基于三維地理信息數據和SuperMap GIS的森林公園消防救援路徑規劃應用研究

饒秀俊

摘要：

消防救援工作主要包括突發災害救援、消防風險防范等內容，是人民群眾生命財產安全的重要保障。隨著時代的進步與發展，消防救援智慧平臺的設計正在由平面走向三維，由數字走向智能。在消防救援智慧平臺的開發和實施中，測繪地理信息技術一直是最主要的技術支撐，用于提供基礎底圖數據。近幾年來，無人機低空攝影測量、三維激光掃描、全景攝影、三維建模、三維地理信息系統（3D GIS）等新興科技的發展與應用，為消防救援平臺的設計帶來了更多的技術支持。本文便立足于三維地理信息數據和SuperMap GIS的應用，對消防救援路徑的規劃與應用進行了相關研究，旨在對消防救援路徑進行科學規劃，為我國城市消防工作的相關決策和智慧化應急方案的制定提供科學化、精準化的數據依據。

關鍵詞：三維地理信息數據；SuperMap GIS；消防救援；路徑規劃

引言

近幾年來，國家經濟和社會的迅速發展，大大提升了人們的生活水準，大眾對于消防問題的關注度也日益提高，越來越重視自身生命財產安全的維護。為了構建完善的公共安全防御系統，對應急救援與綜合救助的全社會現有資源進行有效整合，我國設立了應急管理部，并以“全災種、大應急”為宗旨打造了專業的消防救援主力軍[1]。南平市作為一座森林城市，其九峰山森林公園為公眾提供了一個親近自然、休閑娛樂的好去處，有助于提高人們的生活質量。在森林公園建設過程中，務必要考慮消防路徑的合理規劃問題。為了提升消防救援隊伍整體工作的科學性與安全性，保障救援隊伍能夠快速到達救援點，規劃科學的消防救援路徑至關重要[2]。

一、三維地理信息數據的采集與選取

（一）影像控點布設及測量

影像控點（Photo Control Point）是指根據影像數據進行加密或成圖時，進行定點定位的一種特殊的控制點，其特征表現如下。第一，只有地表坐標的平面控制點（即水平點）。第二，只含有地表高度的像片點（即垂直點），也就是所謂的高度控制點，即常說的海拔。第三，集地表平面坐標與地表高度于一體的影像平高控制點（即平高點）。對于影像控點的布設，需要按甲方規定的測區范圍、航空攝影資料、國家標準、后續工藝流程以及數字線劃圖成圖精度要求等為依據，對控制點進行科學布置，明確測繪中各個控制點的分布、數量和測量精度[3]。

（二）無人機系統低空拍攝

無人機（UA）是一種受遙控或自動飛行控制的飛行器，又稱為遙控飛行器（RPA）。無人機系統（UAS）是指由無人機、相關的地面、指揮控制站、無線指揮指令和控制數據鏈和經認可的模型設計指定的其它組件構成的一個體系[4]。

1.垂直拍攝

垂直拍攝是指攝影機的主要軸線在近似垂直的角度進行拍攝，它主要通過無人機系統中安裝的可見光傳感器進行圖像獲取，在測繪地理信息數據采集中有著重要應用。在利用無人機進行低海拔垂直拍攝圖像資料前，首先要做好影像控點的布置與坐標測量，以確保空中三角測量、生產數字線測圖和數字正射圖像等后續資料處理過程的準確性。

2.傾斜拍攝

傾斜拍攝是指攝像機的主光軸從非垂直或水平方向，以特定的傾角進行拍攝，它是目前國際上測繪地理信息產業中普遍采用的一種數據采集和測量方式。傾斜拍攝技術一般采用一系列不同角度和焦距的多個攝像機組合，一次曝光即可獲取多幅圖像。比較常用的是5鏡頭，也就是1個鏡頭朝下，4個鏡頭傾斜。此外，采用3軸云臺控制的單目攝像機，也可以進行傾斜拍攝作業。一種常用的方法是將單個攝像頭以一個特定的視角向下俯瞰，并將其作為一個豎直交叉的“井”字型，在空中飛行過程中，攝像頭總是與無人機行進的方位在同一軸線上，這樣就可以完成對建筑頂部和側面的材質進行來回拍照。

（三）數字正射圖像

數字正射圖像實際上是一種以數字化形式進行存儲的正射影像圖。其集地理位置信息、地圖幾何精度及圖像特性于一體，具有高精度、二維信息豐富、直觀逼真、數據構造簡單等特性，可以對二維的距離、水平角度、面積等進行測量，并獲得二維數據。在實際應用時，為了獲取精確的地理信息數據，需要利用垂直拍攝獲取圖像資料，根據1∶1000的比例尺精確標準，制作出高分辨率的立體圖像。

