倾斜摄影在三维GIS智慧消防平台的应用

摘  要:本项目利用飞马D200无人机搭载D-OP300五镜头相机进行项目飞行,采用Smart3D与DP Modeler结合的方式对化工园区进行了精细化建模。提出基于三维地理信息系统,搭建三维 GIS 智慧消防基础平台,实现建筑三维单体的快速加载和相关数据的立体展示。本文以北京中新锐图信息技术有限公司开发的三维 GIS 智慧消防平台为例,介绍智慧消防平台的设计关键技术,如 GIS 三维建模技术、三维消防地理信息系统、二维、三维地理信息的无缝对接、过火单位信息的集成、作战指挥、远程辅助决策、内嵌火灾模型等。

关键词:智慧消防;三维 GIS;可视化平台;消防监控

 

 

1 项目背景

近年来,越来越多的消防队员牺牲的消息见诸新闻媒体,建立科学、实用的消防预案是提高灭火救援成功率、减少人员伤亡和财产损失的重要保证。在目前的消防数字化预案中,重点单位信息的表达以文字、表格、图片和图像文件为主,信息的使用依赖于各级消防人员对于现场情况的熟悉程度,增加了消防员工作的危险性。怎样才能在灭火救援作战的关键时候快速指出救援现场的道路、水源、建筑物分布、逃生路线等等关键点,成为亟待解决的问题。随着信息技术的发展,综合运用虚拟现实技术、地理信息技术、数据库技术等,有效集成空间数据、消防资源、消防业务数据,建立能够进行数据管理查询、消防资源管理、消防预案管理演示等消防应用管理平台,有效提高消防事故处置效率,实现消防管理新模式,成为提高消防灭火救援成功率,减少消防事故的工作重点。北京中新锐图信息技术公司开发的三维 GIS 智慧消防平台,力图在应急演练、事故响应、处置、防灾减灾等方面为政府应急提供全面的资料和科学的指导。从而提高政府和社会对突发事件的信息准确掌握,以及事故的快速反应和综合协调能力,从而减少人员的伤亡和财产的损失。

2 三维 GIS 智慧消防平台研建的必要性

2017 年 10 月 10 日,公安部发布了《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见(公消[2017]297 号)》(以下简称《意见》)重点指出,充分运用大数据、云计算、移动互联网、地理信息等技术,依托公安网(消防信息网及指挥调度网)、边界接入平台和公安 PGIS 地图,实现灭火救援的一张图指挥、一张图调度、一张图分析、一张图决策。在现场可实现力量查询、地理信息测量、作战部署标绘、辅助单兵定位等功能,辅助指挥员开展计划指挥和临机指挥;研发“六熟悉”管理系统,自动采集重点单位基础信息和动态信息数据,同步导入一体化信息系统基础信息,实现“一张图”可视化管理;各地根据预案等级和作战指挥需求,采取基于地理信息系统的二维图片、全景照片、三维立体建模、无人机倾斜摄影等技术编制数字化预案。

目前,在运行或在研的消防平台系统多基于二维地理信息系统进行研发,二维地理信息系统仅能展示建构筑物的平面信息以及消防平面信息,不能对三维地理信息进行展示。随着三维建模技术的快速发展,新型大范围低成本三维建模技术已经成熟。与此同时,三维技术的成熟对于消防重点单位、消防重点监控区域等的消防管理、信息录入、灭火预案、现场指挥等均有重要的实用价值。智慧消防平台的三维化趋势已经势不可挡。因此,高承载力、高融合性的三维 GIS 消防智慧消防平台设计研发迫在眉睫。

3 三维 GIS 智慧消防平台设计关键技术

3.1 G IS 三维快速、低成本建模技术

传统的建构筑物三维模型建立技术,如 CAD 三维建模技术和航空摄影测量技术,均利用正摄二维影像信息建立三维建构筑物立体模型。通过人工摄影方法获取建构筑物的侧面纹理和地形起伏部分纹理。在此基础上,通过商用三维辅助软件进行人工纹理粘贴,最终生成较为真实的三维立体模型。因此,传统的三维建模技术工作量较大,且成本较高,不具有推广性和广泛使用价值。

