三维实景建模警务指挥系统及其应用

2024-04-10王雷光

中国人民警察大学学报 2024年3期

王斌，王雷光

1. 中国人民警察大学维和警察培训中心，河北廊坊 065000；2. 郑州市公安局特殊警务支队，河南郑州 450000

一、引言

随着社会治安形势的发展，公安工作面临着严峻挑战。全面提升公安机关治安管理效率和管理水平，建立统一开放的公安警务综合系统为社会治安管理工作提供技术支撑成为亟待解决的问题。在此背景下，“十一五”期间，公安部研发、建设了全国警用地理信息系统（PGIS，Police Geographic Information System）平台。该平台是以公安信息网络为基础，以警用电子地图为核心，以地理信息技术为支撑，以服务于公安业务管理、信息共享和决策支持的可视化为目标的重要信息化基础设施和重要的基础性、综合性应用支撑平台，有效解决了全国警用地理信息系统建设的关键技术和系统互联问题，最大限度支持各级公安机关快速、有效地应用部署和定制开发，提高了公安机关的建设和管理水平。目前，全国32个省级公安厅（局）和近290个地市公安机关均已广泛采用公安部统一研发的PGIS 平台。在公安机关的日常执勤执法过程中，60%的警务业务与PGIS 平台数据有关联，极大提高了公安机关维护社会治安的效率、水平和能力。

我国当前的PGIS 平台基本能做到在电子地图上叠加部分犯罪数据，形成简单的二维犯罪电子地图，称为二维PGIS平台。二维PGIS平台能够应对宏观和简单犯罪因子的情报研判。近年来，随着物联网、云计算、大数据、移动互联等新技术、新概念不断涌现，二维PGIS 平台面临着许多新的问题与挑战。在软件技术层面，二维PGIS 平台升级速度跟不上当前技术和应用发展需求，在数据丰富程度、软件功能、用户体验等方面与实景三维地图存在较大差距；在运行环境及数据管理层面，由于各地警务云、移动警务、物联网和警务大数据技术的快速发展，云环境支持及时空大数据管理技术对二维PGIS 平台带来新的挑战和要求，导致其在技术架构、建设模式、支撑能力等方面不适应的问题逐渐凸显，迫切需要进行整体性升级；在警务决策应用层面，在面对局部微观层面的犯罪现场观测、多因子犯罪预测和实时情报支援时，二维PGIS 平台已经无法提供有效的决策支持，需要在3D 视角下多角度多维度犯罪现场的电子情报支援；在警力资源调度部署层面，二维PGIS平台无法充分发挥情报信息引领作用，在实现基层警力扁平化一级指挥、管理和调度，解决基层警力信息支撑、警力资源动态部署等方面已经无法满足越来越复杂的警务业务需求，迫切需要将二维PGIS 平台升级为三维可视化指挥系统。

科学技术与警务的深度融合已成为现代公安工作的发展趋势。同时，科学技术的进步极大地促进和推动了警务模式的转型。伴随着三维实景建模技术的发展以及警务工作信息化发展水平的逐步提高，以高分辨率实景三维地图为基础，结合物联网、云计算、大数据等技术打造三维可视化警务指挥系统，可以弥补二维PGIS 的不足，满足新形势下警务实战应用需求。因此，将三维实景建模技术应用于可视化警务指挥系统逐渐成为警务实战化领域研究和应用的热点。

目前，在将三维实景建模技术应用于可视化警务指挥系统方面，许多科研人员已经开展了大量研究。唐恬等研究了增强现实三维建模在警用地理信息平台的应用［1］；吕从等分析了三维影像在警用GIS系统建设中的应用模式，介绍了三维影像处理、建库、发布及应用流程［2］；李一琳等分析了欧美国家的警务GIS 系统在基层治理和犯罪预防等领域的应用模式和现状，为国内警务GIS 系统建设提供参考［3］；张庆全等研究了二三维一体化技术在智慧警务GIS系统建设中的应用模式和方法，设计了系统总体框架和功能模块［4］；佘金星等研究了警用GIS平台下的仿三维电子地图实现方法，并与不同厂商的电子地图的实现方法进行对比分析［5］；魏瑞瑞设计了三维警务GIS 系统框架，实现了三维地图展示、警情定位查询、警情态势分析、视频接入和应急指挥决策等功能模块［6］；秦静研究了利用Sketchup 和Arc GIS 系列软件构建中国人民公安大学警务战术训练街区的三维仿真系统［7］；康利刚研究了移动警务系统地形可视化的总体设计，并实现了移动警务系统上三维地形的快速建模以及动态显示［8］。