（四）數字線劃圖

數字線劃圖是一種以矢量形式表達和儲存的數字化地圖，也被稱作“數字矢量地圖”。數字線劃圖是一種以點、線、面三種形態或圖形符號表達地形、地物和地貌特征的空間矢量數據集，其中涵蓋控制點、居民地、交通設施、水系設施、獨立地物、管道、邊界、地形、土壤、植被、城市構件等多個領域的測繪元素。具體應用中，應在參照《航測內部業資料處理》中有關數字測繪標準需求的前提下，利用垂直攝影獲取圖像數據資料，以1∶1000比例尺精度標準，制作出的基礎地理信息數據[5]。

（五）真實場景中的3D建模

三維地理信息模型（3D GIS）能夠將有關地理要素的位置、幾何形態、表面紋理和特征等數據資料以可視化形式表達出來，其涵蓋各類地表和地下空間，不包含地面建筑物內部的地理信息資料，這種模型即我們常說的3D模型。一般而言，建筑3D模型依據模型元素可以劃分為建筑物、交通、地下空間設備、水系、植被、管線、場地等類別[6]。而具體進行3D建模的方法包含主體建模、細節建模、象征建模三種。在進行3D模型的構建和制作中，其數據信息的獲取主要涵蓋屬性、紋理、幾何三個維度。在進行幾何數據獲取時，要保障所測量數據的現勢性，并能達到一定的精度。在獲取紋理信息數據時，應該注意以下幾點：弱光，不要逆光；盡可能多對拍攝地物的各個細節部位進行圖像采集；嘗試使用能夠表現物體表面圖像的通用紋理。對于屬性數據的獲取，要注意以下幾點：數據的獲取要與幾何數據和紋理數據同時進行；如有需要，應在現場進行核對和檢查，以確保數據資料的準確性和完整性；屬性數據資料的編碼要求具備系統性、科學性、統一性和易擴充性等特性。

二、基于SuperMap GIS 9D的二三維場景應用

SuperMap GIS平臺的iDesktop 9D軟件，在原8C版本所支持的3D動態繪制、WebGL、VR、Docker、空間大數據引擎以及室內導航等功能的基礎上，進行了進一步的更新，拓展了分布式的空間數據引擎以及3D GIS功能，其中3D GIS功能主要以機器學習、深度學習等智能算法為技術支持，同時該平臺能夠支持端GIS、云GIS、BIM數據融合以及自主操作系統等諸多技術，并應用了國產自主CPU。

（一）消防救援緩沖區分析

在測繪 GIS中，“空間分析”作為一種數據分析技術，主要通過基于地理信息對象的幾何形狀和形態特性，提取和傳輸其空間幾何信息。在此基礎上，其主要用于向量資料的分析，涵蓋疊加分析、緩沖區分析以及鄰接分析等。其中，緩沖區分析實際上是將被測目標作為一個中心點、線或面，設置一個或多個距離值，生成一個或多個同心圓、平行線或擴展圖形區域。SuperMap GIS可以在平面上對點——線——面的三維數據進行一次緩存的解析和多次緩存的分析。在 SuperMap GIS中，該分析方式主要基于二維笛卡爾坐標系的歐氏緩沖區方式，即兩個點到兩個點的直線距離，其主要度量二維笛卡爾平面內用于確定笛卡爾平面上兩個點間的直線和歐幾里得距離的空間[7]。歐氏緩沖區是一種更為常見的緩沖區類型，它尤其適用于在投射坐標系統中分析元素附近的空間分布，度量范圍相對較小。

（二）消防員最優行走路徑規劃

在地理信息系統中，作為最為基礎的功能應用，交通分析在消防救援路徑規劃中有著重要應用。實際應用中，應以互聯網上的線和節點作為研究對象，主要分析它們之間的屬性和聯系，進而解決現實交通中可能遇到的各種問題。在此過程中，GIS系統主要發揮分析道路網、構建拓撲模型、計劃路線以及進行導航分析等，主要應用在尋路、定位等方面。近幾年，這一功能在電子導航、交通旅行、城市規劃管理等方面得到了廣泛的運用，同時還在電力、通信等各類管道、管線的布局設計和調查分析中有所運用。道路交通網絡是城市網絡模型中最常用的一種，它是實施交通分析的重要數據組成。在道路交通網絡模型中，直線線段代表的為道路，節點所代表的是交叉路口。在進行模型構建時，需要注意其數據信息與現實交通規則的匹配，包括某些路段的特殊行車規則等，這些都是其特有的網絡特性。

最優路徑分析通常是在交通網絡模型中兩個結點間的最優路線，如果要對多個結點進行最優路線設計，就需要根據該路線上各結點的先后次序來進行。在消防應急救援作業中，如何使消防車和消防噴淋接合器以最短的路線到達火災現場進行撲救，是消防救援中的一個關鍵步驟。因此，在優化路徑規劃中，考慮最短路線即為最優路線。

