基于三维GIS的城市消防应急系统研究

刘天财

摘  要：火灾是社会生活中发生最为频繁的灾害之一，给人们的生命财产安全造成巨大的损失。该文针对传统的消防应急信息化程度不够高，消防应急指挥员仅凭经验实施抢险救援活动，从而导致指挥调度效率低、实效性差、决策偏差大问题，应用三维GIS技术、倾斜摄影技术、数据库技术等构建三维GIS消防应急系统。系统集空间数据存储、管理、分析为一体，提供了地图基础功能、单位应急预案、消防应急等服务，使消防员能够在实景真三维场景中，进行消防演练和现场实战指挥调度，提高了消防演练的频次、效率和消防指挥决策的科学性，从而降低消防应急救援中生命财产损失。

关键词：消防应急  三维GIS  倾斜摄影

中图分类号：P208    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（a）-0017-04

Abstract： Fire is one of the most frequent disasters in social life， which causes huge losses to people's lives and property safety. In this paper， according to the traditional fire emergency informationization is not high enough， fire emergency commanders only rely on experience to implement emergency rescue activities， resulting in inefficient command and dispatch， poor effectiveness， decision-making deviation， the use of three-dimensional GIS technology， tilt photography technology， database technology to build a three-dimensional GIS fire emergency system. The system integrates spatial data storage， management and analysis， and provides map basic functions， unit emergency plan and fire emergency services. It enables firefighters to conduct fire drills and field command and dispatch in real three-dimensional scenes. It improves the frequency， efficiency of fire drills and the scientificity of fire command and decision-making， thus reducing life and property in fire emergency rescue. Losses.

Key Words： Fire emergency; 3D GIS; Oblique photography

近年来，频发的火灾严重威胁公众的生命安全和制约社会经济的发展，其具有发生频率高、突发性强、涉及面广、破坏力巨大的特点[1]，往往对公众的生命财产造成重大损失。消防实战演练由于需要花费巨大的人力、物力、财力，演练频次有限，传统的消防应急由于信息化程度不够高，消防应急指挥员仅凭经验实施抢险救援活动，从而导致指挥调度效率低、实效性差、决策偏差大[2]。随着地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）[4-5]技术和倾斜摄影技术应用往纵深发展，在防灾减灾方面应用越来越广泛，三维GIS技术与城市消防应急指挥深度融合，成为破解消防演练、消防应急指挥困局的新路径，消防指挥员可以在实景三维的场景中进行消防演练、应急指挥调度，实现消防应急的可视化、信息化，从而提高消防人员的整体素质、指挥决策的科学性，降低实战中火灾造成的财产损失和人员的伤亡。

1  系統关键技术

倾斜摄影技术[5]是国际测绘领域近些年快速发展的新型信息采集技术，它颠覆了以往单一垂直角度进行拍摄的传统航空摄影的局限，通过在飞行平台上搭载多台倾斜摄影相机（或传感器），同时从一个垂直、多个倾斜等不同的角度快速采集丰富的影像数据。倾斜摄影是三维成果真实，符合人类感知，具有真实丰富的纹理信息，可实现高精度测量的航空摄影技术[6-7]。其具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活等优势，能够满足快速、高效、精确进行实景三维建模的需求，广泛应用于城市规划、建设和管理等方面。

2  系统设计

2.1 总体架构设计

基于三维GIS的城市消防应急系统采用分层设计的思想，基于易扩展、松耦合的原则，总体架构为5层，如图1所示，具体描述如下。

（1）基础设施层。基础设施是平台的支撑运行环境，包括基础环境、计算资源、网络资源、存储资源，保障系统健康稳健运行。

（2）数据层。数据层包括基础地理数据库、专题数据库和系统数据库等，主要存储基础空间数据、消防资源数据、交通数据等，为系统提供核心的数据资源。

（3）支撑层。支撑层包括三维GIS平台（Super Map）和数据库管理软件，用于管理和发布数据服务。

（4）应用层。应用层在数据层和平台支撑层的基础上，根据消防应急的需求，系统提供基础地图功能、单位消防预案、消防应急等服务。

（5）访问层。根据相应的权限可以通过PC端、移动设备和其他终端进行访问操作。

2.2 功能设计

三维GIS消防推演决策系统功能主要包括地图基础功能、单位消防预案、消防应急服务等模块，功能结构如图2所示。

3  系统实现

3.1 地图基础功能

地图基本功能主要包括三维地图浏览、地图量算及标注。三维地图浏览有地图漫游和环绕浏览两种模式，地图漫游通过鼠标键盘实现三维地图的漫游控制;环绕浏览功能以3D视窗中心点为中心进行360度环绕浏览实景三維地图。三维地图量算主要包括距离量算、面积量算和高度量算，距离量算是指在实景三维空间中两点或多点间的距离，并能够在三维地图中标注出量算结果;面积量算在三维场景中测算出空间面积;高度量算能够在三维场景中测算出建筑物的高度等，为消防应急救援的科学决策提供基础数据支撑。

