基于三维地理信息数据和SuperMap GIS的森林公园消防救援路径规划应用研究

基于三维地理信息数据和SuperMap GIS的森林公园消防救援路径规划应用研究
作者：饶秀俊
来源：《消防界》2023年第18期
摘要：
消防救援工作主要包括突发灾害救援、消防风险防范等内容，是人民群众生命财产安全的重要保障。

随着时代的进步与发展，消防救援智慧平台的设计正在由平面走向三维，由数字走向智能。

在消防救援智慧平台的开发和实施中，测绘地理信息技术一直是最主要的技术支撑，用于提供基础底图数据。

近几年来，无人机低空摄影测量、三维激光扫描、全景摄影、三维建模、三维地理信息系统（3D GIS）等新兴科技的发展与应用，为消防救援平台的设计带来了更多的技术支持。

本文便立足于三维地理信息数据和SuperMap GIS的应用，对消防救援路径的规划与应用进行了相关研究，旨在对消防救援路径进行科学规划，为我国城市消防工作的相关决策和智慧化应急方案的制定提供科学化、精准化的数据依据。

关键词：三维地理信息数据；SuperMap GIS；消防救援；路径规划
引言
近几年来，国家经济和社会的迅速发展，大大提升了人们的生活水准，大众对于消防问题的关注度也日益提高，越来越重视自身生命财产安全的维护。

为了构建完善的公共安全防御系统，对应急救援与综合救助的全社会现有资源进行有效整合，我国设立了应急管理部，并以“全灾种、大应急”为宗旨打造了专业的消防救援主力军[1]。

南平市作为一座森林城市，其九峰山森林公园为公众提供了一个亲近自然、休闲娱乐的好去处，有助于提高人们的生活质量。

在森林公园建设过程中，务必要考虑消防路径的合理规划问题。

为了提升消防救援队伍整体工作的科学性与安全性，保障救援队伍能够快速到达救援点，规划科学的消防救援路径至关重要[2]。

一、三维地理信息数据的采集与选取
（一）影像控点布设及测量
影像控点（Photo Control Point）是指根据影像数据进行加密或成图时，进行定点定位的一种特殊的控制点，其特征表现如下。

第一，只有地表坐标的平面控制点（即水平点）。

第二，
只含有地表高度的像片点（即垂直点），也就是所谓的高度控制点，即常说的海拔。

第三，集地表平面坐标与地表高度于一体的影像平高控制点（即平高点）。

对于影像控点的布设，需要按甲方规定的测区范围、航空摄影资料、国家标准、后续工艺流程以及数字线划图成图精度要求等为依据，对控制点进行科学布置，明确测绘中各个控制点的分布、数量和测量精度[3]。

（二）无人机系统低空拍摄
无人机（UA）是一种受遥控或自动飞行控制的飞行器，又称为遥控飞行器（RPA）。

无人机系统（UAS）是指由无人机、相关的地面、指挥控制站、无线指挥指令和控制数据链和经认可的模型设计指定的其它组件构成的一个体系[4]。

1.垂直拍摄
垂直拍摄是指摄影机的主要轴线在近似垂直的角度进行拍摄，它主要通过无人机系统中安装的可见光传感器进行图像获取，在测绘地理信息数据采集中有着重要应用。

在利用无人机进行低海拔垂直拍摄图像资料前，首先要做好影像控点的布置与坐标测量，以确保空中三角测量、生产数字线测图和数字正射图像等后续资料处理过程的准确性。

2.倾斜拍摄
倾斜拍摄是指摄像机的主光轴从非垂直或水平方向，以特定的倾角进行拍摄，它是目前国际上测绘地理信息产业中普遍采用的一种数据采集和测量方式。

倾斜拍摄技术一般采用一系列不同角度和焦距的多个摄像机组合，一次曝光即可获取多幅图像。

比较常用的是5镜头，也就是1个镜头朝下，4个镜头倾斜。

此外，采用3轴云台控制的单目摄像机，也可以进行倾斜拍摄作业。

一种常用的方法是将单个摄像头以一个特定的视角向下俯瞰，并将其作为一个竖直交叉的“井”字型，在空中飞行过程中，摄像头总是与无人机行进的方位在同一轴线上，这样就可以完成对建筑顶部和侧面的材质进行来回拍照。

