基于GIS的大型公共場所突發(fā)事件實時數(shù)據(jù)采集與可視化研究

邢煒光

(天津市勘察院,天津 300191)

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展和城市現(xiàn)代化水平不斷提高，災(zāi)害事件對城市功能正常發(fā)揮的影響程度和波及范圍也越來越大[1-3].城市內(nèi)的突發(fā)事件時有發(fā)生，對社會經(jīng)濟和人民的生命財產(chǎn)造成的損失就越來越大.大型公共建筑疏散模擬及救援調(diào)度研究涉及大量的空間地理信息.地理信息系統(tǒng)(GIS， Geographic Information System)可以實現(xiàn)空間信息及其他各類信息的有效管理，并能對地理信息數(shù)據(jù)進行查詢、檢索、統(tǒng)計和計算[2-5].因此，構(gòu)建基于GIS的大型公共建筑應(yīng)急疏散救援決策模型，可以模擬優(yōu)化各種突發(fā)事件條件下最優(yōu)應(yīng)急疏散策略及救援策略，為政府有關(guān)部門在城市建設(shè)和城市防災(zāi)規(guī)劃中的決策提供科學依據(jù).

本文以濟南市大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)為研究對象，討論了基于GIS的疏散區(qū)域的數(shù)據(jù)實時采集與可視化、空間查詢分析、火災(zāi)蔓延分析、最優(yōu)路徑選擇等問題及其解決辦法.以濟南市大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)為例，設(shè)計和建立了應(yīng)急救援疏散數(shù)據(jù)庫，拓撲濟南市道路網(wǎng)，設(shè)計濟南市大型建筑應(yīng)急疏散地理信息空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)地操作的各種輔助功能，最后詳細論述了如何實現(xiàn)上述幾項關(guān)鍵技術(shù).

1 火災(zāi)蔓延分析模型

在大型公共場所應(yīng)急救援過程中，存在著大量的問題要求指揮人員必須立刻做出決策進行指揮；同時，心理學家的研究表明，決策者在同時考慮10個以上的變動或者矛盾因素時，將會感到十分困難[6].在應(yīng)急救援的過程中，指揮部高層決策者往往需要考慮幾十個復雜的決策因素，以往那種依靠個人經(jīng)驗和直覺的決策方式遠遠不能滿足現(xiàn)代管理決策的需求.空間決策支持系統(tǒng)可以將GIS、數(shù)據(jù)庫、模型庫、歷史資料分析等有機地結(jié)合起來，可以對決策全過程或主要環(huán)節(jié)提供全面、有效的支持[7-12].

圖1 t2模型的四種基本類型

圖2 t2穩(wěn)定火源模型熱釋放速率曲線

火災(zāi)熱釋放速率曲線的確定是火災(zāi)基礎(chǔ)研究的一個重要問題，現(xiàn)在通常稱這種研究為設(shè)定火災(zāi).目前應(yīng)用較為廣泛的有三種模型：初期增長模型、全過程模型、多件物品的熱釋放速率疊加模型.

火災(zāi)增長模型在計算上具有簡便的優(yōu)勢，目前一般用下面的二次方程描述:

Q=a(t-t0)

(1)

其中，Q為燃燒熱量(kW)；a為火災(zāi)增長系數(shù)(kW/s2)；t為點火后的時間(s)；t0為開始有效燃燒所需的時間(s).

綜合大量試驗的結(jié)果現(xiàn)在一般將其分為慢速、中速、快速、超快速等四種類型，各類火災(zāi)增長的火災(zāi)增長系數(shù)依次為0.002 931、0.011 27、0.046 89、0.187 8，如圖1所示.一種常用的方式就是將按照火災(zāi)的發(fā)展過程將熱釋放速率曲線分為三個階段段：初期增長階段采用t2模型描述，在充分發(fā)展階段認為熱釋放速率維持不變，在減弱階段則按線性減弱處理[13-14].模型簡圖見圖2所示.

2 基于GIS的大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

GIS可以方便地對空間數(shù)據(jù)進行采集、分析、管理、輸出等，并具有區(qū)域分析、多種要素分析和動態(tài)監(jiān)測的能力[2-4].與一般的數(shù)據(jù)庫不同，GIS不僅可以高效地處理空間數(shù)據(jù)，而且還可以管理有拓撲結(jié)構(gòu)的圖形數(shù)據(jù)，并建立兩者之間的關(guān)系，因此特別適用于建立大型建筑應(yīng)急疏散系統(tǒng).

2.1 空間數(shù)據(jù)采集與編輯

GIS是描述、采集、存儲、管理、分析地球表面及空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)[1].數(shù)據(jù)采集和入庫是建設(shè)GIS系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié).目前，數(shù)字化地圖是GIS數(shù)據(jù)獲取的重要方式，對于GIS基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的獲取，應(yīng)綜合應(yīng)用以下4種方法加以解決[1-3].

1)現(xiàn)有地形圖資料.直接進行矢量化處理并建立相應(yīng)的拓撲關(guān)系，形成矢量圖.它的優(yōu)點是快捷、省力、省時，自動化程度高；缺點是后續(xù)處理工作量相當大，自動效率低.