3.2 单位消防预案

单位消防预案模块，基于实景真三维地图，实现重点单位简介、建筑内部查看、进攻通道展示、指挥力量、特别警示等功能（见图3），为消防救援提供了信息支撑。（1）重点单位简介，展示重点单位的名称、地址、耐火等级等详细信息，查询建筑物内部结构、全景图、平面图、消防设施摆放、安全出口等重要信息;（2）建筑内部查看功能，可向消防员展示建筑内部的结构、环境及消防栓的分布情况。可将建筑设置为透明，通过三维地图漫游的方式查看安全通道、消防栓等的分布情况;（3）进攻通道展示，该功能将重点建筑以透明的方式呈现出来，并标注建筑灭火进攻入口，方便直观查看，并且实现了入口定位及现场图片展示;（4）指挥力量，展示消防指挥部（包括前沿指挥部、战勤保障部、社会联动部）结构及人员构成，可以进行各部门进行名称、联系方式等详细信息查看;（5）特别警示，可在实景真三维地图中查询展示易燃可燃场所，进攻通道关闭堵塞，周围道路交通等灭火救援应注意的情况。

3.3 消防应急服务

3.3.1 火情定位

火情定位是消防应急系统不可或缺的主要功能。消防应急指挥第一步就是确定火灾的位置，消防人员根据第一时间上报的火情位置，在实景三维地图中火情定位后，呈粒子效果动态逼真展示。火情定位模块包括火源位置定位和火源属性信息编辑，火源位置定位是在三维场景中自定义火源发生位置，并且可以编辑火源的强度信息。火源属性信息编辑是对火源信息进一步进行丰富补充，如火灾发生时间、火灾现场照片、着火面积及灾情等级等信息，进而消防人员能够对火情进行分析研判，从而进行火灾救援指挥。

3.3.2 灭火力量计算

在消防指挥调度中，须根据火情等级及周边环境情况等，研判需要调度多少灭火资源（消防车、消防水带等），以便科学有效地进行消防灭火。灭火力量计算分析根据火情的等级及周边环境情况，进行消防力量计算分析，为消防应急指挥提供科学数据，以便对消防资源科学合理调度。

3.3.3 最佳路径分析

路径分析功能针对火灾发生时之后，自动检索火源周边消防车分布情况，并展示救援力量分布点到火灾现场的可达路线，显示关键路口，标注路段长度，高亮显示整个出警路线。此外，还可以沿最佳路径，调取查看关键路口的监控视频信息，对路径是否可达、拥堵等状况进行分析，确保出警路线畅通。

3.3.4 消防资源查询

消防资源查询对消防相关资源进行检索以及缓冲区查询，实现“属性查图，图查属性”。“属性查图”是输入检索条件进行查询，在实景三维地图中展示消防资源的分布情况及属性特征。“图查属性”是以火源点为中心，设置缓冲半径并建立缓冲区，进而缓冲区与消防资源数据进行叠加分析，将缓冲区范围内的消防水源、消防车、消防人员及消防栓等资源展示出来，以便消防人员进行指挥调度。

3.3.5 消防应急演练

消防实战演练需要耗费巨大的人力、物力、财力，从而导致无法进行频繁演练。该系统消防应急演练功能为消防员提供火灾消防救援模拟演练。在三维场景中可利用粒子效果模拟不同的火情、火势，进行消防车调度，通过消防车摆放、消防车布设及消防水带与消防设施接口连接，布设进攻路线，进行火势侦查（见图3），最终以动态的效果展示出枪灭火过程，能过使用消防员熟练掌握火灾位置的环境情况、消防资源调度指挥及作战流程。

4  结语

该文以实景真三维数据为基础，面向消防演练与应急指挥的需求，应用GIS、倾斜摄影等技术构建了三维GIS城市消防应急系统，系统实现了地图基础功能、单位消防预案、消防应急等服务。三维GIS消防应急系统应用实践表明：消防员能够在实景真三维场景中，进行直观的消防演练和现场实战指挥调度，提高了消防演练的频次和效率、消防指挥调度的准确率和响应速度，提升了消防应急指挥决策的科学性。

参考文献

[1] 龚啸.城市消防规划关键技术研究[D].中南大学，2007.

[2] 贾奋励，宋国民，吕晓华.城市消防地理信息系统的设计与实现[J].测绘工程，2006，11（2）：52.

[3] 吴信才.地理信息系统设计与实验[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 余明，艾廷华.地理信息系统导论[M].北京：清华大学出版社，2009.

[5] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1997.

[6] 李德仁，刘立坤，邵振锋，等.集成倾斜航空摄影测量和地面移动测量技术的城市环境监测[J].武汉大学学报：信息科学版，2015，40（4）：427-435.

[7] 王伟，黄雯雯，镇娇.Pictometry倾斜摄影技术及其在3维城市建模中的应用[J].测绘与空间地理信息，2011，34（3）：181-183.