3DGIS在城市消防監(jiān)督中的應用

趙騰　黃意誠　陳曉迪　王龍輝　田麗君

摘要：隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的不斷加快，城市火災事故不斷增多，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失也越來越嚴重[1]。而消防監(jiān)督不嚴與救援不及時是火災發(fā)生和災情加劇的主要原因。該文以消防安全基本原理為理論依據(jù)，結(jié)合Visual C#與SuperMap Object.Net 組件式GIS平臺，實現(xiàn)了對城市群體建筑的信息管理、消防監(jiān)督、戶籍化管理、三維火災模擬，并通過基于柵格GIS的最優(yōu)路徑分析完成了城市消防對設(shè)定著火點下進行火災救援的實時三維模擬展示。

關(guān)鍵詞： 3DGIS；戶籍管理；消防指揮；火災模擬

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2155-04

火災是自然災害中的重要災種，其發(fā)生頻度居各災種之首，造成的直接損失約為地震的5倍[2]。據(jù)聯(lián)合國“世界火災統(tǒng)計中心”的數(shù)據(jù)，全世界有數(shù)百人因火災喪生。近年來我國每年發(fā)生火災約4萬起，造成高達十多億元的經(jīng)濟損失，5000-6000的傷亡人數(shù)。而且特大惡性火災發(fā)生頻率呈增長趨勢，嚴重威脅著人民群眾的人身安全和財產(chǎn)安全[3]。因此，對城市建筑進行火災預防監(jiān)督，科學救援成為城市消防工作中極為重要的一部分。具有強大空間分析能力、圖形展示能力與數(shù)據(jù)庫功能的GIS技術(shù)在消防通信指揮系統(tǒng)中早已有了廣泛而深入的應用，隨著近些年三維GIS的興起與發(fā)展，其強大的空間展示能力與對客觀世界更的真實表達等特點，必將會在城市防火減災工作中得到越來越多的應用。該文以消防安全基本原理為理論依據(jù)，以朝陽區(qū)群體建筑物為例，應用GIS等相關(guān)技術(shù)手段，形成具有信息管理、輔助分析、輔助決策的綜合技術(shù)平臺?？蓪崟r繪制三維圖形，實時添加、修改、錄入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維場景漫游、三維消防模擬等功能。并能對社會單位進行消防監(jiān)督和戶籍化管理，對著火單位進行消防模擬，為消防部門提供輔助決策，提高消防安全管理水平，完善火災防御體系，并且為社會單位消防提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與構(gòu)建

地理信息系統(tǒng)（GIS—Geographic Information System）是集采集、管理、操作、模擬和顯示、分析處理空間相關(guān)數(shù)據(jù)的軟件，一方面能適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，形成自己的產(chǎn)業(yè) [4]，另一方面可以推進空間信息應用與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是空間技術(shù)應用領(lǐng)域的主要軟件基礎(chǔ)，具有廣闊的應用前景[5]。

1.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺選擇

目前進行GIS應用程序開發(fā)主要有三種形式：1）完全自主開發(fā)；2）在已有成熟的GIS平臺上進行二次開發(fā)；3）利用GIS組件進行開發(fā)[6]。由于組件式開發(fā)簡單、靈活，周期短，可脫離平臺獨立運行等特點，本系統(tǒng)采用此種開發(fā)形式，按照三層模型-數(shù)據(jù)服務層、應用邏輯層、界面層來構(gòu)造的。

1.2 數(shù)據(jù)準備

空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)中兩種重要的數(shù)據(jù)類型?？臻g數(shù)據(jù)是用來表示空間實體的位置、形狀、大小及其分布特征諸多方面信息的數(shù)據(jù)，而屬性數(shù)據(jù)是描述空間對象屬性特征的數(shù)據(jù)[7]。

城市消防監(jiān)督以及其他基于GIS的防災減災工作的實現(xiàn)都依靠城市GIS數(shù)據(jù)庫的支持。GIS數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和建立是整個工作的關(guān)鍵。此系統(tǒng)首先對城市地理數(shù)據(jù)進行實地數(shù)據(jù)采集，然后進行歸類整理，通過人工校對和計算機校對確保準確性，最后進行錄入。

