基于GIS的大型公共场所突发事件实时数据采集与可视化研究

邢炜光

(天津市勘察院,天津 300191)

随着经济社会快速发展和城市现代化水平不断提高，灾害事件对城市功能正常发挥的影响程度和波及范围也越来越大[1-3].城市内的突发事件时有发生，对社会经济和人民的生命财产造成的损失就越来越大.大型公共建筑疏散模拟及救援调度研究涉及大量的空间地理信息.地理信息系统(GIS， Geographic Information System)可以实现空间信息及其他各类信息的有效管理，并能对地理信息数据进行查询、检索、统计和计算[2-5].因此，构建基于GIS的大型公共建筑应急疏散救援决策模型，可以模拟优化各种突发事件条件下最优应急疏散策略及救援策略，为政府有关部门在城市建设和城市防灾规划中的决策提供科学依据.

本文以济南市大型建筑应急疏散系统为研究对象，讨论了基于GIS的疏散区域的数据实时采集与可视化、空间查询分析、火灾蔓延分析、最优路径选择等问题及其解决办法.以济南市大型建筑应急疏散系统为例，设计和建立了应急救援疏散数据库，拓扑济南市道路网，设计济南市大型建筑应急疏散地理信息空间数据库，实现地操作的各种辅助功能，最后详细论述了如何实现上述几项关键技术.

1 火灾蔓延分析模型

在大型公共场所应急救援过程中，存在着大量的问题要求指挥人员必须立刻做出决策进行指挥；同时，心理学家的研究表明，决策者在同时考虑10个以上的变动或者矛盾因素时，将会感到十分困难[6].在应急救援的过程中，指挥部高层决策者往往需要考虑几十个复杂的决策因素，以往那种依靠个人经验和直觉的决策方式远远不能满足现代管理决策的需求.空间决策支持系统可以将GIS、数据库、模型库、历史资料分析等有机地结合起来，可以对决策全过程或主要环节提供全面、有效的支持[7-12].

图1 t2模型的四种基本类型

图2 t2稳定火源模型热释放速率曲线

火灾热释放速率曲线的确定是火灾基础研究的一个重要问题，现在通常称这种研究为设定火灾.目前应用较为广泛的有三种模型：初期增长模型、全过程模型、多件物品的热释放速率叠加模型.

火灾增长模型在计算上具有简便的优势，目前一般用下面的二次方程描述:

Q=a(t-t0)

(1)

其中，Q为燃烧热量(kW)；a为火灾增长系数(kW/s2)；t为点火后的时间(s)；t0为开始有效燃烧所需的时间(s).

综合大量试验的结果现在一般将其分为慢速、中速、快速、超快速等四种类型，各类火灾增长的火灾增长系数依次为0.002 931、0.011 27、0.046 89、0.187 8，如图1所示.一种常用的方式就是将按照火灾的发展过程将热释放速率曲线分为三个阶段段：初期增长阶段采用t2模型描述，在充分发展阶段认为热释放速率维持不变，在减弱阶段则按线性减弱处理[13-14].模型简图见图2所示.

2 基于GIS的大型建筑应急疏散系统关键技术

GIS可以方便地对空间数据进行采集、分析、管理、输出等，并具有区域分析、多种要素分析和动态监测的能力[2-4].与一般的数据库不同，GIS不仅可以高效地处理空间数据，而且还可以管理有拓扑结构的图形数据，并建立两者之间的关系，因此特别适用于建立大型建筑应急疏散系统.

2.1 空间数据采集与编辑

GIS是描述、采集、存储、管理、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统[1].数据采集和入库是建设GIS系统的一个重要环节.目前，数字化地图是GIS数据获取的重要方式，对于GIS基础地理数据的获取，应综合应用以下4种方法加以解决[1-3].

1)现有地形图资料.直接进行矢量化处理并建立相应的拓扑关系，形成矢量图.它的优点是快捷、省力、省时，自动化程度高；缺点是后续处理工作量相当大，自动效率低.

2)图像资料.其基本过程是用数字摄影测量仪器和软件对影像资料(航摄相片或卫星影像或近景相片等)进行数字采集，最后编辑成图.它的优点是图幅的精度高，可以形成多种产品(如数字地面模型、数字高程模型、数字正射影像、数字线画图、数字栅格图等)；缺点是对软硬件设备的要求高，技术含量高.

3)实地数字测量.其基本过程是利用GPS、电子全站仪等在野外实测直接生成数字地图.实时获取GPS数据对于应急事件的处理提供了数据支持.在应急事件管理中，对实时确定应急事件的发生点，为疏散人员确定最佳救援路径，以及实时跟踪医疗救援的车辆，提供了很大的便利.

4)实时获取气象数据.火灾的发生与气象条件相关，所以获取其相关数据是有必要的.影响火灾区域蔓延的因子有：风速、风向、空气湿度等.在大型场所突发事件中，实时数据主要包括GPS数据和气象数据.现在已经普遍采用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)直接测量地面点的大地纬度和大地高度，GPS以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称.气象数据的实时获取还需要得到气象部门的支持与帮助，才能及时得到和更新信息，来模拟和预测应急事件的发展趋势.因此，各个部门相互合作，才能提高城市管理的效率，高效的解决城市内复杂的突发事件.

2.2 空间数据管理

地理数据存储是GIS中最底层和最基本的技术，它直接影响到其他高层功能的实现效率.对于庞大的地理数据，需要采用数据库管理系统进行管理[1-3].GIS中的数据分为栅格数据和矢量数据两类[1].大多数GIS系统中采用了分层技术，根据地图的某些特征，把它分成若干层，而不是整幅地图，因而能够对用户的要求做出快速反应.