（三）實景3D場景應用

基于SuperMap GIS平臺應用，應以傾斜影像測繪所建立的實景3D模型為基礎數據，對OSGB原始文件進行S3M文件壓縮緩存，并與3D著火點質點動畫仿真CAD與建筑物信息單體化平面數據庫相融合，實現3D立體視覺環境的可視化，旨在提升加載速度和顯示效果。

1.最優行走路徑的實景3D俯視視圖

使用已完成的2D視圖中最優行走軌跡的路由，并將其作為3D場景俯視飛行路徑的基本信息。在此基礎上，利用投影變換將其轉化為經緯向量[8]。將變換好的經緯向量線裝載到3D環境中，并將物體樣式設定為粘貼物體，即使其軌跡與真實物體3D模型相吻合。此處不同于平面圖中在每一條岔路都會增加一個結點的情況，3D航線是將所有已經轉向的結點都集中在了一起，然后再逐個設定各個觀測點的參數，包括高度、方位、俯視角度以及飛行速度等。進行俯視直線飛行時，應調節各個參數至獲得最佳顯示效果。

2.實景3D建模與屬性視圖

（1）實景3D俯視航線的末端位于仿真著火建筑的周圍，當無人機抵達最終目的地時，可以以建筑物為圓心，設定圍繞物體轉動的速度參數，就可以360°查看建筑物的結構、層數、出入口位置等。還可以根據實際的滅火需要進行手動自由瀏覽，比如選擇、放大、縮小、移動、拖拽、漫游、角度調整等。

（2）為了實現單體建筑物的有關屬性能與真實場景的3D建模吻合，需要對傾斜拍攝測量建立的實景3D模型進行單體化矢量面，進而形成相應的數據集。在3D場景中，需要構建3種不同的3D數據集，分別為3D著火點質點動畫仿真CAD數據集、3D建筑物單片矢量化數據集以及3D傾斜拍攝影像建模數據集。假定在2D視圖中有一處起火點，那么3D空間中相應的位置就會顯示出該區域的3D圖像，消防員可以通過這個3D圖像看到該區域的具體數據，包括層數、結構、空間位置坐標、面積、周長等[9]。

3.實景3D場景的立體測量與計算

在2D視圖地圖測量中，測量的內容包括距離、角度和面積，不能測量出高程，無法很好解決測量需要的高程問題。通過傾斜拍攝測量建立的實景3D模型，不但能真實記錄地表紋理，而且由于3D地理信息數據的增加，整體模型能夠精確測量3D場景中的距離、高程和空間角度，從而可以進行一些以海拔數據為支持的空間分析，例如坡度、通視、水紋淹沒、日照、天際線分析等。

結語

森林公園的建設和發展對于保護生態環境、促進人們身心健康、提升城市形象等都具有重要意義。同時，它還可以推動地方經濟的發展和科普教育的開展。基于森林防火的重要性，在消防救援過程中，救援路徑的規劃極為重要，決定了救援工作的效率。隨著當前5G、云計算、大數據、物聯網、GIS等高新技術的迅速發展，未來可將這些技術與消防救援工作結合起來，進一步提高救援路徑規劃的科學性和準確性，推進消防救援工作的智慧化、數字化發展。

參考文獻

[1]白玫.仿生算法的改進研究及其在火災疏散路徑規劃中的應用[D].長春工業大學，2023.

[2]宋英華，何子慧，郭晨.基于火場預測和多出口決策的協同進化救援路徑優化方法[J].中國安全生產科學技術，2023，19（06）：143-150.

[3]林侃迪，姜慶君.消防隊伍滅火救援標準化體系建設的重要意義及路徑探索[J].大眾標準化，2023（22）：66-68.

[4]費洪杰.無人機在消防滅火救援中的應用[J].今日消防，2023，8（05）：22-24+30.

[5]舒靜青.消防救援AGV小車路徑規劃及軌跡跟蹤算法研究[D].中南大學，2022.

[6]劉永軒，易致禮，張駿，等.測繪地理信息技術在消防應急解決方案中的應用[J].北京測繪，2021，35（09）：1216-1220.

[7]馬駿.普洱市消防救援路徑規劃系統設計與實現[J].消防界（電子版），2021，7（16）：57-58.

[8]李鴻一，陳錦濤，任鴻儒，等.基于隨機采樣的高層消防無人機協同搜索規劃[J].中國科學（信息科學），2022，52（09）：1610-1626.

[9]王羽翼.基于BIM和改進A～*算法的高層建筑火災救援路徑的動態規劃[D].西安理工大學，2022.