基于GIS的三維虛擬校園人群應(yīng)急疏散系統(tǒng)研究

吳輝煌

（廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024）

最近幾年來校園的突發(fā)事件時不時發(fā)生，對校園內(nèi)的師生安全和學(xué)校財產(chǎn)都造成了嚴(yán)重的損失。各省市一直在推進(jìn)校園突發(fā)公共事件的應(yīng)急預(yù)案的建立健全。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、GIS和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，重要公共場所的人員疏散可以采用虛擬模擬系統(tǒng)來檢驗(yàn)應(yīng)急預(yù)案的可行性，校園虛擬模擬系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)演練當(dāng)中無法實(shí)景驗(yàn)證人群疏散預(yù)案的有效性的問題。

校園的突發(fā)事件安全包含有社會安全類、事故災(zāi)難類、公共衛(wèi)生類、自然災(zāi)害類、網(wǎng)絡(luò)信息安全類等公共事件。本文主要是針對一些社會安全類、事故災(zāi)難類和自然災(zāi)害類中碰到的需要師生緊急疏散的情況進(jìn)行的虛擬演練。通過多次模擬演練，為學(xué)校熟練掌握應(yīng)急疏散預(yù)案內(nèi)容、提高處理應(yīng)急響應(yīng)以及各部門相互協(xié)助的能力提供幫助。

一、系統(tǒng)技術(shù)框架

本文主要研究的是三維虛擬校園人群緊急疏散，是利用虛擬校園環(huán)境中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行最短距離分析，模擬發(fā)生突發(fā)事件之后人群可以快速安全地進(jìn)行疏散的動畫效果。該虛擬人群疏散系統(tǒng)的技術(shù)框架如圖1。

圖1系統(tǒng)的技術(shù)框架

二、三維虛擬校園模型創(chuàng)建

三維虛擬校園模型創(chuàng)建的方法有很多，可以使用3DSMAX、MAYA、SKETUP或者VRML虛擬現(xiàn)實(shí)等進(jìn)行創(chuàng)建。我們在創(chuàng)建三維虛擬校園模型的時候，主要是使用3DSMAX軟件來創(chuàng)建的。

我們首先使用CAD軟件繪制三維虛擬校園的平面圖，然后在3DSMAX軟件當(dāng)中導(dǎo)入CAD的平面圖，緊接著在3DSMAX當(dāng)中把二維的平面圖轉(zhuǎn)換生成三維的建筑模型。簡單的樓房創(chuàng)建，我們主要以長方體和圓柱體來表現(xiàn)，通過長方體或者圓柱體的分段數(shù)來控制樓層的數(shù)量。樓房的貼圖通過拍攝的實(shí)物照片我們在PHOTOSHOP里面進(jìn)行處理，每層樓的單面墻壁處理成單張圖片，再把貼圖貼在我們模型的單個平面上面。需要模擬室內(nèi)的樓房，比如教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)室等，我們則需要對模型進(jìn)行詳細(xì)的創(chuàng)建，可利用可編輯多邊形對模型的點(diǎn)、邊、多邊形等進(jìn)行詳細(xì)編輯，把教室門、走廊、樓梯等調(diào)整出來。

室外的場景我們首先需要在平面圖上把道路創(chuàng)建出來，然后制作足球場和籃球場等空曠地域，貼圖則直接選用材質(zhì)貼圖進(jìn)行UVW貼圖平鋪設(shè)置。室外模型還有包括花草樹木和石頭等。在創(chuàng)建這些模型的時候，我們主要直接使用多個平面來創(chuàng)建，盡量減少模型的面數(shù)，貼圖使用雙面透明貼圖表現(xiàn)即可。

在創(chuàng)建虛擬校園模型的時候，我們還需要添加一些特效，比如水、火、煙霧等效果。我們可以在3DSMAX當(dāng)中創(chuàng)建一些大氣裝置，大氣裝置可以用來設(shè)置火效果或者煙霧效果，水的效果則主要使用粒子系統(tǒng)來表現(xiàn)。當(dāng)然，如果需要設(shè)置爆炸物效果的時候，我們還可以使用粒子陣列來表現(xiàn)爆炸碎片。

三、虛擬場景的展示與分析

本系統(tǒng)通過3DSMAX三維建模軟件創(chuàng)建出虛擬三維校園場景，利用MAPGISK9三維平臺的組建來進(jìn)行二次開發(fā)。利用MAPGISK9二次開發(fā)之后能實(shí)現(xiàn)對虛擬校園進(jìn)行三維分析，比如進(jìn)行三維地形的分析與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)三維虛擬校園的漫游動畫，并且可以對虛擬校園當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的可視化以及融合分析查詢等等。

