基于GIS與無人機技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)設(shè)計

李璇瓊，梁延龍

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學院，四川 德陽 618000）

2020年1月，新型冠狀病毒肺炎在湖北爆發(fā)，并在全國迅速蔓延。得益于我國政府的快速應(yīng)對，疫情逐漸得到控制。在抗擊新冠狀肺炎“疫情”中，基于北斗系統(tǒng)的無人機應(yīng)急救援系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用，北斗無人機向一線醫(yī)務(wù)人員運送急需的醫(yī)療防疫物資，并可以根據(jù)規(guī)劃路線實現(xiàn)精確噴灑、巡檢、宣傳等防疫操作。由此可見，無人機技術(shù)在應(yīng)急救援中可以發(fā)揮十分重要的作用。

我國是地震頻發(fā)國家，地震呈現(xiàn)范圍廣、頻度高、強度大和危害大的特性。近十年來，地震災害對我國造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失，在地震應(yīng)急救援過程中也出現(xiàn)了部分人員及救援物資調(diào)度混亂，應(yīng)急救援不及時的情況。因此提高地震應(yīng)急救援的效率，對保護生命財產(chǎn)安全具有極為重要的意義。

GIS與無人機技術(shù)在地震行業(yè)及其他行業(yè)中的應(yīng)用研究已經(jīng)有很多先例。徐蘭聲等[1-2]提出基于GIS系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市震災評估和救災應(yīng)急中的應(yīng)用。左先旺等[3-5]提出無人機在災情應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，開辟地震應(yīng)急災情獲取新途徑。綜合以上學者研究，單將GIS技術(shù)應(yīng)用于地震災害應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，無法實時獲取災情；僅利用無人機進行災后應(yīng)急救援，無法合理安排救援路線，進行物資調(diào)配。

本文將GIS與無人機技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建地震應(yīng)急救援系統(tǒng)，可以快速獲取地震現(xiàn)場災情信息，通過GIS分析和無人機技術(shù)可以進行人員搜救、救災物資快速運輸，由此可以有效提高地震應(yīng)急救援的效率，具有地震應(yīng)急救援的應(yīng)用價值。

1 GIS與無人機技術(shù)在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢

1.1 GIS技術(shù)在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢

GIS 是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機軟、 硬件的支持下，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)而建立的計算機技術(shù)系統(tǒng)[6]。目前GIS已在測繪、城市規(guī)劃、水利、土木、環(huán)境保護、土地利用與規(guī)劃等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其在地震領(lǐng)域中的應(yīng)用包括地震分析、預測、預報、抗震、減災、災害預溯、輔助決策及應(yīng)急指揮等各個方面。由于地震災害的每一個環(huán)節(jié)及過程均與地理位置密切相關(guān)，因此可基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)及空間數(shù)據(jù)庫，將地質(zhì)災害預測、減災基礎(chǔ)信息加以管理，結(jié)合GIS空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析功能及子專題提供的數(shù)學模型，動態(tài)實現(xiàn)地震災害的快速預測與輔助決策等[7-8]。

1.2 無人機技術(shù)在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢

無人機作為一種飛行工具，具有體積小、輕盈、耐用、 機動靈活的特點。地震災情發(fā)生后，應(yīng)急管理人員需要迅速獲取人員傷亡情況、建筑物破壞情況、次生災害和生命線工程破壞情況。無人機在震后迅速進入災區(qū)航拍，可以遠程實時指揮，實時傳回更清晰的圖像，全面、系統(tǒng)記錄震害特征。其成本低、易操縱、反應(yīng)快，對大面積區(qū)域震害調(diào)查效率更高。有了無人機，專家可在后方集中精力，快速評估震害災情，因此具有獨特優(yōu)勢。除航拍災情以外，目前無人機技術(shù)還可實現(xiàn)掛載多種載荷模塊，“變身”移動的通信基站，同時具備災后運輸、投放物資等救援潛力。

2 基于GIS與無人機技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用系統(tǒng)平臺、數(shù)據(jù)平臺、應(yīng)用平臺和信息展示平臺的四層結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。

圖1 地震應(yīng)急救援系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

由圖 1可見本系統(tǒng)由以下主要部分構(gòu)成：

1）系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)平臺主要包括GIS平臺、飛控平臺、通信設(shè)備和操作系統(tǒng)。

2）數(shù)據(jù)平臺。數(shù)據(jù)平臺主要包括：應(yīng)急救援數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、災情數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

3）應(yīng)用平臺。應(yīng)用平臺主要包括：地震現(xiàn)場災情采集管理、地震應(yīng)急救援輔助決策、地震應(yīng)急救援信息展示和系統(tǒng)管理。

4）信息展示平臺。綜合考慮地震現(xiàn)場應(yīng)急情況和需求，以及數(shù)據(jù)的安全性，本系統(tǒng)采用C/S模式進行展示。

5）數(shù)據(jù)更新維護。本系統(tǒng)在設(shè)計過程中，應(yīng)急救援數(shù)據(jù)和災情數(shù)據(jù)由地震應(yīng)急救援系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃數(shù)據(jù)更新；對于由無人機或現(xiàn)場應(yīng)急人員采集并上報的更新數(shù)據(jù)，建立定期更新的機制，采用對數(shù)據(jù)審核，少更新，簡單更新的方式，最大限度減少人機交互的操作難度；對于震時獲取的大量信息，系統(tǒng)也會根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定將其入庫，并且同步給現(xiàn)場應(yīng)急人員。