在上述研究基础上，本文首先深入分析三维实景建模警务指挥系统的构成及其优势，然后详细探讨三维实景建模警务指挥系统在实际警务工作中的应用，最后展望三维实景建模警务指挥系统的发展方向。

二、三维实景建模技术及其实现方法

（一）三维实景建模技术

三维实景建模就是利用具有一定重叠度的场景航拍照片，通过计算机建模软件处理，还原真实场景空间模型的技术，即从单幅图像或图像序列中反求出物体三维模型的技术。显然，三维实景建模过程是相机拍摄照片的逆过程。

虽然在一幅图像中仅包含二维信息，但是这些二维信息却蕴含着多幅图像中共同物体的物理特征及所对应的几何关系以及两幅图像中的视差关系。我们可以比较物体上的某一点在多幅图像中的不同位置，据此来计算该点的三维几何信息。总之，三维实景建模就是利用数字相机作为工具、综合运用图像处理技术和数学理论从二维图像中提取目标对象的三维空间信息，最终实现目标对象的三维重建。

三维实景建模技术具有诸多优势。如：通过科学的拍摄方法快速采集目标对象的二维图像信息，然后进行数据处理，就可以很快建立目标对象的三维模型；同时，该技术对目标对象的形状、状态和尺寸没有要求和限制；在目标对象的二维图像信息采集阶段，对拍摄人员和拍摄设备没有特殊要求，只需要普通的数码相机就可以完成拍摄，如果目标对象为大地形或者大体积建筑物，可以利用无人机完成数据采集。这些特点决定了三维实景建模技术可适用于众多行业。

（二）三维实景建模的实现方法

根据三维模型的精细化程度和原始数据来源的不同，三维实景建模的实现方法可以分为空中三维建模、近景三维建模和空地一体化三维建模［9］。

1. 空中三维建模

空中三维建模是指利用无人机倾斜摄影测量获取多角度具备一定影像重叠度的数据，恢复影像空间姿态，再利用Context Capture 软件建立空间地理信息三维实景模型［10］。该建模方法改变了传统无人机摄影测量只从一个垂直角度获取数据并以DOM 输出的形式，具有作业效率高和速度快的特点，其成果广泛应用于不动产、智慧城市等建设中［11］。

2. 近景三维建模

近景三维建模是指对距离较近的目标物进行摄影，再通过对获取图像进行一系列处理，从而还原目标物的形状、大小及位置［12］。该建模方法更适合于局部精细化方面，多应用于古建筑修复、三维景观和公路勘测设计等方面，在大规模城市建设中应用较少。

3. 空地一体化三维建模

空地一体化三维建模是利用无人机平台搭载倾斜摄影相机、激光扫描仪等传感器进行数据采集［13］。其特点是融合多源数据，速度快、效率高［14］，被广泛应用于大范围城市三维模型快速重建［15］。

三、三维实景建模警务指挥系统

（一）三维实景建模警务指挥系统的构成

三维实景建模警务指挥系统由感知层、认知层和决策层组成，如图1 所示。感知层、认知层和决策层依次发挥物联感知、专业研判、辅助决策的作用。在各层之间，信息是双向流动、相互适应和自成体系的，既构成警务信息的初始感知、专业整合、深度分析的应用体系，也形成决策实效反馈、警务逻辑优化、感知手段调整的革新体系，辅以信息安全、运行保障等基础支撑体系，使三维实景建模服务于警务实战更加科学化、体系化和专业化。

图1 三维实景建模警务指挥系统

1. 感知层

感知层为认知层、决策层提供基础数据支撑，用于警务信息的初始识别和批量获取，一般由基本的感应器件和相关网络组成，通过直接建设和关联接入，使信息收集覆盖范围最大化。其主要包含遥感卫星影像、三维地形生成、BIM 建模、倾斜摄影、航空Lidar、3DSLAM 激光点云、物联网实时数据接入、模型数据增量更新、视频监控数据接入、警务大数据接入、数据清洗筛选等内容。

