復建出1∶1的真彩色三維點云模型,為后續的內業處理、數據分析、三維建模等工作提供準確依據。

本項目采用徠卡RTC360,通過TruRTC實景獲取、視覺追蹤技術(VIS)、SmartReg智能拼接技術,使RTC360三維激光掃描儀與徠卡Cyclone Field 360外業操控軟件、REGISTER 360智能拼接軟件完美集合,高效采集項目范圍內點云數據[7]。作業時,院內采用中密度點云+全景照片拍攝的模式,每站約2 min 36 s,樓內掃描時采用低密度點云+全景照片拍攝的模式,每站約1 min 36 s。考慮到樓內拐彎、樓梯間隔斷門較多的特殊情況,適當增加了測站數量,保證點云數據較好地拼接。最后將點云數據導出為las格式,在SuperMap 9D桌面軟件中生成list配置文件,并根據配置文件生成.osgb三維場景緩存數據,如圖2所示。

圖2 建筑物室內三維場景

3.4 消防應急疏散平面圖制作流程

消防應急疏散平面圖是消防應急預案的重要組成部分,項目根據《疏散平面圖設計原則與要求》GB/T 25894—2010,對建筑物各個樓層采用1∶200比例尺進行專題地圖制作。專題地圖包括了圖名、總體平面圖、疏散詳圖、安全通告、圖例、消防專題信息[8](疏散路線、安全標志、觀察者位置、消防設置位置、房間信息等),具體制作流程如下。

3.4.1數據選取分層

專題地圖編制過程中,數據是很重要的一塊內容。好的圖面效果,必須要有好的數據支撐。而所謂的好數據,就是數據分層合理,可控性強,可以很方便地根據其屬性特征進行風格渲染。地理信息系統(Geographic Information System，GIS)中數據分層設計常用如下四種模型:點數據模型、線數據模型、面數據模型、文本。本項目根據消防專題要突出表達的主體內容,在SuperMap 9D桌面中，將消防設施如滅火器、報警器、消防水帶、緊急出口表示為點圖層，將逃生路線表示為線圖層，將建筑物內房間表示為面圖層，將專題數據的屬性信息表示為注記圖層。

3.4.2地圖符號及彩色設計

本項目因為是應急消防專題地圖,所以地圖色彩以紅色和綠色為主,提高地圖內容的層次結構和信息傳遞效果,使讀者更易于產生聯想和引起感情上的共鳴,更能增強地圖的美感,與消防主題呼應,突出應急與安全意識[9]。地圖的符號基于Iconfont矢量圖標庫進行選取與加工,突出主體,表達豐富。

3.4.3專題地圖制作

首先將外業測繪的CAD數據進行格式轉化,導入到SuperMap 9D桌面軟件中,根據分層設計原則,進行點、線、面、注記圖層的提取與拓撲處理。其次在SuperMap 9D桌面軟件中進行專題地圖編制,對點、線、面、注記圖層進行相應的符號、色彩、文本的風格設置,并導出PDF格式的地圖文件。最后將地圖文件導入到Adobe Illustrator,添加圖廓、圖名、圖例并對專題的地圖風格進行統一的加工與美化,完成專題地圖的制作。

3.5 “消防疏散APP ”Android版開發

“消防疏散APP” Android版是為項目演示定制開發的一套用于消防管理工作的APP(圖3)。與傳統的B/S、C/S 端相比,移動端APP具有體量小、操作簡單、便于傳播等特點[10]。APP采用java語言,基于Android Studio 4.0以及SuperMap iMlbile 9D平臺進行開發。主要實現功能有(1)POI查詢:對醫院、消防站、避難場所進行查詢與展示;(2)二維地圖展示:展示院落總體平面圖以及各個樓層消防疏散平面圖;(3)三維場景展示:實現三維場景漫游展示、點云數據展示、VR全景漫游展示等。

圖3 消防應急疏散平面圖

4 結束語

隨著人民生活水平的不斷提高,火災危險源也越來越多,火災風險也隨之增加。近年來,測繪地理信息技術趨于融合發展,測繪地理信息服務領域的內外業一體化、軟硬件一體化也更加明顯,同時,云計算、物聯網、大數據、三維激光掃描、VR、AR等技術的不斷發展,也使測繪地理信息技術為消防應急疏散救援提供整體解決方案成為可能[11]。本文采集了研究區三維激光掃描點云數據,研究了建筑物分層疏散平面圖以及三維場景制作的流程與關鍵技術,為消防應急疏散救援提供輔助決策,下一步將充分結合物聯網、人工智能、大數據等技術,充分發揮測繪地理信息技術在智慧消防解決方案的中的作用[12],服務于智慧城市的建設。