在MAPGISK9二次開發(fā)之中，我們要用到三維場景控件（MapGISmx_TDEViewCtrlControl）和三維目錄樹控件（MapGISmx_TDETreeCtrlControl）。把這兩個控件添加到我們的窗體當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的配置并且保存好目錄樹，我們在窗體構(gòu)造函數(shù)中添加代碼之后就可以運(yùn)行看到虛擬校園場景了。代碼如下：

public Form1()

{

InitializeComponent();

axmx_TDEViewCtrl1.initEnvionment();//初始化三維場景控件

axmx_TDETreeCtrl1.initEnvionment();//初始化三維目錄樹控件

}

四、最佳疏散路徑選擇

在虛擬校園模型當(dāng)中，我們可以模擬創(chuàng)建出突發(fā)事件的發(fā)生點(diǎn)，比如爆炸點(diǎn)或者著火點(diǎn)。通過最短分析功能原理，我們可以為老師和同學(xué)們提供出最佳疏散到籃球場、足球場等空曠場地的線路。最短路徑的分析在處理事故搶修、GPS導(dǎo)航、人群疏散等方面的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)在大多數(shù)的GIS平臺上面都已經(jīng)把這個分析功能添加上去了，我們的MAPGIS當(dāng)中在數(shù)據(jù)的分析下同樣也可以完成最短路徑分析了。

在我們的MAPGIS當(dāng)中，每個節(jié)點(diǎn)都有ID、橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)等屬性，比如我們在籃球場、足球場、教學(xué)樓等都有定義了節(jié)點(diǎn)；邊上面都有起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、長度等等。最短路徑進(jìn)行選擇分析就是利用邊的長度來進(jìn)行分析的。最短的路徑結(jié)果類的定義如下：

public classRoutePlanResult

{

public RoutePlanResult(string[]passedNodes,double value)

{

m_resultNodes=passedNodes;

m_value=value;

}

private string[]m_resultNodes;///最短路徑經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)

public string[]ResultNodes

{

get{returnm_resultNodes;}

}

privatedoublem_value;///最短路徑的值

private double Value

{

get{returnm_value;}為x=,這時候的網(wǎng)格單元到障礙物的最大距離可以表示為：

d的值為2，當(dāng)個體網(wǎng)格的中心點(diǎn)在障礙物模型中時或者中心點(diǎn)在障礙物模型外面，但是最大距離小于網(wǎng)格邊長時，都為重疊。

此外，群體動畫當(dāng)中的個體之間也很容易存在碰撞重疊的情況。為了避免重疊，我們首先計(jì)算個體影響因子σi，計(jì)算公式為:

r為半徑，l為邊長；然后我們找尋各個個體最近的單元網(wǎng)格[i,j]并要求中心點(diǎn)的坐標(biāo)值要小于當(dāng)前的坐標(biāo)；最后我們可以求得每個網(wǎng)格單元的個體密度值ρ。

密度映射函數(shù)滿足連續(xù)的個體對所在網(wǎng)格單元貢獻(xiàn)值不小于ρ，與鄰近網(wǎng)格貢獻(xiàn)值不大于ρ。這樣我們所創(chuàng)建的群體動畫就能減少個體之間、個體與建筑物之間的重疊穿透效果了。

本文是針對校園突發(fā)事件而進(jìn)行的模擬人群緊急疏散研究。文章首先介紹了系統(tǒng)技術(shù)框架，緊接著介紹了三維虛擬校園模型的創(chuàng)建方法，然后利用MAPGISK9三維平臺進(jìn)行虛擬校園的展示和分析，最近尋求最短距離路徑分析和設(shè)計(jì)人群疏散動畫。本文設(shè)置的動畫效果還沒有涉及到人群中個性化動畫行為的產(chǎn)生，畢竟現(xiàn)實(shí)當(dāng)中有些人可能因?yàn)閭€性原因產(chǎn)生不同的行為現(xiàn)象，這也是今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)的。

}}

五、群體防穿透動畫

在虛擬校園人群疏散系統(tǒng)中，有包括連續(xù)群體和個體化疏散。個體疏散需要計(jì)算鄰近個體和周圍環(huán)境的影響，而連續(xù)群體需要考慮到各種影響。由于本文是針對突發(fā)事件而產(chǎn)生的大規(guī)模的人群緊急疏散，關(guān)注的重點(diǎn)是群體的流向，因而主要采用的群體動畫是連續(xù)群體疏散，判斷連續(xù)群體與障礙物之間是否穿透以及連續(xù)群體中的個體之間是否有存在互相穿透事件。

連續(xù)群體的疏散需要計(jì)算出每個網(wǎng)格單位是否可以通行，要能快速查詢出場景當(dāng)中的各個障礙物，判斷障礙物與人群個體是否重疊。具體方法如下：假設(shè)障礙物模型在場景中的投影為Γ，個體網(wǎng)格單元的中心點(diǎn)設(shè)

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