2. 认知层

认知层为决策层提供警用专题数据支撑，用于警务信息的规则分类和初始分析，一般由信息分类体系和特定数据模型组成，通过分类整合和警务规则分析，使初始信息整合为警务数据模型。其主要包含警用时空云平台、云服务管理平台，以及空间地理信息数据库、三维实景模型数据库、警用业务专题数据库、警用大数据分析数据库等。

3. 决策层

决策层为警务工作决策提供综合性的决策参考，用于警务信息的深度研判和辅助决策，一般由警种策略和事件策略模型组成，通过对认知层数据模型的综合性、专业性、特定性分析，使警务数据转换为综合性的决策建议。其主要包含人口、治安、刑侦等警种专业模型，以及三维可视化、图层管理、GIS空间分析等特定事件模型。

（二）三维实景建模警务指挥系统的优势

以高分辨率实景三维地图为基础，结合物联网、云计算、大数据等技术构建的三维实景建模警务指挥系统，具有全要素、可视化的特点，包含所要测量目标地物信息和与之相关的各种自然、社会信息，为空间展示提供了更加丰富、逼真的平台。其可以实现建筑物周边及内部结构360°的立体实景展现，能够在事前预警、事中指挥、事后分析中发挥重要支撑作用，为警务决策人员的现场处置和决策提供远程的、实景可视化的重要参考和依据。当出现突发情况时，警务决策人员可第一时间身临其境地作出决策指挥，进而弥补二维PGIS 存在的不足，极大满足新形势下警务实战的应用需求。

四、三维实景建模警务指挥系统的应用

由于三维实景建模的突出优势，使得三维实景建模警务指挥系统能够为应急处置、方案制定、现场指挥等警务工作开展提供辅助工具和技术支撑，在实际警务工作中得到广泛应用。

（一）三维实景建模警务指挥系统的应用领域

1. 重点目标基础信息呈现

对重点目标建筑物的周边环境、内部结构等数据进行采集，分别以空中三维、室内三维的形式进行全面呈现。各个地物的名称、属性、地理坐标等信息在三维影像上一目了然，并且可随意对相关地物的各种信息进行修改和储存，实现对整个辖区的总体把控。

2. 预案推演

利用三维实景建模警务指挥系统，可实现基于“一张图”可视化指挥模式的预案推演。一方面，定制警用三维模型标绘库，研发三维方案预案与推演功能，可将事件、人员、交通工具、基本标记、物品与设施在地图上进行标绘。可以将选中的图标在地图上进行标注，标注后的图标可360°视角查看，增强了系统的表现力。还可以为标注的图标添加动作，如人员、交通工具可以按照标绘的轨迹进行移动。同时，能够以事件的形式对标注的场景进行保存，也可以按照查询条件对保存的事件进行查找，实现方案的预案管理、警力部署及突发事件的方案预案推演。针对公安机关重点关注的六类预案，提供流程化制作模板，使指挥决策可视化、协同处置快捷化、跨部门跨专业沟通高效化。另一方面，研发基于三维的人机交互应用功能，与指挥中心实际业务紧密结合，可为应急处置、预案制定、现场指挥等工作的开展提供辅助工具。

3. 大型活动安保

大型活动安保的防范级别要求很高，要求在活动正式开展之前不留死角、全面系统地排查各种安全隐患，不仅包括对中心场所的控制，还包括对周围场所的了解，对周边有隐患建筑予以关注和控制，以达到绝对安全［16］。三维实景建模警务指挥系统全面整合视频监控、位置消息（GPS、北斗）、情报数据、勤务资源、警力警情、舆情舆论、票证数据等公安机关内外部信息资源，以提高动态化、信息化条件下的预防预警、动态管控、突发事件处置和现场指挥能力，实现警情实时上图、视频同步查看以及警力精准调度的可视化指挥，为大型活动顺利举行提供强有力的保障，极大提升大型活动的安保水平。

