倾斜摄影和三维实景建模技术在基层消防救援站的运用

李一星 任安忠

摘要：随着“全灾种、大应急”任务的提出，在当前上级指挥中心信息化、可视化建设的大背景下，基层消防救援站应该充分利用信息技术的发展，摆脱依赖“经验主义”灭火救援的“痛点”，紧跟时代，充分利用无人机设备采集灾害救援现场信息，初步建立三维影像，反映灾害实际，一切为了实战，一切服务实战。聚焦可视化、信息化的三维实景建模，加强基层消防救援站在事前、事中、事后相应的预案制作、火场救援指挥、案例复盘研讨的能力。

关键词：无人机;三维建模;基层消防救援站

消防救援队伍的战斗力体现在基层，消防救援站指挥员的指挥能力影响着75%左右火灾扑救的全过程，影响着重特大火灾扑救的前期阶段。随着无人机和信息化技术的高速发展，基层消防救援站可以充分利用现有的设备，构建高效、可靠的指挥决策系统，加强灾情评估、救援指挥决策、灾后救援等工作。战前，利用三维建模实景建模技术可以让消防救援人员直观了解到辖区消防安全重点单位的基本地形、地势特点，将预案制作和熟悉演练落到实处而不是流于形式;在灭火救援现场的快速建模技术，可以在极短时间内，将灾害事故现场的安全隐患、灾情特点充分展现，服务于作战训练安全工作;战后，每战必评，战例研讨中也可以充分利用实景建模完成沙盘推演、想定作业、案例复盘等工作，丰富消防救援队伍研讨的形式。

一、无人机倾斜摄影及三维建模技术概述

三维建模技术可理解为将现实世界可视化和地理实体化，利用二维影像或倾斜影像，生成高分辨率且带有逼真纹理贴图的三维模型，拥有能用于應急救援中测绘的精度并可实时测量现场各种地理信息数据。采集带有POS信息的倾斜影像，使建立的三维实景带有地理位置信息这一基础数据。传统的三维建模流程复杂，受限于建模人员的能力素质和专业知识，基层救援人员学历构成无法匹配，无法满足快速反应的应急力量体系。无人机实景三维建模技术作为测绘领域的一项技术，利用航拍无人采集影像，通过建模软件构建区块，在影像组中还可以加入控制点、水平点提高精度，实现现场的即时重建，或通过后期制作三维动画推演。初步完成无人机实景三维建模对于操作者的要求不高，设备需求简单，因具有快速、简单、高效及成本低的特点，适用于基层消防救援站。

（一）倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是指利用无人机航拍，从一个垂直、四个侧视等不同角度拍摄二维图像的技术，本质上就算一种摄影的技术。由于在三维实景重建的过程中相机安装倾角、视场角和分辨率都会影响到最后的模型精度，所以在采集的过程中必须注意像控点的布设。地形变化较大、建筑物形式复杂或者植被较多时，应增加照片的重叠度，以保障后期建模的精度。

（二）三维建模

在实景建模的工作流程中，如图1，我们首先通过采集影像计算它拍摄的位置，导入程序使用空中三角测量，之后可以加控制点和编辑连接点来对空中三角测量结果进行微调，以助于提升几何和地理空间精度。借助于三维重建算法对三维模型以及每个格网面片的影像纹理进行优化，形成实景模型。借助ContextCapture软件，可以生成繁多种类地理信息系统格式的精确地理参考三维模型，包括真正射影像和新的Cesium3DTiles，并将瓦片范围和空中三角测量结果导出为KML和XML。

与传统的正射影像相比，如图2，三维实景建模技术具有直观、观赏性强、可操作性大的特点。基于高性能移动工作站，快速建立的三维实景模型在时间成本上并不逊色于正射影像。站级灭火救援指挥决策能力和现场管控水平的提升，应充分运用“天地空”一体化指挥体系，形成天上卫星信号覆盖、空中无人机侦察、地面进攻。

（三）常用测绘软件

大疆制图与大疆无人机适配良好，其航拍无人机在行业内占据着领袖地位，二者结合可全面提升航测内外业效率，将三维建模简单化，实现“自动飞行、数据采集、分析处理、建模应用”一站式、程序化地航测作业方式。ContextCapture是成熟的、经过时间考验的行业级软件，特点是支持大数据量集群作业，速度快，软件分为Seting、Master、Viewer几个模块各司其职。

（四）ContextCapture快速建模演示

无人机倾斜摄影采集影像，登录Engine并打开Master启动引擎，WGS-84坐标系统为数据收集坐标系统，三维数据模型使用以测区几何中心为原点的ENU 坐标系统，选择General选项卡，单击右侧Submit Aerotriangulation按钮，如图3。

实施自动化空三结算，根据ENU坐标系，将该模型根据坐标系输出，全面控制数据形成的过程，建立一体化三维模型，并可使用LocaSpaceViewer进行三维实景地图的标注与测绘制作，如图4。

