3DGIS在城市消防监督中的应用

赵腾　黄意诚　陈晓迪　王龙辉　田丽君

摘要：随着经济发展和城市化进程的不断加快，城市火灾事故不断增多，造成的人员伤亡和财产损失也越来越严重[1]。而消防监督不严与救援不及时是火灾发生和灾情加剧的主要原因。该文以消防安全基本原理为理论依据，结合Visual C#与SuperMap Object.Net 组件式GIS平台，实现了对城市群体建筑的信息管理、消防监督、户籍化管理、三维火灾模拟，并通过基于栅格GIS的最优路径分析完成了城市消防对设定着火点下进行火灾救援的实时三维模拟展示。

关键词： 3DGIS；户籍管理；消防指挥；火灾模拟

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2155-04

火灾是自然灾害中的重要灾种，其发生频度居各灾种之首，造成的直接损失约为地震的5倍[2]。据联合国“世界火灾统计中心”的数据，全世界有数百人因火灾丧生。近年来我国每年发生火灾约4万起，造成高达十多亿元的经济损失，5000-6000的伤亡人数。而且特大恶性火灾发生频率呈增长趋势，严重威胁着人民群众的人身安全和财产安全[3]。因此，对城市建筑进行火灾预防监督，科学救援成为城市消防工作中极为重要的一部分。具有强大空间分析能力、图形展示能力与数据库功能的GIS技术在消防通信指挥系统中早已有了广泛而深入的应用，随着近些年三维GIS的兴起与发展，其强大的空间展示能力与对客观世界更的真实表达等特点，必将会在城市防火减灾工作中得到越来越多的应用。该文以消防安全基本原理为理论依据，以朝阳区群体建筑物为例，应用GIS等相关技术手段，形成具有信息管理、辅助分析、辅助决策的综合技术平台。可实时绘制三维图形，实时添加、修改、录入数据，实现三维场景漫游、三维消防模拟等功能。并能对社会单位进行消防监督和户籍化管理，对着火单位进行消防模拟，为消防部门提供辅助决策，提高消防安全管理水平，完善火灾防御体系，并且为社会单位消防提供技术支持。

1 系统总体设计与构建

地理信息系统（GIS—Geographic Information System）是集采集、管理、操作、模拟和显示、分析处理空间相关数据的软件，一方面能适时提供多种空间和动态的地理信息，形成自己的产业 [4]，另一方面可以推进空间信息应用与产业的发展，是空间技术应用领域的主要软件基础，具有广阔的应用前景[5]。

1.1 系统开发平台选择

目前进行GIS应用程序开发主要有三种形式：1）完全自主开发；2）在已有成熟的GIS平台上进行二次开发；3）利用GIS组件进行开发[6]。由于组件式开发简单、灵活，周期短，可脱离平台独立运行等特点，本系统采用此种开发形式，按照三层模型-数据服务层、应用逻辑层、界面层来构造的。

1.2 数据准备

空间数据与属性数据是地理信息系统中两种重要的数据类型。空间数据是用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，而属性数据是描述空间对象属性特征的数据[7]。

城市消防监督以及其他基于GIS的防灾减灾工作的实现都依靠城市GIS数据库的支持。GIS数据库的设计和建立是整个工作的关键。此系统首先对城市地理数据进行实地数据采集，然后进行归类整理，通过人工校对和计算机校对确保准确性，最后进行录入。

根据消防系统需要，结合现实生活我们分别设计建筑物和户籍单位属性数据的结构。

1.3 三维建模

随着三维GIS 技术的发展，精准的三维建模为三维空间的信息分析和处理提供了可能， 使城市中的物体具有了真实的三维感，也使用户能更直观、随心所欲地在三维世界中漫游，达到身临其境的感觉[8]。3ds Max是一款优秀的三维动画软件，拥有完善的建模功能，并且可以与后期软件结合，使制作流程更为流畅[9]。在3ds Max三种建模方法，多边形，面片及NURBS建模中，建筑物使用多边形建模最简便快捷[10]。建模完成后对建筑进行拉伸和适当修改，然后给模型赋予材质和贴图，使效果接近真实。利用SuperMap公司提供的插件我们可以方便的将3ds Max模型导出合适的格式文件，再倒入SuperMap Deskpor平台中，对三维场景进行整体协调处理，如对比度、亮度、色彩等进行调节。对道路和空地添加树木，使观看效果更佳。

1.4 系统模块划分及功能概述

城市消防监督系统分为四大功能模块，分别是三维场景管理、数据查询与分析、数据分类管理、重点监督单位管理、消防模拟功能，系统功能模块图如图1所示。

1 ）三维场景：打开三维场景进行显示。若视角不佳，可以直接恢复到初次视角。在不需要展示时可关闭三维场景或者退出。

2） 数据查询分析：通过模糊查询对建筑物进行查找，也可通过点击建筑物进行查询。自动定位到查找目标并弹出基本信息。

3 ）数据分类管理：对建筑物、单位的各类基本信息进行数据处理。

4 ）重点监督单位管理：对重点消防监督对象的各类基本信息进行数据处理。备案表可为消防部门进行详细的建筑单位消防信息管理，并可直接打印。

5 ）消防模拟：通过单位名称模糊查询，定位到着火点，设置为着火状态。通过与已有消防单位在网络数据集上进行最优路径分析获得最佳救援的消防单位并全屏显示路线。然后进行消防模拟：消防车从最佳的消防单位出发，动态行驶到着火点，进行喷水灭火演示。

