三維智慧消防可視化平臺設(shè)計與實現(xiàn)

隨著我國智慧城市建設(shè)和消防監(jiān)測監(jiān)控智能化技術(shù)的推廣，智慧消防被提出并成為破解城市消防安全困局的一種新思路和新路徑。

運用消防大數(shù)據(jù)、消防物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)構(gòu)建的“城市智慧消防”系統(tǒng)，可以有效整合社會各方力量，實時監(jiān)控城市火災(zāi)危險源，科學掌握城市火災(zāi)隱患，準確做出科學預(yù)警和判斷，系統(tǒng)構(gòu)建城市火災(zāi)防控體系，確保城市安全。2017年10月10日，公安部發(fā)布了《關(guān)于全面推進“智慧消防”建設(shè)的指導意見 （公消[2017]297號） 》 （以下簡稱《意見》） 指出，為深入貫徹落實中央政法委和公安部黨委關(guān)于提升政法及公安工作現(xiàn)代化水平的部署要求，加速推進現(xiàn)代科技與消防工作的深度融合，全面提高消防工作科技化、信息化、智能化水平，實現(xiàn)信息化條件下火災(zāi)防控和滅火應(yīng)急救援工作轉(zhuǎn)型升級，提出要綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)，加快推進“智慧消防”建設(shè)，全面促進信息化與消防業(yè)務(wù)工作的深度融合，為構(gòu)建立體化、全覆蓋的社會火災(zāi)防控體系，打造符合實戰(zhàn)要求的現(xiàn)代消防警務(wù)勤務(wù)機制提供有力支撐，全面提升社會火災(zāi)防控能力、部隊滅火應(yīng)急救援能力和隊伍管理水平，實現(xiàn)“傳統(tǒng)消防”向“現(xiàn)代消防”的轉(zhuǎn)變。

三維GIS智慧消防平臺研建的必要性

《意見》中重點指出，充分運用大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、地理信息等技術(shù)，依托公安網(wǎng) （消防信息網(wǎng)及指揮調(diào)度網(wǎng)） 、邊界接入平臺和公安PGIS地圖， 實現(xiàn)滅火救援的一張圖指揮、一張圖調(diào)度、一張圖分析、一張圖決策。

在現(xiàn)場可實現(xiàn)力量查詢、地理信息測量、作戰(zhàn)部署標繪、輔助單兵定位等功能，輔助指揮員開展計劃指揮和臨機指揮；

研發(fā)“六熟悉”管理系統(tǒng)，自動采集重點單位基礎(chǔ)信息和動態(tài)信息數(shù)據(jù)，同步導入一體化信息系統(tǒng)基礎(chǔ)信息，實現(xiàn)“一張圖”可視化管理；

各地根據(jù)預(yù)案等級和作戰(zhàn)指揮需求，采取基于地理信息系統(tǒng)的二維圖片、全景照片、三維立體建模、無人機傾斜攝影等技術(shù)編制數(shù)字化預(yù)案。

目前，在運行或在研的消防平臺系統(tǒng)多基于二維地理信息系統(tǒng)進行研發(fā)，二維地理信息系統(tǒng)僅能展示建構(gòu)筑物的平面信息以及消防平面信息，不能對三維地理信息進行展示。隨著三維建模技術(shù)的快速發(fā)展，對于消防重點單位、消防重點監(jiān)控區(qū)域等的消防管理、信息錄入、滅火預(yù)案、現(xiàn)場指揮等均有重要的實用價值。智慧消防平臺的三維化趨勢已經(jīng)勢不可擋。因此，高承載力、高融合性的三維GIS消防智慧消防平臺設(shè)計研發(fā)迫在眉睫。

三維GIS智慧消防平臺設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

GIS三維快速、低成本建模技術(shù)