（三）数字正射图像
数字正射图像实际上是一種以数字化形式进行存储的正射影像图。

其集地理位置信息、地图几何精度及图像特性于一体，具有高精度、二维信息丰富、直观逼真、数据构造简单等特性，可以对二维的距离、水平角度、面积等进行测量，并获得二维数据。

在实际应用时，为了获取精确的地理信息数据，需要利用垂直拍摄获取图像资料，根据1∶1000的比例尺精确标准，制作出高分辨率的立体图像。

（四）数字线划图
数字线划图是一种以矢量形式表达和储存的数字化地图，也被称作“数字矢量地图”。

数字线划图是一种以点、线、面三种形态或图形符号表达地形、地物和地貌特征的空间矢量数据集，其中涵盖控制点、居民地、交通设施、水系设施、独立地物、管道、边界、地形、土壤、植被、城市构件等多个领域的测绘元素。

具体应用中，应在参照《航测内部业资料处理》中有关数字测绘标准需求的前提下，利用垂直摄影获取图像数据资料，以1∶1000比例尺精度标准，制作出的基础地理信息数据[5]。

（五）真实场景中的3D建模
三维地理信息模型（3D GIS）能够将有关地理要素的位置、几何形态、表面纹理和特征等数据资料以可视化形式表达出来，其涵盖各类地表和地下空间，不包含地面建筑物内部的地理信息资料，这种模型即我们常说的3D模型。

一般而言，建筑3D模型依据模型元素可以划分为建筑物、交通、地下空间设备、水系、植被、管线、场地等类别[6]。

而具体进行3D建模的方法包含主体建模、细节建模、象征建模三种。

在进行3D模型的构建和制作中，其数据信息的获取主要涵盖属性、纹理、几何三个维度。

在进行几何数据获取时，要保障所测量数据的现势性，并能达到一定的精度。

在获取纹理信息数据时，应该注意以下几点：弱光，不要逆光；尽可能多对拍摄地物的各个细节部位进行图像采集；尝试使用能够表现物体表面图像的通用纹理。

对于属性数据的获取，要注意以下几点：数据的获取要与几何数据和纹理数据同时进行；如有需要，应在现场进行核对和检查，以确保数据资料的准确性和完整性；属性数据资料的编码要求具备系统性、科学性、统一性和易扩充性等特性。

二、基于SuperMap GIS 9D的二三维场景应用
SuperMap GIS平台的iDesktop 9D软件，在原8C版本所支持的3D动态绘制、WebGL、VR、Docker、空间大数据引擎以及室内导航等功能的基础上，进行了进一步的更新，拓展了分布式的空间数据引擎以及3D GIS功能，其中3D GIS功能主要以机器学习、深度学习等智能算法为技术支持，同时该平台能够支持端GIS、云GIS、BIM数据融合以及自主操作系统等诸多技术，并应用了国产自主CPU。

（一）消防救援缓冲区分析
在测绘 GIS中，“空间分析”作为一种数据分析技术，主要通过基于地理信息对象的几何形状和形态特性，提取和传输其空间几何信息。

在此基础上，其主要用于向量资料的分析，涵盖叠加分析、缓冲区分析以及邻接分析等。

其中，缓冲区分析实际上是将被测目标作为一个中心点、线或面，设置一个或多个距离值，生成一个或多个同心圆、平行线或扩展图形区域。

SuperMap GIS可以在平面上对点——线——面的三维数据进行一次缓存的解析和多次缓存的分析。

在 SuperMap GIS中，该分析方式主要基于二维笛卡尔坐标系的欧氏缓冲区方式，即两
个点到两个点的直线距离，其主要度量二维笛卡尔平面内用于确定笛卡尔平面上两个点间的直线和欧几里得距离的空间[7]。

