三維智慧消防可視化平臺設計與實現

隨著我國智慧城市建設和消防監測監控智能化技術的推廣，智慧消防被提出并成為破解城市消防安全困局的一種新思路和新路徑。

運用消防大數據、消防物聯網、地理信息系統等技術構建的“城市智慧消防”系統，可以有效整合社會各方力量，實時監控城市火災危險源，科學掌握城市火災隱患，準確做出科學預警和判斷，系統構建城市火災防控體系，確保城市安全。2017年10月10日，公安部發布了《關于全面推進“智慧消防”建設的指導意見 （公消[2017]297號） 》 （以下簡稱《意見》） 指出，為深入貫徹落實中央政法委和公安部黨委關于提升政法及公安工作現代化水平的部署要求，加速推進現代科技與消防工作的深度融合，全面提高消防工作科技化、信息化、智能化水平，實現信息化條件下火災防控和滅火應急救援工作轉型升級，提出要綜合運用物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等新興信息技術，加快推進“智慧消防”建設，全面促進信息化與消防業務工作的深度融合，為構建立體化、全覆蓋的社會火災防控體系，打造符合實戰要求的現代消防警務勤務機制提供有力支撐，全面提升社會火災防控能力、部隊滅火應急救援能力和隊伍管理水平，實現“傳統消防”向“現代消防”的轉變。

三維GIS智慧消防平臺研建的必要性

《意見》中重點指出，充分運用大數據、云計算、移動互聯網、地理信息等技術，依托公安網 （消防信息網及指揮調度網） 、邊界接入平臺和公安PGIS地圖， 實現滅火救援的一張圖指揮、一張圖調度、一張圖分析、一張圖決策。

在現場可實現力量查詢、地理信息測量、作戰部署標繪、輔助單兵定位等功能，輔助指揮員開展計劃指揮和臨機指揮；

研發“六熟悉”管理系統，自動采集重點單位基礎信息和動態信息數據，同步導入一體化信息系統基礎信息，實現“一張圖”可視化管理；

各地根據預案等級和作戰指揮需求，采取基于地理信息系統的二維圖片、全景照片、三維立體建模、無人機傾斜攝影等技術編制數字化預案。

目前，在運行或在研的消防平臺系統多基于二維地理信息系統進行研發，二維地理信息系統僅能展示建構筑物的平面信息以及消防平面信息，不能對三維地理信息進行展示。隨著三維建模技術的快速發展，對于消防重點單位、消防重點監控區域等的消防管理、信息錄入、滅火預案、現場指揮等均有重要的實用價值。智慧消防平臺的三維化趨勢已經勢不可擋。因此，高承載力、高融合性的三維GIS消防智慧消防平臺設計研發迫在眉睫。

三維GIS智慧消防平臺設計關鍵技術

GIS三維快速、低成本建模技術

傳統的建構筑物三維模型建立技術，如CAD三維建模技術和航空攝影測量技術，均利用正攝二維影像信息建立三維建構筑物立體模型。通過人工攝影方法獲取建構筑物的側面紋理和地形起伏部分紋理。在此基礎上，通過商用三維輔助軟件進行人工紋理粘貼，最終生成較為真實的三維立體模型。因此，傳統的三維建模技術工作量較大，且成本較高，不具有推廣性和廣泛使用價值。

隨著無人機傾斜攝影測量技術的快速發展，無人機傾斜攝影測量技術使得建構筑物三維建模更加快捷方便，成本更低，且三維模型也更加精細真實，適用于大面積城市建構筑物的快速三維建模。無人機傾斜測量技術是指利用無人機搭載多角度的傾斜攝影相機和定位定向系統 （POS） ，獲取地面影像信息，進一步進行三維建模的技術手段。例如， 常見的五目傾斜相機在指定點拍攝，可以一次性獲取1個正射影像和4個傾斜影像。定位定向系統 （POS） 則記錄無人機的經緯度信息和空間高度信息。由于傾斜攝影可以從多個角度對地面建構筑物進行信息采集。因而，無人機傾斜測量技術可以更便捷地獲取建構筑物信息，大大降低了建構筑物信息采集的工作量。

