三維GIS與VR技術(shù)融合在人防領(lǐng)域應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

李瑩 鄧奇 楊先建 王威 貴慧宏

人防是現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要內(nèi)容，和平時期主要服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和抗災(zāi)救災(zāi)，戰(zhàn)爭來臨則主要用來掩蔽人員和物資，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。近年來，人防信息化建設(shè)以國家“一網(wǎng)四系統(tǒng)”為要求，全面整合人防信息化的各種資源，使其效能發(fā)揮最大化。2014年，國家人防辦頒發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范人民防空戰(zhàn)備數(shù)據(jù)建設(shè)的意見》，人防大數(shù)據(jù)建設(shè)拉開序幕；2016年初，國家人防辦進(jìn)一步提出了“把四面八方的數(shù)據(jù)廣泛采進(jìn)來、把浩如煙海的數(shù)據(jù)分類存進(jìn)來、把決策支撐的數(shù)據(jù)快速查出來、把蘊(yùn)含規(guī)律的數(shù)據(jù)科學(xué)算出來、把各類應(yīng)用軟件全部統(tǒng)起來”的建設(shè)要求。 三維GIS具備無縫集成特性，以時空視角整合海量信息資源方面具備得天獨(dú)厚優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)領(lǐng)域，尤其與VR、BIM、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)融合應(yīng)用，必將助力人防信息化建設(shè)。

一、三維GIS與VR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代后，由于三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得建立三維GIS成為可能，而“數(shù)字地球”對建立三維GIS也提出了更為迫切的要求。三維GIS依托XYZ地理空間框架，以形象、直觀方式將現(xiàn)實(shí)世界映射于虛擬空間，以結(jié)構(gòu)化、對象化形式組織管理虛擬空間內(nèi)的目標(biāo)實(shí)體，同時支持三維空間化分析與操作，已逐步成為數(shù)字地球、數(shù)字城市、智慧城市等建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)。得益于Google Earth被廣泛認(rèn)知，尤其Google Earth Pro版免費(fèi)向公眾開放，三維GIS技術(shù)加速走入公眾視野。與此同時，三維激光掃描、傾斜攝影測量等三維空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)趨向成熟，極大保障了應(yīng)用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。近年來，隨著WEBGL的發(fā)展，三維模型數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)化成為一大發(fā)展趨勢；傳統(tǒng)三維GIS的C/S架構(gòu)桌面端軟件，已然轉(zhuǎn)向WebGIS，以及更加輕量級的移動APP，向著專業(yè)化、輕量化方向發(fā)展。另一方面，ESRI、SuperMap等都相繼開展三維GIS與VR融合應(yīng)研究，但VRGIS仍處于初級階段，應(yīng)用潛力有待進(jìn)一步挖掘。VR技術(shù)利用計算機(jī)生成一種模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，構(gòu)建出一個多源融合、交互的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)，具備多感知性，用戶在虛擬環(huán)境中有視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知能力，提供沉浸式體驗(yàn)。

二、三維GIS與VR技術(shù)在人防領(lǐng)域的應(yīng)用需求

為要做好人民防空工作，借助先進(jìn)信息化技術(shù)，亟須提升人防工程管理效率和提高人防應(yīng)急響應(yīng)速度。人防工程管理，業(yè)務(wù)涵蓋工程構(gòu)筑物主體、配套設(shè)備設(shè)施及其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和管理。人防構(gòu)筑物主體、配套設(shè)備設(shè)施管理方面，鑒于人防工程屬于地下構(gòu)筑物，且設(shè)施設(shè)備配套涉及供電、通風(fēng)、給排水、消防、通信，以及其他專用設(shè)施設(shè)備，結(jié)構(gòu)繁雜，各種管線縱橫交錯，管理維護(hù)工作往往要求高、難度大。建筑信息模型，即Building Information Modeling（以下簡稱BIM）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。BIM技術(shù)是一種數(shù)據(jù)化工具，通過建筑模型整合項(xiàng)目的各類相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、設(shè)計、建造、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期中進(jìn)行信息的共享和傳遞，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。全面科學(xué)地推進(jìn)BIM技術(shù)在人防領(lǐng)域應(yīng)用，不僅在人防工程建設(shè)中有效節(jié)省項(xiàng)目成本、縮短建設(shè)工期，降低返工、沖突和錯誤等項(xiàng)目風(fēng)險；而且在人防工程管理中輔助熟識構(gòu)筑物主體的各類構(gòu)件和設(shè)施設(shè)備，降低運(yùn)維難度，從而極大降低管理成本，提升管理效率。人防工程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控方面，設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)有人防工程的通風(fēng)狀態(tài)、通風(fēng)閥門工作狀態(tài)、水箱儲水量與水質(zhì)、水井水質(zhì)、電源接入信息、發(fā)電設(shè)備狀態(tài)，還有電源輸入輸出的電壓、電流和功率等；內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量有人防工程內(nèi)的溫度、濕度、壓差和氧氣、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等濃度；而安全防護(hù)則指人防內(nèi)部與出入口視頻監(jiān)控、出入口人員入侵情況、內(nèi)部人員進(jìn)入數(shù)量與密度、工程內(nèi)部滲水情況等。監(jiān)控內(nèi)容涉及類別較多，而且情況復(fù)雜，要求及時準(zhǔn)確掌控數(shù)據(jù)情況，亟須采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