6）系統(tǒng)安全管理。本系統(tǒng)的安全設(shè)施包括軟硬件兩方面，除信賴硬件平臺提供的安全設(shè)施外，還提供軟件方面的系統(tǒng)安全考慮，如用戶權(quán)限、角色的劃分，系統(tǒng)日志記錄等。

2.2 功能設(shè)計

本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

由圖 2可見本系統(tǒng)由以下功能結(jié)構(gòu)組成：

圖2 地震應(yīng)急救援系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1）地震現(xiàn)場災情采集管理。地震現(xiàn)場影像采集：地震發(fā)生后，地震應(yīng)急指揮中心派出無人機搭載高清攝像機到達震區(qū)，按規(guī)劃航線獲取高清影像，并回傳地震應(yīng)急指揮中心，指揮部專家可以根據(jù)震區(qū)高清影像配合專業(yè)軟件分析震害情況。

地震現(xiàn)場災情采集：地震發(fā)生后，地震應(yīng)急指揮中心派出無人機搭載紅外設(shè)備以及其他救援設(shè)備到達震區(qū)，通過紅外設(shè)備快速的從倒塌建筑物中搜尋生命，并將圖像實時傳回地震應(yīng)急指揮中心和地震現(xiàn)場搜救人員，幫助指揮中心和地震現(xiàn)場搜救人員對幸存者進行快速施救。

2）地震應(yīng)急救援輔助決策。地震應(yīng)急救援需求分析：地震應(yīng)急指揮中心根據(jù)地震災區(qū)的災情和救援需求模型估算各類救援力量和救援物資的最大需求量，救援力量和救援物資類型主要包括消防力量、醫(yī)護人員、防疫人員、醫(yī)療物資和生活物資。地震應(yīng)急救援需求分析業(yè)務(wù)流程如圖3所示。地震應(yīng)急救援需求表是地震應(yīng)急救援調(diào)度的基礎(chǔ)信息表，通過查詢或計算當前地震下的受傷和需安置人數(shù)以及救援需求模型，自動計算救援人員和物資需求數(shù)量，保存到地震應(yīng)急救援需求表，地震應(yīng)急指揮人員可以根據(jù)現(xiàn)實需要對地震應(yīng)急救援需求表進行變更。

圖3 地震應(yīng)急救援分析業(yè)務(wù)流程圖

地震應(yīng)急救援路徑分析：根據(jù)選擇救援地點，在地圖上顯示該救援點，分別查找該救援點最近的物資儲備倉庫和救援力量儲備點，并通過GIS路徑分析功能分析最佳路徑。在本系統(tǒng)設(shè)計中采用的是Dijkstra算法，在最短路徑分析中，兩點之間的距離主要考慮實際距離和時間兩個因素，可以按照實際情況選擇不同的權(quán)重，得到所需的最短路徑。

地震應(yīng)急救援物資配送：輕量急需醫(yī)療或救援物資可以通過無人機快速配送至救災點，救援力量和重量救援物資可以通過地面進行配送。

3）地震應(yīng)急救援信息展示。地震現(xiàn)場災情信息動態(tài)展示：包括通過無人機采集的高清影像展示、紅外圖像動態(tài)展示、救援點動態(tài)展示。

無人機及人員動態(tài)展示：系統(tǒng)展示包括無人機實時位置展示和救援人員位置展示，展示效果如圖 4所示。

圖4 基于GIS與無人機技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)示意圖

地震應(yīng)急救援期間，救援設(shè)備和救援人員眾多，合理調(diào)度人員和物資可以提高救援效率。此系統(tǒng)可實時顯示無人機設(shè)備和救援人員所在位置，通過直觀展示地震應(yīng)急期間的救援情況，可以方便地震應(yīng)急指揮中心進行統(tǒng)一資源調(diào)度。

4）系統(tǒng)管理。地震應(yīng)急救援模型管理：主要是對地震應(yīng)急救援需求模型參數(shù)配置，以便對自動計算的需求結(jié)果進行調(diào)整。

無人機設(shè)備管理：包括無人機設(shè)備信息的添加、修改、刪除功能。

GIS參數(shù)配置：主要是對系統(tǒng)使用到的GIS分析模型參數(shù)進行配置。

用戶信息管理：用戶信息包含用戶名稱、用戶密碼、用戶描述、用戶類型等。提供用戶基本信息的增加、修改、刪除等功能。

3 結(jié) 語

本文提出的基于GIS與無人機技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)以無人機為載體搭載高清攝像機、紅外設(shè)備和救援設(shè)備，借助GIS平臺的強大分析功能，實現(xiàn)了震區(qū)高清影像采集、震區(qū)災情采集、救援物資配送等功能，提高了地震應(yīng)急救援的時效性。本系統(tǒng)下一步將結(jié)合我國在突發(fā)應(yīng)急救援和服務(wù)體系建設(shè)的經(jīng)驗，進一步提高地震應(yīng)急救援裝備及救援技術(shù)，加強多部門的協(xié)同合作，在實際場景中反復調(diào)試改進，從而更好地實現(xiàn)地震應(yīng)急救援的輔助決策支持，提高地震應(yīng)急響應(yīng)速度、救援能力和決策指揮水平。