傾斜攝影和三維實(shí)景建模技術(shù)在基層消防救援站的運(yùn)用

■ 李一星 任安忠 龍巖市消防救援支隊(duì)

消防救援隊(duì)伍的戰(zhàn)斗力體現(xiàn)在基層，消防救援站指揮員的指揮能力影響著75%左右火災(zāi)撲救的全過程，影響著重特大火災(zāi)撲救的前期階段。隨著無人機(jī)和信息化技術(shù)的高速發(fā)展，基層消防救援站可以充分利用現(xiàn)有的設(shè)備，構(gòu)建高效、可靠的指揮決策系統(tǒng)，加強(qiáng)災(zāi)情評(píng)估、救援指揮決策、災(zāi)后救援等工作。戰(zhàn)前，利用三維建模實(shí)景建模技術(shù)可以讓消防救援人員直觀了解到轄區(qū)消防安全重點(diǎn)單位的基本地形、地勢(shì)特點(diǎn)，將預(yù)案制作和熟悉演練落到實(shí)處而不是流于形式；在滅火救援現(xiàn)場(chǎng)的快速建模技術(shù)，可以在極短時(shí)間內(nèi)，將災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患、災(zāi)情特點(diǎn)充分展現(xiàn)，服務(wù)于作戰(zhàn)訓(xùn)練安全工作；戰(zhàn)后，每戰(zhàn)必評(píng)，戰(zhàn)例研討中也可以充分利用實(shí)景建模完成沙盤推演、想定作業(yè)、案例復(fù)盤等工作，豐富消防救援隊(duì)伍研討的形式。

一、無人機(jī)傾斜攝影及三維建模技術(shù)概述

三維建模技術(shù)可理解為將現(xiàn)實(shí)世界可視化和地理實(shí)體化，利用二維影像或傾斜影像，生成高分辨率且?guī)в斜普婕y理貼圖的三維模型，擁有能用于應(yīng)急救援中測(cè)繪的精度并可實(shí)時(shí)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)各種地理信息數(shù)據(jù)。采集帶有POS信息的傾斜影像，使建立的三維實(shí)景帶有地理位置信息這一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的三維建模流程復(fù)雜，受限于建模人員的能力素質(zhì)和專業(yè)知識(shí)，基層救援人員學(xué)歷構(gòu)成無法匹配，無法滿足快速反應(yīng)的應(yīng)急力量體系。無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)作為測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)，利用航拍無人采集影像，通過建模軟件構(gòu)建區(qū)塊，在影像組中還可以加入控制點(diǎn)、水平點(diǎn)提高精度，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的即時(shí)重建，或通過后期制作三維動(dòng)畫推演。初步完成無人機(jī)實(shí)景三維建模對(duì)于操作者的要求不高，設(shè)備需求簡(jiǎn)單，因具有快速、簡(jiǎn)單、高效及成本低的特點(diǎn)，適用于基層消防救援站。

（一）傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是指利用無人機(jī)航拍，從一個(gè)垂直、四個(gè)側(cè)視等不同角度拍攝二維圖像的技術(shù)，本質(zhì)上就算一種攝影的技術(shù)。由于在三維實(shí)景重建的過程中相機(jī)安裝傾角、視場(chǎng)角和分辨率都會(huì)影響到最后的模型精度，所以在采集的過程中必須注意像控點(diǎn)的布設(shè)。地形變化較大、建筑物形式復(fù)雜或者植被較多時(shí)，應(yīng)增加照片的重疊度，以保障后期建模的精度。

（二）三維建模

在實(shí)景建模的工作流程中，如圖1，我們首先通過采集影像計(jì)算它拍攝的位置，導(dǎo)入程序使用空中三角測(cè)量，之后可以加控制點(diǎn)和編輯連接點(diǎn)來對(duì)空中三角測(cè)量結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，以助于提升幾何和地理空間精度。借助于三維重建算法對(duì)三維模型以及每個(gè)格網(wǎng)面片的影像紋理進(jìn)行優(yōu)化，形成實(shí)景模型。借助ContextCapture軟件，可以生成繁多種類地理信息系統(tǒng)格式的精確地理參考三維模型，包括真正射影像和新的Cesium3DTiles，并將瓦片范圍和空中三角測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出為KML和XML。

與傳統(tǒng)的正射影像相比，如圖2，三維實(shí)景建模技術(shù)具有直觀、觀賞性強(qiáng)、可操作性大的特點(diǎn)?；诟咝阅芤苿?dòng)工作站，快速建立的三維實(shí)景模型在時(shí)間成本上并不遜色于正射影像。站級(jí)滅火救援指揮決策能力和現(xiàn)場(chǎng)管控水平的提升，應(yīng)充分運(yùn)用“天地空”一體化指揮體系，形成天上衛(wèi)星信號(hào)覆蓋、空中無人機(jī)偵察、地面進(jìn)攻。