人防應(yīng)急防災(zāi)響應(yīng)提高方面，通常采用應(yīng)急演練方式，來提升組織協(xié)調(diào)能力和發(fā)現(xiàn)應(yīng)急工作薄弱環(huán)節(jié)。作為常規(guī)應(yīng)急演練模式，實(shí)戰(zhàn)演練雖能達(dá)到訓(xùn)練有素，提升效率目標(biāo)，但往往存在情景單一、涉及領(lǐng)域有限，且耗時耗力評估困難等缺點(diǎn)；而傳統(tǒng)的桌面演練，又過于程式化，按部就班，往往是圍繞事先設(shè)計好的一個或幾個虛擬場景，按照既定步驟開展模擬演習(xí)，帶入感差，各類演練角色難于進(jìn)入狀態(tài)。VR技術(shù)具備交互性、沉浸感、想象力等特征，能夠按照用戶想象快速設(shè)置或改變演練場景的同時，在虛擬場景中給各類演練角色以沉浸感、交互式真實(shí)體驗(yàn)，從而達(dá)到“集約演練、實(shí)景參演、動態(tài)推演、精準(zhǔn)評估”要求。

三、三維GIS與VR融合在人防應(yīng)用中技術(shù)實(shí)現(xiàn)

三維GIS與VR技術(shù)在人防領(lǐng)域融合應(yīng)用，以人防管理信息化視角，采用三維GIS平臺軟件，在電子地圖、高清影像、城市模型等地理空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，導(dǎo)入人防工程BIM數(shù)據(jù)，接入人防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，構(gòu)建人防工程管理靜態(tài)、動態(tài)信息一體化展示、管理、監(jiān)測和控制窗口，并建立與VR多尺度聯(lián)動信息適配機(jī)制，從而保障用戶沉浸式體驗(yàn)同時，保障三維GIS、VR信息同步和及時交互。三維GIS具備無縫集成特點(diǎn)，而VR技術(shù)可加強(qiáng)具象性及交互功能，兩者融合將大大提升BIM應(yīng)用效果，具備渲染真實(shí)度提升、增強(qiáng)整個BIM模型展示效果、VR插件動作捕捉顯示沉浸和顯示分辨率提升等特點(diǎn)，能滿足人防工程管理需求。

在人防工程管理應(yīng)用功能上，為滿足人防基本信息管理、內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備設(shè)施監(jiān)控、安全防護(hù)預(yù)警、綜合信息展示、實(shí)景交互體驗(yàn)等功能需求，實(shí)現(xiàn)三維GIS與VR在人防工程管理領(lǐng)域的融合應(yīng)用，兼顧宏觀、中觀、微觀等多尺度管理目標(biāo)，設(shè)計融合技術(shù)路線如圖1所示。

城市三維地理場景搭建，主要指自然環(huán)境和氣候環(huán)境。自然環(huán)境方面，采集基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、高清影像數(shù)據(jù)、地面高程模型、三維地物模型等，選擇US-Globe軟件搭建出人防工程外部城市仿真級場景，并配置陰晴雨雪氣象、早中晚天候等；

人防工程單體模型建設(shè)，選擇人防工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、建造、運(yùn)行等過程中使用的BIM建筑信息模型，通常包括工程建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電專業(yè)，相關(guān)單位在提交時模型格式轉(zhuǎn)換為rvt格式。在融合應(yīng)用中，三維GIS應(yīng)用通過3DMAX軟件轉(zhuǎn)化為3DS格式，VR中則要求轉(zhuǎn)換為FBX格式應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人防工程內(nèi)部仿真級場景建設(shè)，如圖2所示：

人防工程實(shí)時運(yùn)行監(jiān)測，定制7*24小時運(yùn)行監(jiān)測與預(yù)警服務(wù)，采用訪問實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和解析通訊交互字符信息等兩種方式，獲取人防工程實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動化比對各業(yè)務(wù)預(yù)警閥值，若出現(xiàn)閥值情況則發(fā)送警報信息。

人防工程管理的三維GIS展示和VR沉浸體驗(yàn)，將人防工程單體模型，在US-Globe軟件中通過大小、方位、方向調(diào)整與城市三維地理場景相融合，選擇US-Globe SDK定制開發(fā)三維GIS展示系統(tǒng)和VR沉浸體驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地上下、室內(nèi)外一體化實(shí)景管理和沉浸式交互巡檢；

三維GIS與VR交互服務(wù)，建立多尺度聯(lián)動信息適配機(jī)制，主要包括空間尺度上構(gòu)建GIS地理坐標(biāo)與VR局部坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換和交互指令上兩者之間空間、事件等信息的同步。定制7*24小時三維GIS與VR交互服務(wù)，實(shí)時同步、傳遞兩者間的空間方位、姿態(tài)和指令等信息。三維GIS與VR交互，如圖3所示：

四、總結(jié)與展望

人防信息化建設(shè)已然步入大數(shù)據(jù)階段，“重硬輕軟”狀況極大轉(zhuǎn)變，海量人防數(shù)據(jù)的獲取、整合、存儲、應(yīng)用將是本階段主要任務(wù)。三維GIS與VR技術(shù)在人防領(lǐng)域融合應(yīng)用，不僅為人防大數(shù)據(jù)打造了一個多維可視窗口，同時也為其業(yè)務(wù)精細(xì)化監(jiān)管提供了時空交互入口，尤其在應(yīng)急演練方面深度應(yīng)用潛力，都將產(chǎn)生極大的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文中三維GIS與VR融合主要指邏輯交互層面，而人防工程單體BIM模型為滿足三維GIS和VR系統(tǒng)調(diào)用，需轉(zhuǎn)換并存儲兩個不同格式版本，不利于模型數(shù)據(jù)更新與同步，一定程度上限制了融合技術(shù)深層次應(yīng)用，下一步將強(qiáng)化對BIM數(shù)據(jù)的直接兼容要求。