在活动正式开展之前，可对大型活动场地实施提前勘查并利用警务无人机进行三维建模，如使用精灵4RTK、大疆御二行业版、大疆M300Rtk、飞马D2000 等警用无人机携带P1 镜头、五目镜头在活动区域及周边进行拍摄和录像，完成重点目标建筑物的周边环境、内部结构等数据采集，并应用大疆智图、天际航等建模软件对现场地形进行三维实景建模并嵌入PGIS，分别以空中三维、室内三维的形式进行全面呈现。三维建模不仅可以全面呈现重点目标的基础信息，而且各个地物的名称、属性、地理坐标等信息在三维影像上一目了然。然后，在实景三维模型的基础上，可以对大型活动场地进行功能划分和标识，如将活动场地的地面区域划分为安保控制区、警戒区和核心区，将活动场地的空中区域划分为可安全飞行区域、应急降落区域、禁止飞行区域及电磁干扰区域等。同时，可精准设定人员活动区，推算合适的狙击点，测算制高点，评估威胁程度，规划合适的护送路线，规划临时的交通管制、警力部署等，从而形成一套周密部署、安全高效的行动预案。利用三维实景建模警务指挥系统可直观精准地进行安保区域划分和警力部署，同时结合接入的视频、350 M 对讲机等相关数据，能够实时掌握现场状况和警力执勤情况，真正实现“一图指挥、挂图作战”。显然，在大型活动安保工作中，三维实景建模警务指挥系统能够比二维PGIS更好地发挥辅助指挥作用。

4. 实景三维与视频融合监控

当前的公安视频专网多采用传统的分镜头工作模式，分镜头之间的关联性较差。此外，现有的视频监控难以在大场景中迅速定位，不利于直观地观察多个个体、多个区域、跨镜头的协同活动，从而导致无法给警务决策者提供更全局、更直观的信息。利用实景三维和视频融合的监控分析系统，结合先进的计算机视觉技术，可准确还原事发现场，能够对在不同摄像头中出现的人员进行有效检测、跟踪和关联并快速甄别犯罪嫌疑人及车辆，从而大幅度减少刑侦人员查看视频的时间，显著提高案件的取证速度和侦破效率。通过输入车牌号码，在地图上可看到该车辆经过的各路口时间、照片及行车轨迹，通过高空瞭望和路面高速摄像头的视频实景融合，能在重要路段实现实时视频接力、车辆追踪、室内精准定位。

5. 辖区网格化三维管理

通过将房屋不动产信息、住户信息以及网格化信息接入三维实景建模警务指挥系统，可以实现人、地、房三要素的关联以及房屋、人员的上图管理和辖区网格化三维管理。在三维实景建模警务指挥系统中，通过以图管房、以房管人、人房关联，可以展现房屋与人员的三维空间位置关系，每一栋房屋、每一层、每一户实际居住人员都可在图层中立体可视，每个人的情况与公安大数据关联。其能够加强重点人口管控，全面强化重点人口、高危人群的管控工作，为推进实有人口管理奠定基础，实现实有人口管理精准化、便捷化和智能化，为打造辖区平安稳定社会治安环境提供强有力保证。

6. 警力三维部署、警情三维呈现

将实景三维空间信息融入公安常规管理系统，可在三维模型上标注警力分布，在不同安保区域布置相应警力，明确安保责任单位，如安保沿线警力部署、制高点警力部署等。同时，可在三维模型上选定任意点进行视域分析，便于制高点安保人员（如狙击手）观察。临时协防警力往往对于环境、现场不熟悉，掌握现场三维地图后可快速地与邻近警力互通警情，便于精准打击违法犯罪行为。利用三维实景建模警务指挥系统，可实现公安警力、信息、资源、决策的三维可视化和信息共享，从而完成警力的三维部署和警情的三维呈现。

同时，在辖区网格化三维管理基础上，三维实景建模警务指挥系统可显示报警人及案件的相关信息，包括联系方式、地点、案件类别等。在图上点击实时警情后，地图自动定位警情所处位置，并同步展示周边警力资源和前端感知设备分布情况，指挥中心第一时间就能掌握报警人位置及周边警力资源，为决策指挥提供信息支撑，从而实现精准调度、快速处理，实现打击犯罪的智能化和精准化。