2)圖像資料.其基本過程是用數(shù)字攝影測量儀器和軟件對影像資料(航攝相片或衛(wèi)星影像或近景相片等)進行數(shù)字采集，最后編輯成圖.它的優(yōu)點是圖幅的精度高，可以形成多種產(chǎn)品(如數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線畫圖、數(shù)字柵格圖等)；缺點是對軟硬件設(shè)備的要求高，技術(shù)含量高.

3)實地數(shù)字測量.其基本過程是利用GPS、電子全站儀等在野外實測直接生成數(shù)字地圖.實時獲取GPS數(shù)據(jù)對于應(yīng)急事件的處理提供了數(shù)據(jù)支持.在應(yīng)急事件管理中，對實時確定應(yīng)急事件的發(fā)生點，為疏散人員確定最佳救援路徑，以及實時跟蹤醫(yī)療救援的車輛，提供了很大的便利.

4)實時獲取氣象數(shù)據(jù).火災(zāi)的發(fā)生與氣象條件相關(guān)，所以獲取其相關(guān)數(shù)據(jù)是有必要的.影響火災(zāi)區(qū)域蔓延的因子有：風速、風向、空氣濕度等.在大型場所突發(fā)事件中，實時數(shù)據(jù)主要包括GPS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù).現(xiàn)在已經(jīng)普遍采用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)直接測量地面點的大地緯度和大地高度，GPS以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等特點著稱.氣象數(shù)據(jù)的實時獲取還需要得到氣象部門的支持與幫助，才能及時得到和更新信息，來模擬和預測應(yīng)急事件的發(fā)展趨勢.因此，各個部門相互合作，才能提高城市管理的效率，高效的解決城市內(nèi)復雜的突發(fā)事件.

2.2 空間數(shù)據(jù)管理

地理數(shù)據(jù)存儲是GIS中最底層和最基本的技術(shù)，它直接影響到其他高層功能的實現(xiàn)效率.對于龐大的地理數(shù)據(jù)，需要采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管理[1-3].GIS中的數(shù)據(jù)分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩類[1].大多數(shù)GIS系統(tǒng)中采用了分層技術(shù)，根據(jù)地圖的某些特征，把它分成若干層，而不是整幅地圖，因而能夠?qū)τ脩舻囊笞龀隹焖俜磻?yīng).

2.3 空間查詢與空間分析功能

空間查詢和空間分析是指從GIS目標之間的空間關(guān)系中獲取派生的信息和新的知識，包括如拓撲空間查詢、緩沖區(qū)分析、疊置分析、空間集合分析以及地學分析，如最佳路徑分析.地理數(shù)據(jù)的空間分析功能是GIS得以廣泛應(yīng)用的重要原因之一.通過GIS提供的空間分析功能，用戶可以從已知的地理數(shù)據(jù)中得出隱含的重要結(jié)論，這對于許多應(yīng)用領(lǐng)域是至關(guān)重要的.GIS的空間分析分為矢量數(shù)據(jù)空間分析和柵格數(shù)據(jù)空間分析兩大類.矢量數(shù)據(jù)空間分析包括：空間數(shù)據(jù)查詢和屬性分析，多邊形的重新分類、邊界消除與合并，點與線、點與多邊形、多邊形與多邊形的疊加，緩沖區(qū)分析，目標集統(tǒng)計分析.柵格數(shù)據(jù)分析包括：記錄分析、疊加分析、濾波分析、擴展領(lǐng)域操作、區(qū)域操作、統(tǒng)計分析.

3 可視化的實現(xiàn)

可視化技術(shù)可以幫助救援或決策人員更為直觀地觀察災(zāi)情，以便為突發(fā)情況的及時處理提供決策支持或幫助.可視化技術(shù)主要包括查詢技術(shù)、火災(zāi)區(qū)域蔓延分析和救援最優(yōu)路徑規(guī)劃.

3.1 查詢技術(shù)

在系統(tǒng)功能面板上點擊“查詢-查詢火災(zāi)點”(如圖3所示)，電子地圖上會顯示火災(zāi)發(fā)生點，用閃爍顯示.點擊“查詢-查詢視區(qū)”，查看火災(zāi)點的放大圖(如圖4所示).

圖3 火災(zāi)發(fā)生點查詢 圖4 火災(zāi)發(fā)生點定位

查詢分析主要包括三部分：第一，基本屬性信息查詢；第二，SQL查詢；第三，模糊查詢.實現(xiàn)不同用戶的不同需求.

1)基本屬性信息查詢實現(xiàn).在系統(tǒng)功能面板上點擊“查詢-基本屬性信息查詢”按鈕，顯示在電子地圖上，點擊對象查看對象屬性信息.如圖5所示，屬性表顯示選中區(qū)域為大明湖附近建筑的基本信息(包括火災(zāi)發(fā)生概率和煙霧濃度).

