面向自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的多源數(shù)據(jù)融合信息服務(wù)平臺建設(shè)

文｜麗水學(xué)院工學(xué)院 宋俊鋒

我國是一個自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，森林火災(zāi)、洪澇災(zāi)害、城市氣象災(zāi)害、城市地質(zhì)災(zāi)害等各種隨機和突發(fā)的災(zāi)害給生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境造成了巨大的破壞，給人民群眾造成了很大的生命財產(chǎn)損失[1]。黨和國家對突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急管理非常重視，近年來中央和地方各級政府都成立了專門的應(yīng)急管理部門。雖然這一問題已經(jīng)引起了國家重視，但是受限于經(jīng)驗和技術(shù)工具，各地對各種突發(fā)自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的管理依舊存在一些問題：一是缺少獲取災(zāi)前、災(zāi)時和災(zāi)后各階段全方位多源數(shù)據(jù)信息的手段和對其進(jìn)行有效整合的能力，沒有一個統(tǒng)一的支持多類型自然災(zāi)害應(yīng)急管理的信息化平臺；二是在應(yīng)急管理過程中的科技化、智能化水平相對較低，不能借助最新的科技進(jìn)行救災(zāi)應(yīng)急管理，缺少借助人工智能技術(shù)輔助的信息化服務(wù)平臺。2020年11月6日至7日，應(yīng)急管理部召開“智慧應(yīng)急”建設(shè)現(xiàn)場推進(jìn)會，深入學(xué)習(xí)貫徹黨的十九屆五中全會精神和習(xí)近平總書記關(guān)于應(yīng)急管理重要論述，部署智慧應(yīng)急建設(shè)工作。會議強調(diào)要推進(jìn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)全覆蓋和智能化，加快高水平安全生產(chǎn)、自然災(zāi)害、城鄉(xiāng)安全風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警平臺建設(shè)，要推進(jìn)應(yīng)急指揮系統(tǒng)智能化和高效化，提高應(yīng)急通信保障水平和災(zāi)害事故信息獲取能力，建強“應(yīng)急大腦”[2]。為此，本研究探討運用無人機、5G、三維建模、數(shù)據(jù)可視化、地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)面向突發(fā)自然災(zāi)害和城市災(zāi)害應(yīng)急管理的多源數(shù)據(jù)融合智能平臺。

1.應(yīng)對災(zāi)害的信息化平臺建設(shè)的意義

1.1 提高政府應(yīng)急管理效率

采用無人機、5G、三維建模、數(shù)據(jù)可視化、地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建一個完整的面向森林火災(zāi)、洪澇災(zāi)害等各類突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急管理的二三維一體化平臺，實時獲取各類災(zāi)害現(xiàn)場的全方位多源數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效融合展示，提升各級政府及相關(guān)管理部門針對各類突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急管理的效率。

1.2 是有效保障群眾生命財產(chǎn)安全的需要

在災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后等應(yīng)急管理各個階段廣泛使用以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)，將智慧應(yīng)急集成到應(yīng)急管理平臺中。智慧應(yīng)急是順應(yīng)新發(fā)展階段要求和智能化大勢、應(yīng)急管理信息化的升級版，是實現(xiàn)應(yīng)急管理能力現(xiàn)代化的關(guān)鍵舉措，是破解當(dāng)前應(yīng)急管理工作難題堵點的有效手段，對于推動應(yīng)急管理事業(yè)改革創(chuàng)新，提高重大風(fēng)險防控能力，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有重大意義[3]。

1.3 提高執(zhí)法響應(yīng)速度

無人機應(yīng)急指揮中心的多應(yīng)用場景復(fù)用，可通過無人機廣播、拋投、細(xì)繩牽引、紅外搜救、違規(guī)排污、秸稈焚燒、車輛違停等場景功能，為應(yīng)急救援現(xiàn)場提供多方位的支撐價值。如通過無人機巡航數(shù)據(jù)采集，可建立違章建筑的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)體系，設(shè)立違章建筑數(shù)字檔案，為執(zhí)法人員快速提供違章建筑物詳細(xì)屬性信息，夯實執(zhí)法部門的執(zhí)法依據(jù)。無人機違章建筑監(jiān)管系統(tǒng)對城市基礎(chǔ)地理底層等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行組織加工、分析處理和查詢，一方面可以實現(xiàn)違章建筑監(jiān)測與執(zhí)法管理相結(jié)合，最終形成一個完善的城市違章建筑綜合監(jiān)管平臺和決策支持的可視化系統(tǒng)。另一方面可以運用這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實施安防巡檢、野外搜救、自動跟蹤、環(huán)境監(jiān)察、智慧城市管理等方面。