7. 公安三维模型与消防救援联动应用

随着我国经济建设的高速发展，城市高层建筑物火灾、核生化灾害、自然灾害等突发灾害事故频繁发生。这些灾害事故具有蔓延速度快、连锁性强、破坏力大、事故殃及面多且广、救援难度大等特点，极易造成重大经济损失和较大政治影响，事关社会安定和经济发展。在应急救援过程中，救援指挥人员为了能够快速准确作出决策，首先需要全面了解发生事故灾害的位置、地形、地貌等信息。但是，由于灾害事故现场情况复杂多变，给救援力量在调度、指挥、部署、增援、跨区域大规模协同作战等方面都提出严峻挑战。通过无人机空中全景航拍，进一步收集完善灾害事故相关区域空地影像数据，运用实景三维精细建模技术将灾害事故现场制作成实景三维模型，对灾害现场进行全面、客观、快速的展示，并由此从信息整合、跨部门协同层面提出改进方向，可对提高灾害事故的应急响应能力提供理论依据和决策支持［17］，为公安机关与消防救援部门联动提供直观、方便和迅速的数据保障。

（二）三维实景建模警务指挥系统的应用案例

郑州市公安局在三维实景建模警务应用方面开展了大量的探索和研究。在第十一届全国少数民族传统体育运动会、河南省郑州市新郑轩辕黄帝故里拜祖大典、黄河迎宾馆国家领导人安保等重大活动中，三维实景建模技术均发挥了重要作用。

郑州市公安局三维实景建模警务应用最早开始于轩辕黄帝故里拜祖大典活动现场安保，三维实景建模警务指挥系统发挥了关键作用。其应用过程大致如下：

1. 形成实景三维地图

在安保任务开展前，利用警用无人机在活动区域及周边拍摄和录像，并利用建模软件经过高性能工作站对现场地形进行三维建模并嵌入PGIS。同时，对活动现场提前勘查和分区，确认可安全飞行区域、应急降落区域、禁止飞行区域及电磁干扰区域等；在三维图上对活动区域和路线进行功能划分和标识，精准设定人员活动区、疏散路线、应急通道、警力部署等。

2. 划分区域，部署警力

根据三维模型，划分安保控制区、警戒区、核心区，对重点区域进行标注。在不同安保区域布置相应警力，明确安保责任单位，在三维模型上标注警力分布，同时在三维模型上选定任意点进行视域分析，便于制高点安保人员（如狙击手）观察。

3. 快速反应，及时应对

在三维模型上选定任意点，进行视域分析，输入高度，即可开始三维视角浏览，在实景三维模型中部署安保力量，便于直观灵活指挥，为指挥决策者提供空中视角地形图。指挥决策者熟知警力分布，遇到突发情况，便于迅速处置应对。现场三维地图可以传送到最小作战单元，以便及时精准打击。

五、三维实景建模警务指挥系统的发展方向

三维实景建模警务指挥系统的发展和应用是一项系统工程，不仅取决于公安机关的顶层设计，而且与基层警员的素质提升、技术装备更新以及三维模型数据的融合运用都有密不可分的关系。为适应大数据条件下打造数据警务、智慧公安的迫切需求，伴随着三维实景建模技术的不断发展，三维实景建模警务指挥系统需要在以下方面得到进一步的发展和应用。

（一）将三维实景建模警务指挥系统转化为实际战斗力

为了推动三维实景建模警务指挥系统形成实际战斗力，需要将实景三维模型与警务工作的实际需求紧密结合起来，进一步面向实战、服务实战、参与实战，最大限度转化为实际战斗力。

（二）完善实景三维模型可视化警务应用

三维实景建模技术可视化应用作为一项地空联合作战的新型警务模式，协助公安机关解放了大量警力，节约了人力、财力以及物力资源，有效降低了公安机关内部管理成本，提高了公安机关的公共管理效率，也有利于整合信息资源，助力智慧城市建设。在未来的发展中，要不断完善实景三维模型可视化警务应用，使得三维实景建模技术能够适应公安机关警务实战应用的需求，构建起综合全要素、全感官的警用实战查控体系和指挥系统，促进警务实战信息化应用，极大提升公安机关的综合指挥作战能力。