傳統(tǒng)的建構(gòu)筑物三維模型建立技術(shù)，如CAD三維建模技術(shù)和航空攝影測量技術(shù)，均利用正攝二維影像信息建立三維建構(gòu)筑物立體模型。通過人工攝影方法獲取建構(gòu)筑物的側(cè)面紋理和地形起伏部分紋理。在此基礎(chǔ)上，通過商用三維輔助軟件進行人工紋理粘貼，最終生成較為真實的三維立體模型。因此，傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)工作量較大，且成本較高，不具有推廣性和廣泛使用價值。

隨著無人機傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)使得建構(gòu)筑物三維建模更加快捷方便，成本更低，且三維模型也更加精細真實，適用于大面積城市建構(gòu)筑物的快速三維建模。無人機傾斜測量技術(shù)是指利用無人機搭載多角度的傾斜攝影相機和定位定向系統(tǒng) （POS） ，獲取地面影像信息，進一步進行三維建模的技術(shù)手段。例如， 常見的五目傾斜相機在指定點拍攝，可以一次性獲取1個正射影像和4個傾斜影像。定位定向系統(tǒng) （POS） 則記錄無人機的經(jīng)緯度信息和空間高度信息。由于傾斜攝影可以從多個角度對地面建構(gòu)筑物進行信息采集。因而，無人機傾斜測量技術(shù)可以更便捷地獲取建構(gòu)筑物信息，大大降低了建構(gòu)筑物信息采集的工作量。

GIS三維消防地理信息系統(tǒng)

隨著廣義地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的深入，GIS三維地理信息系統(tǒng)被學者提出，以處理各行業(yè)真三維空間應(yīng)用問題。GIS三維地理信息系統(tǒng)是布滿整個三維空間的GIS地理信息平臺，與傳統(tǒng)的二維GIS地理信息平臺差異明顯，主要體現(xiàn)在空間位置和拓撲關(guān)系的描述及空間分析的擴展上。在二維地理信息平臺上，空間通過X、Y兩個坐標軸進行定義。而在三維地理信息平臺中，空間目標通過X、Y、Z三個坐標軸來定義，平臺增加了Z軸，即高度這一維度。GIS三維消防地理信息系統(tǒng)即通過在開源三維GIS基礎(chǔ)平臺上開發(fā)消防元素庫、消防信息數(shù)據(jù)庫、消防業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫等消防應(yīng)用元素，基于大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等智慧消防領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)，在三維GIS一張圖基礎(chǔ)平臺上開展空間維度的消防數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)消防歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)在數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和未來數(shù)據(jù)的預(yù)測推演， 真正地實現(xiàn)對四維時空的消防可視化分析和數(shù)據(jù)高效應(yīng)用。形成可以為消防物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)急救援指揮及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等智慧消防工作提供多功能服務(wù)的綜合性消防工作輔助平臺。例如， 在三維建筑 （構(gòu)） 物地圖的基礎(chǔ)上，設(shè)計消防三維封裝模型，可以在地圖上設(shè)置起火源，布置指揮部、消防車、消防員等消防作戰(zhàn)力量，實現(xiàn)可視化的消防預(yù)案設(shè)計與力量部署，為進一步實現(xiàn)GIS平臺的相關(guān)功能提供基礎(chǔ)模塊。

三維GIS智慧消防可視化平臺應(yīng)用案例

由于三維GIS智慧消防可視化平臺涉及面較多，先以作戰(zhàn)指揮平臺為例介紹GIS三維消防可視化作戰(zhàn)指揮平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。

消防指揮平臺的核心是作戰(zhàn)力量的部署與火場信息的反饋。未來消防指揮平臺應(yīng)該是三維可視化的消防作戰(zhàn)平臺，決策者可以實時獲取救援車輛與救援人員的三維狀態(tài)信息與實時位置，準確獲取災(zāi)害現(xiàn)場的災(zāi)變信息。決策者可以根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場的信息反饋。在平臺非常方便地進行三維電子沙盤推演，平臺能夠根據(jù)火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律， 并結(jié)合數(shù)學模型的算法，提前推演出災(zāi)害演化過程，以此指導消防作戰(zhàn)。