根據(jù)消防系統(tǒng)需要，結(jié)合現(xiàn)實生活我們分別設(shè)計建筑物和戶籍單位屬性數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。

1.3 三維建模

隨著三維GIS 技術(shù)的發(fā)展，精準的三維建模為三維空間的信息分析和處理提供了可能， 使城市中的物體具有了真實的三維感，也使用戶能更直觀、隨心所欲地在三維世界中漫游，達到身臨其境的感覺[8]。3ds Max是一款優(yōu)秀的三維動畫軟件，擁有完善的建模功能，并且可以與后期軟件結(jié)合，使制作流程更為流暢[9]。在3ds Max三種建模方法，多邊形，面片及NURBS建模中，建筑物使用多邊形建模最簡便快捷[10]。建模完成后對建筑進行拉伸和適當修改，然后給模型賦予材質(zhì)和貼圖，使效果接近真實。利用SuperMap公司提供的插件我們可以方便的將3ds Max模型導出合適的格式文件，再倒入SuperMap Deskpor平臺中，對三維場景進行整體協(xié)調(diào)處理，如對比度、亮度、色彩等進行調(diào)節(jié)。對道路和空地添加樹木，使觀看效果更佳。

1.4 系統(tǒng)模塊劃分及功能概述

城市消防監(jiān)督系統(tǒng)分為四大功能模塊，分別是三維場景管理、數(shù)據(jù)查詢與分析、數(shù)據(jù)分類管理、重點監(jiān)督單位管理、消防模擬功能，系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示。

1 ）三維場景：打開三維場景進行顯示。若視角不佳，可以直接恢復到初次視角。在不需要展示時可關(guān)閉三維場景或者退出。

2） 數(shù)據(jù)查詢分析：通過模糊查詢對建筑物進行查找，也可通過點擊建筑物進行查詢。自動定位到查找目標并彈出基本信息。

3 ）數(shù)據(jù)分類管理：對建筑物、單位的各類基本信息進行數(shù)據(jù)處理。

4 ）重點監(jiān)督單位管理：對重點消防監(jiān)督對象的各類基本信息進行數(shù)據(jù)處理。備案表可為消防部門進行詳細的建筑單位消防信息管理，并可直接打印。

5 ）消防模擬：通過單位名稱模糊查詢，定位到著火點，設(shè)置為著火狀態(tài)。通過與已有消防單位在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集上進行最優(yōu)路徑分析獲得最佳救援的消防單位并全屏顯示路線。然后進行消防模擬：消防車從最佳的消防單位出發(fā)，動態(tài)行駛到著火點，進行噴水滅火演示。

1.5 系統(tǒng)亮點及技術(shù)特色說明

1.5.1 最優(yōu)路徑分析

亮點描述 最優(yōu)路徑查詢及消防救援路徑分析，是基于SuperMap GIS平臺的最優(yōu)路徑分析接口，通過C#編程很好的實現(xiàn)了自動尋找距離著火點最近的消防站，進行救援路線的最短路徑分析。為城市消防救援工作提供輔助決策，簡化了消防部門的救援程序，節(jié)約救援時間，提高救援效率。

技術(shù)特色 當火災發(fā)生時，用戶可根據(jù)單位名稱進行模糊查詢找到著火點，雙擊單位名稱或者點擊定位按鈕進行定位，設(shè)為著火點后建筑變?yōu)橹馉顟B(tài)。點擊路徑分析，全幅顯示場景，并繪制一條從消防站到著火點的路徑。

下面是實現(xiàn)最優(yōu)路徑分析的代碼片段：

1.5.2 消防模擬

亮點描述 通過3dsMax軟件與SuperMap Realspace技術(shù)結(jié)合三維虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)火災現(xiàn)場三維場景模擬及模擬消防車從消防站出發(fā)到達著火點的全過程，以較直觀的表現(xiàn)方式幫助用戶了解現(xiàn)場火情和沿線建筑狀況。