GIS三維消防地理信息系統

隨著廣義地理信息系統應用的深入，GIS三維地理信息系統被學者提出，以處理各行業真三維空間應用問題。GIS三維地理信息系統是布滿整個三維空間的GIS地理信息平臺，與傳統的二維GIS地理信息平臺差異明顯，主要體現在空間位置和拓撲關系的描述及空間分析的擴展上。在二維地理信息平臺上，空間通過X、Y兩個坐標軸進行定義。而在三維地理信息平臺中，空間目標通過X、Y、Z三個坐標軸來定義，平臺增加了Z軸，即高度這一維度。GIS三維消防地理信息系統即通過在開源三維GIS基礎平臺上開發消防元素庫、消防信息數據庫、消防業務數據庫等消防應用元素，基于大數據、云計算、移動互聯網等智慧消防領域應用技術，在三維GIS一張圖基礎平臺上開展空間維度的消防數據接入、數據展示和數據分析，實現消防歷史數據的大數據分析、現在數據的實時監控和未來數據的預測推演， 真正地實現對四維時空的消防可視化分析和數據高效應用。形成可以為消防物聯網、應急救援指揮及大數據統計分析等智慧消防工作提供多功能服務的綜合性消防工作輔助平臺。例如， 在三維建筑 （構） 物地圖的基礎上，設計消防三維封裝模型，可以在地圖上設置起火源，布置指揮部、消防車、消防員等消防作戰力量，實現可視化的消防預案設計與力量部署，為進一步實現GIS平臺的相關功能提供基礎模塊。

三維GIS智慧消防可視化平臺應用案例

由于三維GIS智慧消防可視化平臺涉及面較多，先以作戰指揮平臺為例介紹GIS三維消防可視化作戰指揮平臺的設計與實現。

消防指揮平臺的核心是作戰力量的部署與火場信息的反饋。未來消防指揮平臺應該是三維可視化的消防作戰平臺，決策者可以實時獲取救援車輛與救援人員的三維狀態信息與實時位置，準確獲取災害現場的災變信息。決策者可以根據災害現場的信息反饋。在平臺非常方便地進行三維電子沙盤推演，平臺能夠根據火災的發生、發展規律， 并結合數學模型的算法，提前推演出災害演化過程，以此指導消防作戰。

三維GIS消防可視化作戰指揮平臺應具有以下功能：

（1） 平臺承載二維及三維地理信息，實現二維、三維地理信息的無縫對接。基于三維地理信息系統，搭建三維GIS消防可視化分析一張圖基礎平臺，基礎平臺將實現建筑三維單體的快速加載和相關數據的立體展示。此外，基礎平臺還將實現與傳統二維地圖平臺 （如PGIS地圖、天地圖、百度地圖、Google影像等） 的高度融合。

（2） 過火單位信息的三維高度集成與視頻影像的快速傳輸。消防隊伍出警前、出警中以及滅火作戰過程能夠準確地把握過火單位的詳細信息有利于科學地調度救援力量、準確地實施救援策略。隨著物聯網技術的發展與成熟，三維GIS消防可視化作戰指揮平臺應能夠實時展示過火單位的詳細基本信息。實現消防控制室實時監測信息的對接，包括視頻監控信息、火災聯動報警信息、水滅火系統裝備信息。實現采集災情信息的實時傳輸，包括火場的溫度分布信息、有毒有害氣體濃度分布信息等。

（3） 三維可視化的精準作戰指揮與排兵布陣。消防指揮平臺的核心是作戰力量部署與信息反饋。三維可視化的作戰平臺可以實時獲取救援車輛與救援人員的狀態信息與實時位置，準確獲取災害現場的災變信息。決策者可根據災害現場的信息反饋， 及時做出相應的作戰部署。

（4） 快速遠程輔助決策指揮系統。三維消防作戰指揮平臺應具有快速遠程輔助決策指揮功能，上級消防機構或者滅火指揮專家能夠快速地了解并推測災害演化進程，遠程與現場人員實現有效互動，準確做出決策指導，以此提高救援的科學性。

（5） 內嵌虛擬火災模型與救災模型。開發沙盤演練與預案演練功能模塊，建立消防員、消防車三維封裝模塊，既能用于戰時指揮， 也能用于常時演練。基于火災動力學模型與3D技術開發三維虛擬火災模型。依據消防救援理論與三維虛擬火災模型，智能劃定危險區域范圍，實現救援力量科學合理部署，做到消防救援有據可依。

基于三維GIS技術的一張圖智慧消防可視化平臺設計和實現方法。基于三維地理信息系統，搭建三維GIS消防可視化分析一張圖基礎平臺。基礎平臺將實現建筑三維單體的快速加載和相關數據的立體展示。平臺應能夠承載原有二維地理信息系統數據，實現二維地圖 （如PGIS地圖、天地圖、百度地圖、Google影像等） 與三維地圖的高度融合和快速切換。在此基礎上，基于大數據、云計算、移動互聯網等智慧消防領域應用技術，在三維GIS一張圖基礎平臺上開展空間維度的消防數據接入、數據展示和數據分析，實現消防歷史數據的大數據分析、現在數據的實時監控和未來數據的預測推演，真正地實現對四維時空的消防可視化分析和數據高效應用。