二、基层站信息化建设的实力和能力

加强前突通信、快速挺进事故现场、直调直报、驻停汇报、边拍摄边汇报等专项训练，通信保障从原来的辅助决策职能转变为支撑指挥，从保障自身到服务全局。通信装备一是要保障多网络融合，由专用设备逐步转变到与通用设备均可互联互通;二是要简化操作，一键开机自动接入，无需人工配置，为人工智能打下基础;三是要模块化程度更高，更便捷，注重实用性。

（一）信息化装备建设

基层消防救援站需要根据实际情况选择具有适配处理性能的移动工作站用于建模，以Context Capture实景三维建模软件为例：影响此软件运行有效性和可靠性的性能指标是计算机内存、CPU、显卡和决定读写速度的磁盘。基本配置建议达到i7-8600k，英伟达1080T以上，CPU的频率越高越好，建议2.4GHz以上，内存8Gb以上。当在处理线程数量和速度之间犹豫的时候，更高速度的处理器在建模时更加优秀。比如，对于同样代序的CPU，8线程3.6GHz的CPU要优于12线程2.4GHz的CPU。

（二）无人机及无人机航线规划

利用Altizure或DJI Pilot规划好航线。数据飞的要好，重叠率够，同时不过高。数据有POS，降低空三时间。快速验证空三成果（setdownsampling），节约空三错误时间成本。建立模型阶段，最好的办法是集群（提升硬件配置），把照片分磁盘存放，提高数据访问效率，降低数据读写时间。

（三）优化基层消防救援站建模能力

救援现场人员复杂，情况多变，时间紧迫，影像采集过程中可以设置参数“兴趣点环绕模式”，如图5，环绕速度3m/s，定时拍摄间隔2s，控制云台俯仰角30度，飞行高度和半径根据建筑物实际大小确定，最后在兴趣点上拍摄10张重叠度80%的影像。这种拍摄技术可以极大节约时间，手动飞行也符合基层站缺少行业级无人机的特点。

三、基层站信息化及可视化运用研讨

根据工信部最新数据，截至2022年3月底，我国5G基站数量已达156万个。面对全球大规模的5G网络，消防救援队伍应紧紧抓住以大数据、云計算、人工智能、物联网、移动互联网为代表的新一轮技术革命的契机，努力构建与新时代国家应急救援体系相适应的指挥信息化、调度模块化、战术专业化、信息扁平化的支撑体系，解决消防队伍慢半拍、接不上、通不了的问题，为消防救援队伍扛旗立户、转型升级注入新的强大动能。

（一）辅助救援应用

无人机可提供航拍全景视角，从高空对现场实施侦察，可以观察到传统摄影设备无法侦察到的火场上方情况和消防救援人员难以内攻进入的地点，利用红外测温功能还可以实时侦测火场的温度变化。

（二）预案制作

“大数据，一张图”建设背景下，每个基层消防救援站都有针对消防安全重点单位的模块化编程及预案。实地演练中，站干部可以利用三维实景地图，针对重点单位的建筑结构、道路、水源、交通、邻近构筑物情况，对易受灾地点进行讲解。

（三）灭火救援及实战演练中的运用

应急通信系统是快速响应、高效救援、安全可靠、服务实战的基本保障，是贯穿事发、事中、事后全流程支撑应急管理的基座。三维实景地图可以对构筑物体积、曲面、地理坐标进行数据读取和测量，如图6。水枪阵地的选择、内攻路线，安全员设置地点，易燃易爆建（构）筑物的安全范围，这些都可以通过测量三维实景地图获得数据，实现对真实救援现场的全方位掌控，如图7。使用第三方插件还可以实现态势标绘、脚注、模型重建、动画制作等功能，现场修订完善战斗编程。

（四）灭火救援战评及案例复盘

“每站必评”是消防救援队伍的优良传统。战评不能流于形式，要将灾害基本情况、作战基本情况、作战分析、主要结论等方面进行重点细致研讨。大多数基层消防站的战评流于形式，主要是念稿、读ppt。究其原因，过于枯燥、单调的战评方式很难重现救援现场紧张的形式，而三维实景建模技术将灾害事故现场初步还原，逼真重现，做到人人都能参与其中，身临其境。

四、结语

基层消防救援站是我们这支队伍的门面，是消防队伍战斗力的体现，代表着我们不忘初心的职责使命和“赴汤蹈火”的训词精神。加强基层消防救援站的信息化建设和战斗力提升，运用现代化的技术实现可视化三维实景建模，运用到日常工作生活和灭火救援战斗等方方面面。将实景建模技术融入基层队伍事前、事中、事后，加快队伍转型升级，全面构建救援体系和救援能力现代化。

参考文献：

[1]张语涵. 基于无人机航拍的实景三维建模在消防重大安保中的应用[J].消防界（电子版），2021，07（01）：71-72+74.

[2]王瑞强.消防无人机在灭火救援中的应用研究[J].今日消防，2022，07（01）：37-39.

[3]林丽梅，蔡剑锋.天地空融合通信在消防应急通信保障中的应用[J].电子世界，2020（08）：204.