技術(shù)特色 SuperMap Objects 6R系列是基于Realspace的二三維一體化的組件式GIS開發(fā)平臺，適用于快速開發(fā)專業(yè)級C/S結(jié)構(gòu)應用系統(tǒng)。

部分代碼：RemoveTrackingLayerObject（"ParticleFountain2"）； //自定義移動圖形route.FromGeoLine3D（m_line3D）； //路徑

1.5.3 噴水效果

亮點描述 通過計算消防車與著火點的角度，決定噴水的方向。

技術(shù)特色 調(diào)用SuperMap Objects 6R自帶的接口時噴水方向固定，通過計算消防車和著火點的位置關(guān)系，動態(tài)實現(xiàn)噴水角度。

部分代碼如下：

2 系統(tǒng)應用實例

2.1 三維展示與分析

該系統(tǒng)是以北京市朝陽區(qū)王四營村為例，在二次開發(fā)中運用SuperMap Objects 6R三維組件，結(jié)合3ds max三維建模工具開發(fā)出來的三維模擬城市場景，并在該場景里實現(xiàn)了一系列的數(shù)據(jù)管理和三維分析功能。例如三維漫游、三維模型定位和查詢、三維粒子效果、三維路徑分析等功能，如圖2所示。

2.2 救援最優(yōu)路徑分析

該模塊是基于網(wǎng)絡(luò)模型來分析著火點和王四營地圖的消防站之間最近距離。在分析過程中，先分析得出著火點到兩個消防站的兩條最近距離路線，然后將這兩條路線比較選取更合適的路線。然后在場景中突出顯示。如圖3所示。

2.3 三維消防場景模擬

此處以北京市朝陽區(qū)柏陽學校為例，對該建筑進行三維虛擬仿真模擬，通過對火災的三維火災模擬，以較直觀的表現(xiàn)方式幫助用戶和消防隊員了解火災現(xiàn)場的火災情況。并通過最優(yōu)路徑分析得出從最近消防站到著火點的最優(yōu)路線，以跟蹤消防車的第三視角遍歷整條路線，讓用戶和消防隊員有效熟悉路線環(huán)境，最后展現(xiàn)消防車對著火建筑物噴水效果如圖4所示。

3 總結(jié)

本文結(jié)合當今的社會實際災害問題，主要介紹了城市消防監(jiān)督系統(tǒng)的總體思路、設(shè)計和主要功能，說明三維GIS在防火減災中應用的巨大潛力，為了使系統(tǒng)在實際使用中真正發(fā)揮作用，還需要不斷完善和發(fā)展，如計算機輔助決策系統(tǒng)應與社會實際更緊密結(jié)合，三維GIS功能與科學的應急災情處理方法結(jié)合起來。應用3DGIS可視化的數(shù)據(jù)表達，可對計算結(jié)果有一個直觀形象的宏觀展示，為防震減災工作提供有效的信息支持，具有一定的實用意義和發(fā)展前景。

參考文獻：

[1] 周亞飛，劉茂.基于GIS的城市火災風險評價及其在防災規(guī)劃中的應用[J].災害學，2010.

[2] 馮春瑩，徐志勝，徐亮.城市火災模擬分析與消防應急指揮系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].防災減災工程學報，2005.

[3] 李友化.火災自動報警控制系統(tǒng)的工程應用技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計[D].廣西大學，2009.

[4] 饒俊，王琳.GIS技術(shù)在消防信息系統(tǒng)中的構(gòu)建[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2006.

[5] 余明，艾延華.地理信息系統(tǒng)導論[M].清華大學出版社，2011.

[6] 阮晴，何宗宜. 基于3DS MAX的武漢大學校園立體圖的制作[J].測繪通報，2002.

[7] 王警，方音. 控規(guī)編制中空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化方案[J].城市規(guī)劃，2007（04）.

[8] 王迅. 近景攝影與3DS MAX 在3 維建模中的應用[J].測繪與空間地理信息，2010.

[9] 趙子龍.基于3ds Max的城市三維建模技術(shù)[J].價值工程，2013.