随着无人机倾斜摄影测量技术的快速发展,无人机倾斜摄影测量技术使得建构筑物三维建模更加快捷方便,成本更低,且三维模型也更加精细真实,适用于大面积城市建构筑物的快速三维建模。无人机倾斜测量技术是指利用无人机搭载多角度的倾斜摄影相机和定位定向系统(POS),获取地面影像信息,进一步进行三维建模的技术手段。例如,常见的五目倾斜相机在指定点拍摄,可以一次性获取 1 个正射影像和 4 个倾斜影像。定位定向系统(POS)则记录无人机的经纬度信息和空间高度信息。由于倾斜摄影可以从多个角度对地面建构筑物进行信息采集,因而无人机倾斜测量技术可以更便捷地获取建构筑物信息,大大降低了建构筑物信息采集的工作量。无人机搭载倾斜相机的工作状态示意图,如图1 所示。

图1 基于无人机倾斜摄影的快速三维建模

3.2 G IS 三维消防地理信息系统

随着广义地理信息系统应用的深入,GIS 三维地理信息系统被学者提出,以处理各行业真三维空间应用问题。GIS 三维地理信息系统是布满整个三维空间的 GIS 地理信息平台,与传统的二维 GIS 地理信息平台差异明显,主要体现在空间位置和拓扑关系的描述及空间分析的扩展上。在二维地理信息平台上,空间通过 X、Y 两个坐标轴进行定义;而在三维地理信息平台中,空间目标通过 X、Y、Z 三个坐标轴来定义,平台增加了 Z 轴,即高度这一维度。GIS 三维消防地理信息系统即通过在开源三维 GIS基础平台上开发消防元素库、消防信息数据库、消防业务数据库等消防应用元素,基于大数据、云计算、移动互联网等智慧消防领域应用技术,在三维 GIS 一张图基础平台上开展空间维度的消防数据接入、数据展示和数据分析,实现消防历史数据的大数据分析、现在数据的实时监控和未来数据的预测推演,真正地实现对四维时空的消防可视化分析和数据高效应用。形成可以为消防物联网、应急救援指挥及大数据统计分析等智慧消防工作提供多功能服务的综合性消防工作辅助平台。例如,在三维建筑(构)物地图的基础上,设计消防三维封装模型,可以在地图上设置起火源,布置指挥部、消防车、消防员等消防作战力量,实现可视化的消防预案设计与力量部署,为进一步实现 GIS平台的相关功能提供基础模块。

4 三维 GIS 智慧消防平台的设计

中新锐图设计的三维 GIS 智慧消防平台以三维地理信息基础平台为核心,综合利用三维立体建模、倾斜摄影、BIM建筑物、虚拟仿真、海量数据管理、三维空间分析等技术,以电子政务网络为依托,以信息共享和综合利用为目标,是一套三维应急指挥地理信息系统及可视化指挥调度系统。本系统可基于三维电子地图,实现应急多源信息的有机整合、立体化展现、多方位多角度查询和可视化空间分析,旨在提升应急部门在指挥决策、快速反应、应急等方面的立体防控与综合处突能力,是集信息管理、GIS、指挥和调度于一体的高度智能化系统。

图2 中新锐图三维智慧消防平台展示

4.1三维 GIS 智慧消防平台快速建模

针对本项目的高精度项目需求,我们采用了飞马D200多旋翼无人机搭载D-OP300倾斜摄影测量模块的方式对测区进行了为期3天的数据采集工作。飞马D200配备高精度差分GNSS板卡,支持PPK/RTK及其融合作业,可大量减少外业的控制点或一定条件下完全免相控。飞马D200配合“飞马无人机管家”中精准地形跟随飞行功能,可保证所获取影像分辨率的一致性。

D-OP300倾斜摄影系统

相机型号:SONYILCE-6000         

相机数量:5

传感器尺寸:APS-C(23.5×15.6mm)

有效像素:1.2亿(2400万*5)

镜头焦距:下视25mm,斜视35mm

倾斜角度:45度

 

4.1.2航飞技术要求

技术要求地面分辨率,优于 3CM; 

表2 摄影技术要求

 

 

4.1.3航线设计图:

 

图 5 航线规划设计

4.1.4影像质量控制

1.  摄影时天气情况要求良好,确保有足够的光照度,能见度不得低于3公里,阴影不大于 1 倍。摄影时间要求为 10-15 时为最佳选择。

2.  为确保成图精度,注重影像质量,确保全摄区无航摄漏洞。

3.  影像质量特别强调影像清晰,反差适中,颜色饱和,色彩鲜明,色调一致,相同地物的色彩基调基本一致

4.  影像数据要求记录在硬盘等介质上,并明确标记摄区代号、摄影时间、航线、起止相片号和总数等。

5.  在整个航摄过程中实时地进行航摄像片的质量检查,对于不符合要求的产品如绝对漏洞、相对漏洞及其严重缺陷必须及时补飞,漏洞补飞时必须按照原设计航线飞行,并采用同一仪器,补飞航线的长度应满足区域的扩展面积。