三維GIS消防可視化作戰(zhàn)指揮平臺應(yīng)具有以下功能：

（1） 平臺承載二維及三維地理信息，實現(xiàn)二維、三維地理信息的無縫對接?；谌S地理信息系統(tǒng)，搭建三維GIS消防可視化分析一張圖基礎(chǔ)平臺，基礎(chǔ)平臺將實現(xiàn)建筑三維單體的快速加載和相關(guān)數(shù)據(jù)的立體展示。此外，基礎(chǔ)平臺還將實現(xiàn)與傳統(tǒng)二維地圖平臺 （如PGIS地圖、天地圖、百度地圖、Google影像等） 的高度融合。

（2） 過火單位信息的三維高度集成與視頻影像的快速傳輸。消防隊伍出警前、出警中以及滅火作戰(zhàn)過程能夠準確地把握過火單位的詳細信息有利于科學地調(diào)度救援力量、準確地實施救援策略。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，三維GIS消防可視化作戰(zhàn)指揮平臺應(yīng)能夠?qū)崟r展示過火單位的詳細基本信息。實現(xiàn)消防控制室實時監(jiān)測信息的對接，包括視頻監(jiān)控信息、火災(zāi)聯(lián)動報警信息、水滅火系統(tǒng)裝備信息。實現(xiàn)采集災(zāi)情信息的實時傳輸，包括火場的溫度分布信息、有毒有害氣體濃度分布信息等。

（3） 三維可視化的精準作戰(zhàn)指揮與排兵布陣。消防指揮平臺的核心是作戰(zhàn)力量部署與信息反饋。三維可視化的作戰(zhàn)平臺可以實時獲取救援車輛與救援人員的狀態(tài)信息與實時位置，準確獲取災(zāi)害現(xiàn)場的災(zāi)變信息。決策者可根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場的信息反饋， 及時做出相應(yīng)的作戰(zhàn)部署。

（4） 快速遠程輔助決策指揮系統(tǒng)。三維消防作戰(zhàn)指揮平臺應(yīng)具有快速遠程輔助決策指揮功能，上級消防機構(gòu)或者滅火指揮專家能夠快速地了解并推測災(zāi)害演化進程，遠程與現(xiàn)場人員實現(xiàn)有效互動，準確做出決策指導，以此提高救援的科學性。

（5） 內(nèi)嵌虛擬火災(zāi)模型與救災(zāi)模型。開發(fā)沙盤演練與預(yù)案演練功能模塊，建立消防員、消防車三維封裝模塊，既能用于戰(zhàn)時指揮， 也能用于常時演練。基于火災(zāi)動力學模型與3D技術(shù)開發(fā)三維虛擬火災(zāi)模型。依據(jù)消防救援理論與三維虛擬火災(zāi)模型，智能劃定危險區(qū)域范圍，實現(xiàn)救援力量科學合理部署，做到消防救援有據(jù)可依。

基于三維GIS技術(shù)的一張圖智慧消防可視化平臺設(shè)計和實現(xiàn)方法。基于三維地理信息系統(tǒng)，搭建三維GIS消防可視化分析一張圖基礎(chǔ)平臺?；A(chǔ)平臺將實現(xiàn)建筑三維單體的快速加載和相關(guān)數(shù)據(jù)的立體展示。平臺應(yīng)能夠承載原有二維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二維地圖 （如PGIS地圖、天地圖、百度地圖、Google影像等） 與三維地圖的高度融合和快速切換。在此基礎(chǔ)上，基于大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等智慧消防領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)，在三維GIS一張圖基礎(chǔ)平臺上開展空間維度的消防數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)消防歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)在數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和未來數(shù)據(jù)的預(yù)測推演，真正地實現(xiàn)對四維時空的消防可視化分析和數(shù)據(jù)高效應(yīng)用。