2)SQL查詢技術(shù)實現(xiàn).SQL查詢主要功能是根據(jù)對象的某一屬性字段查詢其一類符合條件的實現(xiàn)方法.查詢煙霧濃度的窗體如圖6所示，此查詢結(jié)果如圖7所示.

圖5 屬性信息查詢 圖6 SQL查詢 圖7 SQL查詢結(jié)果

符合查詢條件(煙霧濃度大于1的居民區(qū))的查詢結(jié)果在axSuperGridView1中顯示，右端的字段“煙霧濃度”顯示了居民區(qū)內(nèi)對應(yīng)的火災(zāi)發(fā)生概率和其他屬性值.

3)模糊查詢技術(shù)實現(xiàn).模糊查詢主要功能是根據(jù)用戶輸入的模糊命令，對符合查詢條件的對象加以顯示.

3.2 火災(zāi)區(qū)域蔓延分析

火災(zāi)區(qū)域蔓延分析主要是利用緩沖區(qū)分析功能.對著火區(qū)域生成多重緩沖區(qū)，形成火災(zāi)區(qū)域的影響域.

1)實時模擬.首先確認火災(zāi)發(fā)生時間，然后根據(jù)火災(zāi)區(qū)域的燃燒級別選擇不同的增長速率(慢速0.002 931、中速0.011 27、快速0.046 89、超快速0.187 8)，依據(jù)現(xiàn)有的資料和數(shù)據(jù)適當選擇空氣濕度、外界風速和風向，最后生成一個模擬圖，判斷和分析著火區(qū)域的影響區(qū)域，確定著火區(qū)域的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、煙霧區(qū)(其中黑色范圍內(nèi)為重傷區(qū))，進而為內(nèi)部的逃生人員確定合理的逃跑路徑，并實時通知館內(nèi)人員選擇入口采取營救措施.影響火災(zāi)區(qū)域蔓延的若干因子有火災(zāi)已發(fā)生時間，火災(zāi)的增長速度，空氣濕度，風速和風向，如圖8所示.確定著火區(qū)域后，依次選擇各因子，選擇實時模擬，如圖9所示.

圖8 火災(zāi)區(qū)域蔓延因子 圖9 15 s分析圖 圖10 20 s分析圖

在圖9中，右側(cè)為火災(zāi)蔓延因子控制區(qū)，地圖下方顯示各蔓延區(qū)域的詳細信息.生成的蔓延區(qū)域分為三級：死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū).其中處于黑色環(huán)內(nèi)區(qū)域為死亡區(qū)，最外層為輕傷區(qū)，中間為重傷區(qū).賓館內(nèi)煙霧的擴散速度大于館內(nèi)人員的逃生速度，所以煙霧區(qū)彌漫于整個走廊中，甚至整個樓層都會感覺到煙霧的存在.此時，應(yīng)采取果斷措施，如隔離著火區(qū)，疏散重傷區(qū)和輕傷區(qū)，緊急搜救死亡區(qū)，制定并實時通知館內(nèi)人員的最佳逃跑路徑.通過比較兩個圖(圖9和圖10)，明顯看出各個蔓延區(qū)域都擴大，尤其是死亡區(qū)擴大，附近的出口需關(guān)閉，應(yīng)及時調(diào)整疏散路徑并實時通知館內(nèi)人員.

2)自動模擬.選擇自動模擬后，選擇時間間隔，進入自動模擬狀態(tài).然后等待模擬圖像的變化.如圖11顯示選擇自動模擬后的按鈕狀態(tài).自動模擬圖過程圖，如圖12所示.

圖11 自動模擬各控件狀態(tài) 圖12 自動模擬過程圖

3.3 救援最優(yōu)路徑規(guī)劃實現(xiàn)

在這里用到SuperMap Objects提供的TrackingLayer對象，該對象隸屬SuperMap 庫，不可創(chuàng)建，具有如下特性：跟蹤層位于地圖的最上層，可用于同時顯示點、線、面、文本等幾何對象.在電子地圖上用圓域選擇一定范圍內(nèi)(如1 000 m內(nèi))的醫(yī)療救助點，符合條件的點用紅色顯示,如圖13所示.然后，利用跟蹤圖層的特性，劃線確定醫(yī)療救援的路線.并實現(xiàn)對救援人員的實時跟蹤,如圖14所示.

圖13 醫(yī)療救援查找 圖14 醫(yī)療救援路線

4 結(jié)論

大型建筑應(yīng)急疏散不但可以控制應(yīng)急事件后果，減少傷亡和損失，而且對應(yīng)急處理道路上其他突發(fā)事件也非常有意義，對具有快速反應(yīng)能力的大型建筑應(yīng)急疏散提出了新的挑戰(zhàn).本文旨在建立一個城市管理系統(tǒng)的地理信息平臺，提供一種地理信息專業(yè)的應(yīng)用思路，目的是為了更好的發(fā)揮GIS在大型公共場所應(yīng)急疏散領(lǐng)域的作用，實現(xiàn)公共場所疏散調(diào)度的現(xiàn)代化、智能化、科學化，以保障安全、快速、有序地疏散人群.

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