4.1.5现场飞行

基准站架设在任意点位上,通过网络连接用户单位的CORS站,采集基站准确坐标,飞机具备RTK/PPK融合差分作业模式,可获取高精度POS数据。

D200搭载D-OP300倾斜模块模块仿地形飞行,保持对地高度191米,采集数据。飞行完毕后,连接飞机,下载飞机记录数据、照片数据等,以备内业数据处理。

 

图 6 现场作业图

4.2 三维建模生产

本项目三维建模生产采用自动建模软件系统,该系统是快速自动三维场景运算软件,整个过程无需人工干预,从简单连续影像中生成最逼真的实景三维场景模型。

运用倾斜摄影技术获取的影像数据,通过合理布设地面像片控制点,然后将影像数据、地面像片控制点数据导入自动建模软件系统进行批处理。人工只需参与对质量控制和三维模型编辑修饰工作。具体流程如下图。

 

图 7 三维建模流程图

4.2.1自动化空三加密

在自动建模软件系统中加载任务区倾斜影像,人工给定一定数量的控制点,系统采用光束法区域网整体平差,以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元,以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程,通过各光线束在空间的旋转和平移,使模型之间的公共光线实现最佳交会,将整体区域最佳地加入到控制点坐标系中,从而恢复地物间的空间位置关系。软件自动空三加密示意如下图。

 

图 8 软件自动空三加密示意图

4.2.2影像密集匹配

密集匹配技术:自动建模软件系统采用高精度的影像匹配算法,自动匹配出所有影像中的同名点,并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云,从而更精确地表达地物的细节。

地物越复杂,建筑物越密集的地方,点密集程度越高;反之,则相对稀疏。

4.2.3纹理映射

利用影像密集匹配的结果,由空三建立的影像之间的三角关系构成三角TIN,再由三角TIN构成白模,自动建模软件从影像中计算对应的纹理,并自动将纹理映射到对应的白模上,最终形成真实三维场景。纹理映射成果示意图如下图所示。

 

图 9 纹理映射成果示意图

4.2.4三维成果输出

利用软件输出实景三维成果,对模型明显的拉伸变形、纹理漏洞和贴图模糊进行处理,直到满足三维模型制作精度要求。三维模型成果示意图如下图所示。

 

 

图10 三维模型成果示意图

4.3 模型修饰

将从Smar3D软件导出空三成果、OSGB格式模型、OBJ格式模型导入DPModeler软件,对化工园区储罐、管道、建筑等进行单体建模、贴图,并对库区实景进行修饰(包括单体模型删除、孔洞补全、边界切边等),最后将新建的单体模型与库区实景合并导出为完整的库区精细化模型。修饰后的模型成果如图11,可见修饰的模型精细化程度明显提高。

 

同样的方法对某典型的LNG生产企业进行了精细化建模,采用DP Modeler软件修饰前后的模型对比如图12,可见修饰后的模型效果明显提高。

 

最后,在厂区精细化模型建立的基础上,将模型进行后期开发、利用,如在在LNG储罐附件新增重大危险源警示牌(图13),为实现桌面应急预案演练提供平台。

 

在库区精细化模型建立的基础上,将模型进行后期开发、利用,如标记油库的消防设施位置(消火栓、消防炮),将等比例消防车模型加入实景模型中(图14),为实现桌面应急预案演练、培训提供平台。

 

5 三维 GIS 智慧消防平台的功能

以北京中新锐图信息技术有限公司开发的三维 GIS 智慧消防平台为例介绍 智慧消防平台的设计与实现。

追回消防平台的核心是作战力量的部署与火场信息的反馈。智慧消防平台应该是三维可视化的消防作战平台,决策者可以实时获取救援车辆与救援人员的三维状态信息与实时位置,准确获取灾害现场的灾变信息。决策者可以根据灾害现场的信息反馈,在平台非常方便地进行三维电子沙盘推演,平台能够根据火灾的发生、发展规律,并结合数学模型的算法,提前推演出灾害演化过程,以此指导消防作战。三维 GIS 智慧消防作战指挥平台应具有以下功能:

(1)平台承载二维及三维地理信息,实现二维、三维地理信息的无缝对接。基于三维地理信息系统,搭建三维GIS 消防可视化分析一张图基础平台,基础平台将实现建筑三维单体的快速加载和相关数据的立体展示。此外,基础平台还将实现与传统二维地图平台(如 PGIS 地图、天地图、百度地图、Google 影像等)的高度融合和快速切换,如图 3 所示。

(2)过火单位信息的三维高度集成与视频影像的快速传输。消防队伍出警前、出警中以及灭火作战过程能够准确地把握过火单位的详细信息有利于科学地调度救援力量、准确地实施救援策略。随着物联网技术的发展与成熟,三维 GIS 消防可视化作战指挥平台应能够实时展示过火单位的详细基本信息。实现消防控制室实时监测信息的对接,包括视频监控信息、火灾联动报警信息、水灭火系统装备信息;实现采集灾情信息的实时传输,包括火场的温度分布信息、有毒有害气体浓度分布信息等。

(3)三维可视化地精准作战指挥与排兵布阵。消防指挥平台的核心是作战力量部署与信息反馈。三维可视化的作战平台可以实时获取救援车辆与救援人员的状态信息与实时位置,准确获取灾害现场的灾变信息。决策者可根据灾害现场的信息反馈,及时做出相应的作战部署。

(4)快速远程辅助决策指挥系统。三维消防作战指挥平台应具有快速远程辅助决策指挥功能,上级消防机构或者灭火指挥专家能够快速地了解并推测灾害演化进程,远程与现场人员实现有效互动,准确做出决策指导,以此提高救援的科学性。

(5)内嵌虚拟火灾模型与救灾模型。开发沙盘演练与预案演练功能模块,建立消防员、消防车三维封装模块,既能用于战时指挥,也能用于常时演练。基于火灾动力学模型与 3D 技术开发三维虚拟火灾模型。依据消防救援理论与三维虚拟火灾模型,智能划定危险区域范围,实现救援力量科学合理部署,做到消防救援有据可依,如图15所示。

 

图15 中新锐图设计的智慧消防演示系统

6 总结

中新锐图设计的三维GIS智慧消防平台利用无人机倾斜摄影技术,并采用Smar3D与DP Modeler结合的方式对化工企业进行了精细化建模,能够在较短的时间制作高质量、高精度的模型成果,实现了基于三维 GIS 技术的一张图智慧消防可视化平台设计。基于三维地理信息系统,搭建三维 GIS 智慧消防分析一张图基础平台,将实现建筑三维单体的快速加载和相关数据的立体展示。平台应能够承载原有二维地理信息系统数据,实现二维地图(如 PGIS 地图、天地图、百度地图、Google 影像等)与三维地图的高度融合和快速切换。在此基础上,基于大数据、云计算、移动互联网等智慧消防领域应用技术,在三维GIS 一张图基础平台上开展空间维度的消防数据接入、数据展示和数据分析,实现消防历史数据的大数据分析、现在数据的实时监控和未来数据的预测推演,真正地实现对四维时空的消防可视化分析和数据高效应用。

精度。

2.取1m等高距设定误差标准,即0.2m为像控点最大高程限差,得出2、4方案满足精度要求。方案1为无控方案,有一点高程残差超限,不可行;方案3测区两端点有平高点控制,但测区折点处未布设平高点,有差分GNSS参与平差,但高程残差仍超限,结果不可靠;方案5、6高程残差超限,验证了在基线大于4的情况下只依靠平高点参与平差解算不可行。

3.取0.5m等高距设定误差标准,即0.11m为像控点最大高程限差,得出方案2满足精度要求。方案2在差分GNSS参与平差解算条件下,在河道首尾端点的两侧各布设一个平高点,河道折点处两侧各加一个平高点,像控点布设合理有效;方案4所有像控点均作为平高点与差分GNSS参与平差解算,理论应为精度最高,但由于无人机姿态差、像片质量差、相机畸变复杂等原因,对比方案2,空三精度下降,最大高程残差0.186m,精度超限。

综上,方案2是既有效又经济的像控点布设方式,即在对带状测区进行无人机低空摄影测量时,地面分辨率不低于5cm,差分GNSS参与平差,测区两端及中间航线折点区域各布设像控点,即可满足0.5m等高距1:500成图比例尺精度要求。

(责任编辑:小安)

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