2.3 空间查询与空间分析功能

空间查询和空间分析是指从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识，包括如拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析以及地学分析，如最佳路径分析.地理数据的空间分析功能是GIS得以广泛应用的重要原因之一.通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的.GIS的空间分析分为矢量数据空间分析和栅格数据空间分析两大类.矢量数据空间分析包括：空间数据查询和属性分析，多边形的重新分类、边界消除与合并，点与线、点与多边形、多边形与多边形的叠加，缓冲区分析，目标集统计分析.栅格数据分析包括：记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析.

3 可视化的实现

可视化技术可以帮助救援或决策人员更为直观地观察灾情，以便为突发情况的及时处理提供决策支持或帮助.可视化技术主要包括查询技术、火灾区域蔓延分析和救援最优路径规划.

3.1 查询技术

在系统功能面板上点击“查询-查询火灾点”(如图3所示)，电子地图上会显示火灾发生点，用闪烁显示.点击“查询-查询视区”，查看火灾点的放大图(如图4所示).

图3 火灾发生点查询 图4 火灾发生点定位

查询分析主要包括三部分：第一，基本属性信息查询；第二，SQL查询；第三，模糊查询.实现不同用户的不同需求.

1)基本属性信息查询实现.在系统功能面板上点击“查询-基本属性信息查询”按钮，显示在电子地图上，点击对象查看对象属性信息.如图5所示，属性表显示选中区域为大明湖附近建筑的基本信息(包括火灾发生概率和烟雾浓度).

2)SQL查询技术实现.SQL查询主要功能是根据对象的某一属性字段查询其一类符合条件的实现方法.查询烟雾浓度的窗体如图6所示，此查询结果如图7所示.

图5 属性信息查询 图6 SQL查询 图7 SQL查询结果

符合查询条件(烟雾浓度大于1的居民区)的查询结果在axSuperGridView1中显示，右端的字段“烟雾浓度”显示了居民区内对应的火灾发生概率和其他属性值.

3)模糊查询技术实现.模糊查询主要功能是根据用户输入的模糊命令，对符合查询条件的对象加以显示.

3.2 火灾区域蔓延分析

火灾区域蔓延分析主要是利用缓冲区分析功能.对着火区域生成多重缓冲区，形成火灾区域的影响域.

1)实时模拟.首先确认火灾发生时间，然后根据火灾区域的燃烧级别选择不同的增长速率(慢速0.002 931、中速0.011 27、快速0.046 89、超快速0.187 8)，依据现有的资料和数据适当选择空气湿度、外界风速和风向，最后生成一个模拟图，判断和分析着火区域的影响区域，确定着火区域的死亡区、重伤区、轻伤区、烟雾区(其中黑色范围内为重伤区)，进而为内部的逃生人员确定合理的逃跑路径，并实时通知馆内人员选择入口采取营救措施.影响火灾区域蔓延的若干因子有火灾已发生时间，火灾的增长速度，空气湿度，风速和风向，如图8所示.确定着火区域后，依次选择各因子，选择实时模拟，如图9所示.

图8 火灾区域蔓延因子 图9 15 s分析图 图10 20 s分析图

在图9中，右侧为火灾蔓延因子控制区，地图下方显示各蔓延区域的详细信息.生成的蔓延区域分为三级：死亡区、重伤区、轻伤区.其中处于黑色环内区域为死亡区，最外层为轻伤区，中间为重伤区.宾馆内烟雾的扩散速度大于馆内人员的逃生速度，所以烟雾区弥漫于整个走廊中，甚至整个楼层都会感觉到烟雾的存在.此时，应采取果断措施，如隔离着火区，疏散重伤区和轻伤区，紧急搜救死亡区，制定并实时通知馆内人员的最佳逃跑路径.通过比较两个图(图9和图10)，明显看出各个蔓延区域都扩大，尤其是死亡区扩大，附近的出口需关闭，应及时调整疏散路径并实时通知馆内人员.

2)自动模拟.选择自动模拟后，选择时间间隔，进入自动模拟状态.然后等待模拟图像的变化.如图11显示选择自动模拟后的按钮状态.自动模拟图过程图，如图12所示.

图11 自动模拟各控件状态 图12 自动模拟过程图

3.3 救援最优路径规划实现

在这里用到SuperMap Objects提供的TrackingLayer对象，该对象隶属SuperMap 库，不可创建，具有如下特性：跟踪层位于地图的最上层，可用于同时显示点、线、面、文本等几何对象.在电子地图上用圆域选择一定范围内(如1 000 m内)的医疗救助点，符合条件的点用红色显示,如图13所示.然后，利用跟踪图层的特性，划线确定医疗救援的路线.并实现对救援人员的实时跟踪,如图14所示.

图13 医疗救援查找 图14 医疗救援路线

4 结论

大型建筑应急疏散不但可以控制应急事件后果，减少伤亡和损失，而且对应急处理道路上其他突发事件也非常有意义，对具有快速反应能力的大型建筑应急疏散提出了新的挑战.本文旨在建立一个城市管理系统的地理信息平台，提供一种地理信息专业的应用思路，目的是为了更好的发挥GIS在大型公共场所应急疏散领域的作用，实现公共场所疏散调度的现代化、智能化、科学化，以保障安全、快速、有序地疏散人群.

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