2.自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的特征分析

2.1 隨機性與突發(fā)性

自人類出現(xiàn)以來，自然災(zāi)害就一直是威脅人類生存安全和經(jīng)濟(jì)安全的難點、堵點。而隨著城市的出現(xiàn)和發(fā)展壯大，城市各種災(zāi)害也日益增多，如氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等。不論是自然災(zāi)害還是城市災(zāi)害的發(fā)生都具有隨機性和突發(fā)性，尤其是由自然災(zāi)害引發(fā)的城市災(zāi)害已經(jīng)成為一種與人類共存的自然現(xiàn)象。而自然災(zāi)害往往是由地質(zhì)、氣候、地球物質(zhì)等多重條件共同作用形成的，再加上人類活動的破壞突發(fā)性和隨機性的災(zāi)害頻繁發(fā)生。信息技術(shù)的發(fā)展和社會治理現(xiàn)代化水平的提高，自然災(zāi)害的隨機性有所削弱，但是城市災(zāi)害的突發(fā)性因素仍存在很大的復(fù)雜性。隨著城市建設(shè)的加快與規(guī)模的擴大，城市中的自然環(huán)境與人的活動、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都會形成一些致災(zāi)因子，使得城市災(zāi)害不僅種類多樣化，成災(zāi)的機理也更加復(fù)雜。

2.2 連鎖性

自然災(zāi)害的承受主體是自然環(huán)境與自然環(huán)境中的人或建筑，而城市災(zāi)害的承受主體是城市中的物與人。也就是說，無論自然災(zāi)害還是城市災(zāi)害都與人息息相關(guān)，最終影響到的是人類的活動與生命質(zhì)量。當(dāng)下，隨著人類活動范圍的擴大與城市化規(guī)模的不斷擴大，使得自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的集聚效應(yīng)放大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是自然災(zāi)害容易引發(fā)城市災(zāi)害；二是城市災(zāi)害的直接損失的擴大影響和間接損失的擴大；三是自然災(zāi)害和城市災(zāi)害發(fā)生時容易形成一種災(zāi)害鏈或災(zāi)害群，影響到自然環(huán)境、城市和人的持續(xù)發(fā)展。

3.應(yīng)對自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的信息化平臺建設(shè)

3.1 多源數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)

突發(fā)和隨機的自然災(zāi)害和城市災(zāi)害對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的全面性、詳細(xì)性和實時性都有較高要求，需要對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集生產(chǎn)，掌握重點災(zāi)情隱患地區(qū)的精細(xì)化實景三維模型，災(zāi)時快速構(gòu)建的災(zāi)害現(xiàn)場三維地形模型以及實時傳輸?shù)亩S圖像數(shù)據(jù)，包括紅外熱成像圖像和高清可見光圖像。因此，對數(shù)據(jù)的采集不僅包括人口、氣象、國土和地形地貌數(shù)據(jù)，還涉及傳感器數(shù)據(jù)，如水位，降雨量，位移計等。在此基礎(chǔ)上，災(zāi)前構(gòu)建重點災(zāi)情隱患地區(qū)的精細(xì)化實景三維模型時，需要根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的面積、生成三維模型的分辨率要求等要素制定飛行方案，選取合適的無人機飛行器機型以及搭載的圖像傳感設(shè)備，對無人機飛行航線進(jìn)行規(guī)劃優(yōu)化，設(shè)計和布測像控點，使用無人機傾斜攝影高效率的采集目標(biāo)區(qū)域各個角度的高清圖像。無人機采集到目標(biāo)區(qū)域圖像后，將圖像導(dǎo)入高性能圖像渲染服務(wù)器集群，經(jīng)過圖像預(yù)處理、稀疏重建、稠密重建、點云分割、單體建模等步驟后，最終支持生成多種格式的精細(xì)化災(zāi)情隱患區(qū)域大規(guī)模實景三維模型。