（三）常用測(cè)繪軟件

大疆制圖與大疆無人機(jī)適配良好，其航拍無人機(jī)在行業(yè)內(nèi)占據(jù)著領(lǐng)袖地位，二者結(jié)合可全面提升航測(cè)內(nèi)外業(yè)效率，將三維建模簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)飛行、數(shù)據(jù)采集、分析處理、建模應(yīng)用”一站式、程序化地航測(cè)作業(yè)方式。ContextCapture是成熟的、經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)的行業(yè)級(jí)軟件，特點(diǎn)是支持大數(shù)據(jù)量集群作業(yè)，速度快，軟件分為Seting、Master、Viewer幾個(gè)模塊各司其職。

（四）ContextCapture快速建模演示

無人機(jī)傾斜攝影采集影像，登錄Engine并打開Master啟動(dòng)引擎，WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)收集坐標(biāo)系統(tǒng)，三維數(shù)據(jù)模型使用以測(cè)區(qū)幾何中心為原點(diǎn)的ENU 坐標(biāo)系統(tǒng)，選擇General選項(xiàng)卡，單擊右側(cè)Submit Aerotriangulation按鈕，如圖3。

實(shí)施自動(dòng)化空三結(jié)算，根據(jù)ENU坐標(biāo)系，將該模型根據(jù)坐標(biāo)系輸出，全面控制數(shù)據(jù)形成的過程，建立一體化三維模型，并可使用LocaSpaceViewer進(jìn)行三維實(shí)景地圖的標(biāo)注與測(cè)繪制作，如圖4。

二、基層站信息化建設(shè)的實(shí)力和能力

加強(qiáng)前突通信、快速挺進(jìn)事故現(xiàn)場(chǎng)、直調(diào)直報(bào)、駐停匯報(bào)、邊拍攝邊匯報(bào)等專項(xiàng)訓(xùn)練，通信保障從原來的輔助決策職能轉(zhuǎn)變?yōu)橹沃笓]，從保障自身到服務(wù)全局。通信裝備一是要保障多網(wǎng)絡(luò)融合，由專用設(shè)備逐步轉(zhuǎn)變到與通用設(shè)備均可互聯(lián)互通；二是要簡(jiǎn)化操作，一鍵開機(jī)自動(dòng)接入，無需人工配置，為人工智能打下基礎(chǔ)；三是要模塊化程度更高，更便捷，注重實(shí)用性。

（一）信息化裝備建設(shè)

基層消防救援站需要根據(jù)實(shí)際情況選擇具有適配處理性能的移動(dòng)工作站用于建模，以Context Capture實(shí)景三維建模軟件為例：影響此軟件運(yùn)行有效性和可靠性的性能指標(biāo)是計(jì)算機(jī)內(nèi)存、CPU、顯卡和決定讀寫速度的磁盤。基本配置建議達(dá)到i7-8600k，英偉達(dá)1080T以上，CPU的頻率越高越好，建議2.4GHz以上，內(nèi)存8Gb以上。當(dāng)在處理線程數(shù)量和速度之間猶豫的時(shí)候，更高速度的處理器在建模時(shí)更加優(yōu)秀。比如，對(duì)于同樣代序的CPU，8線程3.6GHz的CPU要優(yōu)于12線程2.4GHz的CPU。

（二）無人機(jī)及無人機(jī)航線規(guī)劃

利用Altizure或DJI Pilot規(guī)劃好航線。數(shù)據(jù)飛的要好，重疊率夠，同時(shí)不過高。數(shù)據(jù)有POS，降低空三時(shí)間?？焖衮?yàn)證空三成果（setdownsampling），節(jié)約空三錯(cuò)誤時(shí)間成本。建立模型階段，最好的辦法是集群（提升硬件配置），把照片分磁盤存放，提高數(shù)據(jù)訪問效率，降低數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間。

（三）優(yōu)化基層消防救援站建模能力

救援現(xiàn)場(chǎng)人員復(fù)雜，情況多變，時(shí)間緊迫，影像采集過程中可以設(shè)置參數(shù)“興趣點(diǎn)環(huán)繞模式”，如圖5，環(huán)繞速度3m/s，定時(shí)拍攝間隔2s，控制云臺(tái)俯仰角30度，飛行高度和半徑根據(jù)建筑物實(shí)際大小確定，最后在興趣點(diǎn)上拍攝10張重疊度80%的影像。這種拍攝技術(shù)可以極大節(jié)約時(shí)間，手動(dòng)飛行也符合基層站缺少行業(yè)級(jí)無人機(jī)的特點(diǎn)。