欧氏缓冲区是一种更为常见的缓冲区类型，它尤其适用于在投射坐标系统中分析元素附近的空间分布，度量范围相对较小。

（二）消防员最优行走路径规划
在地理信息系统中，作为最为基础的功能应用，交通分析在消防救援路径规划中有着重要应用。

实际应用中，应以互联网上的线和节点作为研究对象，主要分析它们之间的属性和联系，进而解决现实交通中可能遇到的各种问题。

在此过程中，GIS系统主要发挥分析道路网、构建拓扑模型、计划路线以及进行导航分析等，主要应用在寻路、定位等方面。

近几年，这一功能在电子导航、交通旅行、城市规划管理等方面得到了广泛的运用，同时还在电力、通信等各类管道、管线的布局设计和调查分析中有所运用。

道路交通网络是城市网络模型中最常用的一种，它是实施交通分析的重要数据组成。

在道路交通网络模型中，直线线段代表的为道路，节点所代表的是交叉路口。

在进行模型构建时，需要注意其数据信息与现实交通规则的匹配，包括某些路段的特殊行车规则等，这些都是其特有的网络特性。

最优路径分析通常是在交通网络模型中两个结点间的最优路线，如果要对多个结点进行最优路线设计，就需要根据该路线上各结点的先后次序来进行。

在消防应急救援作业中，如何使消防车和消防喷淋接合器以最短的路线到达火灾现场进行扑救，是消防救援中的一个关键步骤。

因此，在优化路径规划中，考虑最短路线即为最优路线。

（三）实景3D场景应用
基于SuperMap GIS平台应用，应以倾斜影像测绘所建立的实景3D模型为基础数据，对OSGB原始文件进行S3M文件压缩缓存，并与3D着火点质点动画仿真CAD与建筑物信息单体化平面数据库相融合，实现3D立体视觉环境的可视化，旨在提升加载速度和显示效果。

1.最优行走路径的实景3D俯视视图
使用已完成的2D视图中最优行走轨迹的路由，并将其作为3D场景俯视飞行路径的基本信息。

在此基础上，利用投影变换将其转化为经纬向量[8]。

将变换好的经纬向量线装载到3D 环境中，并将物体样式设定为粘贴物体，即使其轨迹与真实物体3D模型相吻合。

此处不同于平面图中在每一条岔路都会增加一个结点的情况，3D航线是将所有已经转向的结点都集中在了一起，然后再逐个设定各个观测点的参数，包括高度、方位、俯视角度以及飞行速度等。

进行俯视直线飞行时，应调节各个参数至获得最佳显示效果。

2.实景3D建模与属性视图
（1）实景3D俯视航线的末端位于仿真着火建筑的周围，当无人机抵达最终目的地时，可以以建筑物为圆心，设定围绕物体转动的速度参数，就可以360°查看建筑物的结构、层数、出入口位置等。

还可以根据实际的灭火需要进行手动自由浏览，比如选择、放大、缩小、移动、拖拽、漫游、角度调整等。

（2）为了实现单体建筑物的有关属性能与真实场景的3D建模吻合，需要對倾斜拍摄测量建立的实景3D模型进行单体化矢量面，进而形成相应的数据集。

在3D场景中，需要构建3种不同的3D数据集，分别为3D着火点质点动画仿真CAD数据集、3D建筑物单片矢量化数据集以及3D倾斜拍摄影像建模数据集。

假定在2D视图中有一处起火点，那么3D空间中相应的位置就会显示出该区域的3D图像，消防员可以通过这个3D图像看到该区域的具体数据，包括层数、结构、空间位置坐标、面积、周长等[9]。

3.实景3D场景的立体测量与计算
在2D视图地图测量中，测量的内容包括距离、角度和面积，不能测量出高程，无法很好解决测量需要的高程问题。

通过倾斜拍摄测量建立的实景3D模型，不但能真实记录地表纹理，而且由于3D地理信息数据的增加，整体模型能够精确测量3D场景中的距离、高程和空间角度，从而可以进行一些以海拔数据为支持的空间分析，例如坡度、通视、水纹淹没、日照、天际线分析等。

结语
森林公园的建设和发展对于保护生态环境、促进人们身心健康、提升城市形象等都具有重要意义。

同时，它还可以推动地方经济的发展和科普教育的开展。

基于森林防火的重要性，在消防救援过程中，救援路径的规划极为重要，决定了救援工作的效率。

随着当前5G、云计算、大数据、物联网、GIS等高新技术的迅速发展，未来可将这些技术与消防救援工作结合起来，进一步提高救援路径规划的科学性和准确性，推进消防救援工作的智慧化、数字化发展。

参考文献
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[3]林侃迪，姜庆君.消防队伍灭火救援标准化体系建设的重要意义及路径探索[J].大众标准化，2023（22）：66-68.
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[5]舒静青.消防救援AGV小车路径规划及轨迹跟踪算法研究[D].中南大学，2022.
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[8]李鸿一，陈锦涛，任鸿儒，等.基于随机采样的高层消防无人机协同搜索规划[J].中国科学（信息科学），2022，52（09）：1610-1626.
[9]王羽翼.基于BIM和改进A～*算法的高层建筑火灾救援路径的动态规划[D].西安理工大学，2022.。