在災(zāi)害發(fā)生的第一時間，需要對災(zāi)情現(xiàn)場進(jìn)行初步了解后迅速制定飛行方案，操縱無人機進(jìn)行快速不間斷的飛行，利用傾斜攝影技術(shù)采集到目標(biāo)現(xiàn)場的高清圖像，將采集到的圖像導(dǎo)入帶至現(xiàn)場的高性能服務(wù)器中，進(jìn)行快速的三維地形模型生成，在第一時間構(gòu)建出災(zāi)情現(xiàn)場的三維地形模型。針對自然災(zāi)害的復(fù)雜現(xiàn)場，需要開展災(zāi)害現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)實時采集回傳：首先，要提供具有良好抗風(fēng)性和適應(yīng)性的無人機機型，保證在山高林密、火場氣流復(fù)雜、風(fēng)向易變的山林地及惡劣氣候條件下做到穩(wěn)定的飛行，同時具有超長的續(xù)航能力，加上電池的熱拔插技術(shù)，可以24 小時不間斷飛行，保障了災(zāi)情現(xiàn)場偵察的連續(xù)作業(yè)。其次，根據(jù)災(zāi)情現(xiàn)場的不同狀況，在機身上靈活配置搭載超高像素變焦和廣角的高性能相機及眾多混合傳感器，采集災(zāi)情現(xiàn)場紅外熱成像圖像和高清可見光圖像。第三為了保證在不同場景下現(xiàn)場圖像都能實時回傳到應(yīng)急管理指揮中心，通過進(jìn)行多途徑的圖像實時回傳，包括使用4G/5G 技術(shù)，使用通信運營商提供的應(yīng)急通信保障設(shè)備以及各種遠(yuǎn)距離私有圖像回傳協(xié)議。與此同時，將嘗試和應(yīng)急管理部門現(xiàn)有自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)對接，將其部署在通信鐵塔或高山位置的視頻監(jiān)控信號集成到應(yīng)急管理平臺中，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效融合。

3.2 應(yīng)急管理平臺研發(fā)

運用GIS 和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建一個模塊化面向應(yīng)急管理的可視化智能化平臺。該平臺能支持重點隱患區(qū)域和災(zāi)害現(xiàn)場的實景三維模型的快速加載和顯示，利用WebGL 技術(shù)，結(jié)合TML+CSS+JavaScript，實現(xiàn)PC 和移動端的跨平臺瀏覽，并可基于GPU 圖形硬件加速，全面支持現(xiàn)有主流瀏覽器，如IE、Chrome、Firefox 等，無需安裝任何插件即可在瀏覽器中實現(xiàn)對受災(zāi)現(xiàn)場的全方位三維可視化瀏覽，幫助參與救災(zāi)人員了解災(zāi)害現(xiàn)場的地形地貌特征。在突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急管理中，通過三維圖像了解災(zāi)害現(xiàn)場的全方位地形地貌特征是必須的，因此需要實現(xiàn)二三維多源數(shù)據(jù)一體化融合和展示。比如通過二三維數(shù)據(jù)視角的聯(lián)動,支持在應(yīng)急管理平臺上同時展現(xiàn)三維模型和二維圖像，并完成視角同步功能，即便是平臺上進(jìn)行視角變化時，也能實現(xiàn)二維圖像和三維模型視角的同步變化；二三維地理信息數(shù)據(jù)的同步，使用相同的開放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)標(biāo)準(zhǔn)來表示和保存二維和三維的地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)兩者間地理信息數(shù)據(jù)的同步；通過多種二維專題圖表方式展示災(zāi)害現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)分析結(jié)果的同步，不僅以二維方式展現(xiàn)，還將會把分析結(jié)果聯(lián)動到三維模型中進(jìn)行標(biāo)注。