1.5 系统亮点及技术特色说明

1.5.1 最优路径分析

亮点描述 最优路径查询及消防救援路径分析，是基于SuperMap GIS平台的最优路径分析接口，通过C#编程很好的实现了自动寻找距离着火点最近的消防站，进行救援路线的最短路径分析。为城市消防救援工作提供辅助决策，简化了消防部门的救援程序，节约救援时间，提高救援效率。

技术特色 当火灾发生时，用户可根据单位名称进行模糊查询找到着火点，双击单位名称或者点击定位按钮进行定位，设为着火点后建筑变为着火状态。点击路径分析，全幅显示场景，并绘制一条从消防站到着火点的路径。

下面是实现最优路径分析的代码片段：

1.5.2 消防模拟

亮点描述 通过3dsMax软件与SuperMap Realspace技术结合三维虚拟仿真技术实现火灾现场三维场景模拟及模拟消防车从消防站出发到达着火点的全过程，以较直观的表现方式帮助用户了解现场火情和沿线建筑状况。

技术特色 SuperMap Objects 6R系列是基于Realspace的二三维一体化的组件式GIS开发平台，适用于快速开发专业级C/S结构应用系统。

部分代码：RemoveTrackingLayerObject（"ParticleFountain2"）； //自定义移动图形route.FromGeoLine3D（m_line3D）； //路径

1.5.3 喷水效果

亮点描述 通过计算消防车与着火点的角度，决定喷水的方向。

技术特色 调用SuperMap Objects 6R自带的接口时喷水方向固定，通过计算消防车和着火点的位置关系，动态实现喷水角度。

部分代码如下：

2 系统应用实例

2.1 三维展示与分析

该系统是以北京市朝阳区王四营村为例，在二次开发中运用SuperMap Objects 6R三维组件，结合3ds max三维建模工具开发出来的三维模拟城市场景，并在该场景里实现了一系列的数据管理和三维分析功能。例如三维漫游、三维模型定位和查询、三维粒子效果、三维路径分析等功能，如图2所示。

2.2 救援最优路径分析

该模块是基于网络模型来分析着火点和王四营地图的消防站之间最近距离。在分析过程中，先分析得出着火点到两个消防站的两条最近距离路线，然后将这两条路线比较选取更合适的路线。然后在场景中突出显示。如图3所示。

2.3 三维消防场景模拟

此处以北京市朝阳区柏阳学校为例，对该建筑进行三维虚拟仿真模拟，通过对火灾的三维火灾模拟，以较直观的表现方式帮助用户和消防队员了解火灾现场的火灾情况。并通过最优路径分析得出从最近消防站到着火点的最优路线，以跟踪消防车的第三视角遍历整条路线，让用户和消防队员有效熟悉路线环境，最后展现消防车对着火建筑物喷水效果如图4所示。

3 总结

本文结合当今的社会实际灾害问题，主要介绍了城市消防监督系统的总体思路、设计和主要功能，说明三维GIS在防火减灾中应用的巨大潜力，为了使系统在实际使用中真正发挥作用，还需要不断完善和发展，如计算机辅助决策系统应与社会实际更紧密结合，三维GIS功能与科学的应急灾情处理方法结合起来。应用3DGIS可视化的数据表达，可对计算结果有一个直观形象的宏观展示，为防震减灾工作提供有效的信息支持，具有一定的实用意义和发展前景。

参考文献：

[1] 周亚飞，刘茂.基于GIS的城市火灾风险评价及其在防灾规划中的应用[J].灾害学，2010.

[2] 冯春莹，徐志胜，徐亮.城市火灾模拟分析与消防应急指挥系统的设计与实现[J].防灾减灾工程学报，2005.

[3] 李友化.火灾自动报警控制系统的工程应用技术研究与优化设计[D].广西大学，2009.

[4] 饶俊，王琳.GIS技术在消防信息系统中的构建[J].消防技术与产品信息，2006.

[5] 余明，艾延华.地理信息系统导论[M].清华大学出版社，2011.

[6] 阮晴，何宗宜. 基于3DS MAX的武汉大学校园立体图的制作[J].测绘通报，2002.

[7] 王警，方音. 控规编制中空间数据与属性数据一体化方案[J].城市规划，2007（04）.

[8] 王迅. 近景摄影与3DS MAX 在3 维建模中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010.

[9] 赵子龙.基于3ds Max的城市三维建模技术[J].价值工程，2013.