无人机三维建模在消防应急救援中的应用探析

崔建华

（消防救援局昆明训练总队，云南 昆明 650208）

随着我国社会经济的快速发展，消防应急救援及火灾防控所面临的形势更加严峻，特别是在消防部队转隶应急管理部以后，消防应急救援的职责由处置“单一灾种”向应对“全灾种”“大应急”转变。在转型升级中，消防救援队伍必须要摒弃原有观念和习惯思维，切实增强自然灾害监测预警能力和指挥调度的分析研判能力，才能保障消防应急救援行动的高效展开。为解决消防应急救援中存在的灾害现场信息缺失，指挥混乱，灾情处置不力等现实问题，传统的二维数据已不能满足应急救援的实际需求，迫切需要建立三维数据。而基于无人机的三维建模技术的逐渐成熟，能够实现灾害现场快速三维建模与时空灾变信息的采集，为应急救援指挥决策、力量部署提供有力的数据支撑，推动了智能化应急救援的发展。

1 无人机实景三维建模技术

人们生活在一个三维空间，所有的物体都可以进行空间化、属性化和地理实体化。实景三维建模技术可以理解为实景还原技术，利用二维影像或倾斜影像，自动生成高分辨率且带有逼真纹理贴图的三维模型，能够达到测绘级精度并可实时测量，倾斜影像带有的POS信息能为三维建模的基础数据添加地理位置信息。传统的三维建模设备昂贵，流程复杂，智能应用少，对建模人员的要求较高，不能满足我国各行业对实景三维建设的迫切需求。与传统的实景三维建模相比较，无人机实景三维建模技术作为测绘领域的一项新技术，主要原理是通过在飞行平台上搭载相机进行摄影，从不同角度采集影像，通过建模软件合成高精度的三维模型。无人机实景三维建模具有快速、高效及成本低的特点，已成为消防应急救援中快速获取灾害现场信息的重要手段。

1.1 无人机倾斜摄影

近年来，无人机倾斜摄影以其精细真实、快速高效及成本低的特点，逐步取代了传统的测绘方式，通过无人机倾斜摄影来进行三维建模，已经成为智慧城市及大数据时代的有力武器。无人机倾斜摄影是指用无人机平台搭载多角度的倾斜摄影相机和定位定向系统（POS）来获取地面影像信息，再通过软件来进行三维建模的技术。由于倾斜摄影可以从多个角度对地形地物进行信息采集，在消防应急救援现场，特别是地质性灾害事故，利用无人机倾斜摄影技术能够快速三维建模，生成灾害现场实景模型，有助于灾害救援决策、灾情评估、灾后救援等工作的开展。

1.2 无人机的选择

倾斜摄影三维模型质量的高低，主要取决于影像质量和照片数量，选择何种类型的无人机也在一定程度上影响三维建模的效率。倾斜摄影飞行对固定翼无人机的基本要求是低空飞行、低速巡航、转弯半径小、操作便利、就近起降等。使用油动固定翼无人机进行常规航空摄影，虽然飞行效率和性能都不错，但使用和保养要求高，价格也居高不下。近两年固定翼无人机在单机价格、技术性能等方面都有了较大突破，使倾斜摄影技术可以在较大面积的三维建模方面发挥作用，有效地提高了倾斜摄影飞行的作业效率。但是，从各行业无人机三维建模的现状来看，采用多旋翼无人机来进行倾斜摄影是应用最广泛的一种方式。

1.3 倾斜摄影相机

无人机倾斜摄影是无人机搭载了相机，采用了一定倾斜角度来拍摄影像。倾斜摄影不限定相机镜头的数量，关键的技术指标是获取不同角度影像的能力、单架次作业的广度和深度。倾斜摄影包括五镜头、三镜头和双镜头等多镜头相机，还有可调整相机拍摄角度的单相机系统。在性能上主要是从数据获取效率、续航时间、POS记录功能、作业时间等方面作出要求。五镜头倾斜相机在数据获取效率等方面具有较大优势，但是价格昂贵，并且要求多旋翼无人机具有超高稳定性和续航能力。针对小范围的三维建模，专业的五镜头倾斜相机因载荷、成本、飞控等问题显得不合时宜，采用多旋翼无人机搭载单镜头相机更具有优势。

1.4 三维建模

倾斜摄影三维建模数据处理量巨大，常规计算机不能满足三维建模需求，需要配置强大的图形工作站。在软件方面，常用的建模软件主要有ContextCapture、Pix4Dmapper、PhotoScan等。最近，大疆创新公司开发了应用于计算机上的大疆智图，作为专业的无人机航测软件，大疆智图能推动无人机三维建模向智能化和大众化方向发展，实现“数据获取、处理、应用、任务执行”一体化的航测作业方式，提高无人机三维建模的效率。

2 三维建模在消防应急救援中的应用

消防救援队伍所面临的各种灾害事故和应急救援任务日趋繁重，面对不可预知、不可控制的各种因素，消防救援人员必须在第一时间了解灾害现场信息，制定出科学高效的应急救援方案，为应急救援的决策部署提供有力的数据支撑，从而让次生灾害、二次伤亡降到最低。无人机实景三维建模技术的出现，能够快速准确地获取丰富的地理空间位置，为灾害处置和救援提供数据基础，无人机倾斜摄影三维建模技术以其影像数据获取快速方便、数据成果丰富等优势，在消防应急救援中得以广泛应用。

无人机三维建模技术在近年来发生的多起自然灾害事故的灾后救援工作中发挥了重要作用，为抢险救援和指挥决策提供有力保障。2014年8月3日，云南鲁甸发生6.5级地震，地震共造成617人死亡，112人失踪，3000余人受伤。灾情就是命令，抗震救灾指挥部通过三维实景图，实现了对震区各个方位的观测，为制定救援方案以及防止次生灾害的发生提供了极大便利。2015年8月12日天津滨海新区爆炸震惊全国，在大规模的危险化学品爆炸区域，无人机除了充当“探路者”进行侦察，还对事故现场进行了倾斜摄影，针对事故现场快速生成效果逼真的三维模型，为后续灾后现场还原以及后续救援指挥起到了重要的作用。2015年12月深圳泥石流滑坡事件中，国家测绘地理信息局第一时间作出了实景三维立体模型，直观了解房屋道路受灾情况，为科学救援起到重大作用。2018年10月11日发生在西藏昌都市江达县波罗乡境内的山体滑坡，滑坡体量大，造成金沙江断流并形成堰塞湖，危及附近的村庄安全，通往灾区的必经桥梁和部分农田被江水淹没，情况万分危急，通过对金沙江堰塞湖进行三维建模，对研判灾情、成功泄流和抢险救援起到了重要作用。由此可见，无人机三维建模在重特大灾害事故的救援工作中的技术优势是巨大的，为领导和专家研判灾情、制定救援方案提供了科学的地理信息数据支持，极大地促进了消防救援队伍无人机三维建模的快速发展。

3 结束语

在全国消防救援队伍全面推进“智慧消防”建设的背景下，应急管理部提出“应急管理一张图”项目建设，充分运用云计算、移动互联网、地理信息、大数据等技术，通过无人机三维建模技术，紧贴消防应急救援实战需求，实现作战信息的实时显示和作战力量的精准部署，深度应用数字化模型，准确研判并科学评估现场灾情，确保科学救援、安全救援、快速救援，提升消防救援队伍对突发事故的快速反应和综合协调能力，更好地为我国经济社会的发展保驾护航。