三、基層站信息化及可視化運(yùn)用研討

根據(jù)工信部最新數(shù)據(jù)，截至2022年3月底，我國(guó)5G基站數(shù)量已達(dá)156萬個(gè)。面對(duì)全球大規(guī)模的5G網(wǎng)絡(luò)，消防救援隊(duì)伍應(yīng)緊緊抓住以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪技術(shù)革命的契機(jī)，努力構(gòu)建與新時(shí)代國(guó)家應(yīng)急救援體系相適應(yīng)的指揮信息化、調(diào)度模塊化、戰(zhàn)術(shù)專業(yè)化、信息扁平化的支撐體系，解決消防隊(duì)伍慢半拍、接不上、通不了的問題，為消防救援隊(duì)伍扛旗立戶、轉(zhuǎn)型升級(jí)注入新的強(qiáng)大動(dòng)能。

（一）輔助救援應(yīng)用

無人機(jī)可提供航拍全景視角，從高空對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施偵察，可以觀察到傳統(tǒng)攝影設(shè)備無法偵察到的火場(chǎng)上方情況和消防救援人員難以內(nèi)攻進(jìn)入的地點(diǎn)，利用紅外測(cè)溫功能還可以實(shí)時(shí)偵測(cè)火場(chǎng)的溫度變化。

（二）預(yù)案制作

“大數(shù)據(jù)，一張圖”建設(shè)背景下，每個(gè)基層消防救援站都有針對(duì)消防安全重點(diǎn)單位的模塊化編程及預(yù)案。實(shí)地演練中，站干部可以利用三維實(shí)景地圖，針對(duì)重點(diǎn)單位的建筑結(jié)構(gòu)、道路、水源、交通、鄰近構(gòu)筑物情況，對(duì)易受災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行講解。

（三）滅火救援及實(shí)戰(zhàn)演練中的運(yùn)用

應(yīng)急通信系統(tǒng)是快速響應(yīng)、高效救援、安全可靠、服務(wù)實(shí)戰(zhàn)的基本保障，是貫穿事發(fā)、事中、事后全流程支撐應(yīng)急管理的基座。三維實(shí)景地圖可以對(duì)構(gòu)筑物體積、曲面、地理坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和測(cè)量，如圖6。水槍陣地的選擇、內(nèi)攻路線，安全員設(shè)置地點(diǎn)，易燃易爆建（構(gòu)）筑物的安全范圍，這些都可以通過測(cè)量三維實(shí)景地圖獲得數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)救援現(xiàn)場(chǎng)的全方位掌控，如圖7。使用第三方插件還可以實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪、腳注、模型重建、動(dòng)畫制作等功能，現(xiàn)場(chǎng)修訂完善戰(zhàn)斗編程。

（四）滅火救援戰(zhàn)評(píng)及案例復(fù)盤

“每站必評(píng)”是消防救援隊(duì)伍的優(yōu)良傳統(tǒng)。戰(zhàn)評(píng)不能流于形式，要將災(zāi)害基本情況、作戰(zhàn)基本情況、作戰(zhàn)分析、主要結(jié)論等方面進(jìn)行重點(diǎn)細(xì)致研討。大多數(shù)基層消防站的戰(zhàn)評(píng)流于形式，主要是念稿、讀ppt。究其原因，過于枯燥、單調(diào)的戰(zhàn)評(píng)方式很難重現(xiàn)救援現(xiàn)場(chǎng)緊張的形式，而三維實(shí)景建模技術(shù)將災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)初步還原，逼真重現(xiàn)，做到人人都能參與其中，身臨其境。

四、結(jié)語

基層消防救援站是我們這支隊(duì)伍的門面，是消防隊(duì)伍戰(zhàn)斗力的體現(xiàn)，代表著我們不忘初心的職責(zé)使命和“赴湯蹈火”的訓(xùn)詞精神。加強(qiáng)基層消防救援站的信息化建設(shè)和戰(zhàn)斗力提升，運(yùn)用現(xiàn)代化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化三維實(shí)景建模，運(yùn)用到日常工作生活和滅火救援戰(zhàn)斗等方方面面。將實(shí)景建模技術(shù)融入基層隊(duì)伍事前、事中、事后，加快隊(duì)伍轉(zhuǎn)型升級(jí)，全面構(gòu)建救援體系和救援能力現(xiàn)代化。