應(yīng)急管理平臺可實現(xiàn)面向應(yīng)急管理的交互式二三維地理空間展示分析功能。如在救災(zāi)應(yīng)急管理中，通過GPS 信號獲取救援車輛、人員、無人機飛手、無人機設(shè)備等的詳細(xì)位置信息，利用GIS 技術(shù)通過應(yīng)急管理平臺實時展示并跟蹤。針對森林火災(zāi)的應(yīng)急管理，實現(xiàn)火災(zāi)著火區(qū)域模擬仿真，以簡單直觀方式讓應(yīng)急指揮人員了解當(dāng)前著火區(qū)域的范圍和火點數(shù)量、位置；針對洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理，實現(xiàn)洪水模擬淹沒仿真。平臺還將提供受災(zāi)面積測量等特色功能。

3.3 人工智能技術(shù)在應(yīng)急管理中的具體應(yīng)用

應(yīng)對自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的信息化平臺只有融入了基于深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，才能在自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)中監(jiān)測、災(zāi)后評估等應(yīng)急管理的全流程中應(yīng)用。災(zāi)前預(yù)警中，要在重點時間節(jié)點對重點山林區(qū)域、城市空間等進(jìn)行實時監(jiān)控，通過對無人機實時回傳圖像進(jìn)行煙霧檢測及時發(fā)現(xiàn)在農(nóng)事、林事、祭祀、大型重要聚集活動中突發(fā)的危險行為。為了避免干擾，需要采用YOLOv5 為基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)模型，在數(shù)據(jù)標(biāo)注時通過網(wǎng)絡(luò)爬取、實地現(xiàn)場采集等方式獲取不同山林煙霧圖像、災(zāi)害現(xiàn)場重點進(jìn)行標(biāo)注，采用隨機翻轉(zhuǎn)、隨機縮放、色彩偏移等樣本增強方式進(jìn)一步提高樣本模型的多樣性和代表性。如在森林火災(zāi)災(zāi)中監(jiān)測中，實現(xiàn)基于紅外熱成像圖像的實時火點判識和火點數(shù)量統(tǒng)計，在紅外熱成像圖像中，火焰及火點的溫度顯著高于周圍林木區(qū)域，因此可以通過基于YOLO 或其它物體檢測深度網(wǎng)絡(luò)模型抽取火點在紅外熱成像圖像中的顏色、紋理、形狀等特征，實現(xiàn)實時的火點判別、定位和火點數(shù)量統(tǒng)計。通過采集不同時間段的火場圖片，并比較多次火點判識的結(jié)果后，結(jié)合當(dāng)前的風(fēng)速、火場的地形特征，可以自動進(jìn)行火情發(fā)展趨勢研判，輔助應(yīng)急管理人員進(jìn)行決策。

而針對洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理中實時了解當(dāng)前洪水淹沒區(qū)域的需求，就要探尋實現(xiàn)洪水區(qū)域分割檢測功能。該功能基于編碼器-解碼器（Encoder-Decoder）的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，編碼器使用卷積層和池化層將輸入的原圖進(jìn)行特征提取，解碼器將抽取出的特征還原成原來的全局視野，實現(xiàn)像素級別的洪水水體語義分割，精確評估當(dāng)前洪災(zāi)的嚴(yán)重程度和影響范圍。針對洪水區(qū)域語義分割標(biāo)注數(shù)據(jù)較難獲取的問題，可以嘗試以下兩種方法解決：第一種方法使用標(biāo)注工具labelme，人工識別出樣本圖像中的洪水區(qū)域后，手工將洪水區(qū)域用labelme 框選出來。第二種方法將樣本圖像載入Photoshop，使用磁性套索或其它工具對其進(jìn)行標(biāo)注圖色，然后將對應(yīng)的顏色映射為洪水區(qū)域。

針對森林火災(zāi)或城市火災(zāi)的災(zāi)后評估，首先通過無人機拍攝獲取受災(zāi)區(qū)域的高清正射圖片，然后根據(jù)相同區(qū)域災(zāi)前是否已有對應(yīng)的正射圖片采用兩種不同策略進(jìn)行受災(zāi)面積評估。如果已有災(zāi)前圖像，則將兩次不同時相采集到的圖像進(jìn)行比對，首先進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)，將相同位置的圖像對齊，然后利用孿生網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行變化監(jiān)測。如果該受災(zāi)區(qū)域災(zāi)前尚未采集正射圖片，則根據(jù)過火區(qū)域在顏色等外觀特征，對受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測識別。