測繪地理信息技術(shù)在消防應(yīng)急解決方案中的應(yīng)用

劉永軒 易致禮 張 駿 李冬冬 彭泊涵

(1. 北京市測繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038;3. 工匠創(chuàng)新工作室, 北京 100038)

0 引言

當(dāng)前,我國社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,人民生活節(jié)奏加快,火災(zāi)危險(xiǎn)源越來越多,城市高層建筑消防及火災(zāi)威脅形勢越加嚴(yán)峻,為了做好高層建筑的消防安全,應(yīng)付突發(fā)的火災(zāi)事故,確保人民的人身生命財(cái)產(chǎn)安全,制定消防應(yīng)急預(yù)案顯得格外重要[1]。近幾年,隨著測繪地理信息行業(yè)朝著信息化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展[2],現(xiàn)代測繪對于工作效率和精度的要求越來越高,三維激光掃描技術(shù)以非接觸的主動(dòng)測量方式為現(xiàn)代測繪提供了一種全新的技術(shù)手段,本文基于三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù),研究了建筑物樓層消防疏散平面圖以及三維場景制作的流程與關(guān)鍵技術(shù),并開發(fā)了基于安卓系統(tǒng)的消防疏散小程序,將二維地圖與三維場景在移動(dòng)端進(jìn)行集成與展示,為消防安全管理部門應(yīng)急疏散救援提供輔助決策。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)域?yàn)楸本┦形鞒菂^(qū)南禮士路60號院,該院落北鄰南禮士路公園,東鄰南禮士路甲62號院,南鄰建威大廈,西鄰南禮士路21號樓。周邊道路西側(cè)有南禮士路,北側(cè)有樂道巷,東側(cè)有西二環(huán)路,南側(cè)有長安街。研究區(qū)域周邊地勢平坦,交通情況復(fù)雜,車多、人多,且高樓林立、樹木密集,院內(nèi)有二十多層的高層建筑以及五層配樓各一座,發(fā)生火災(zāi)時(shí)需按照消防應(yīng)急預(yù)案快速進(jìn)行人員疏散,保證院落內(nèi)職工人身生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.1 研究目標(biāo)

為了做好消防安全,應(yīng)付突發(fā)的火災(zāi)事故,確保院內(nèi)職工人身生命財(cái)產(chǎn)安全,根據(jù)《中華人民共和國消防法》《機(jī)關(guān)、團(tuán)體、企業(yè)、事業(yè)單位消防安全管理規(guī)定》等消防安全制度,制定消防應(yīng)急預(yù)案,并利用測繪地理信息技術(shù),完成如下內(nèi)容,為消防應(yīng)急疏散救援提供輔助決策。

(1)南禮士路60號院總體平面圖,需標(biāo)明(或設(shè)計(jì))避難所、集結(jié)點(diǎn)等相關(guān)場所。

(2)建筑物樓層內(nèi)分層消防疏散平面圖,需標(biāo)明疏散方向、消防設(shè)施位置等相關(guān)要素;實(shí)測至每個(gè)房間門口,分戶可示意。

(3)消防應(yīng)急路線演示。需通過二維地圖或三維場景完成消防應(yīng)急疏散路線演示。

1.2 已有資料分析

為了配合完成研究區(qū)消防應(yīng)急預(yù)案的制定,利用測繪地理信息技術(shù)為消防應(yīng)急疏散救援提供輔助決策,項(xiàng)目實(shí)施前期已收集的資料如下。

1.2.1基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)

研究區(qū)2017年1∶500地形圖(dwg格式)、建筑物房產(chǎn)測繪成果(dwg格式)、建筑物設(shè)計(jì)圖紙(紙質(zhì)),用于研究區(qū)地形圖、建筑物分層平面圖修測以及消防設(shè)施調(diào)查(滅火器、消防水帶、消防水井、報(bào)警按鈕、火警電話等)。

1.2.2POI及地圖數(shù)據(jù)

2019年天地圖·北京電子地圖(地圖切片緩存)及全市興趣點(diǎn)(Point of Interest,POI)數(shù)據(jù)(shapefile格式),用于制作研究區(qū)電子地圖以及消防應(yīng)急救援POI查詢[3](消防站、醫(yī)院、避難所場等)。

1.2.3三維模型數(shù)據(jù)

研究區(qū)2017年傾斜Mesh三維模型、無畸變傾斜航片、傾斜攝影空三數(shù)據(jù),用于制作研究區(qū)三維場景。

2 項(xiàng)目技術(shù)路線

根據(jù)研究區(qū)消防應(yīng)急預(yù)案,利用測繪地理信息技術(shù)為消防應(yīng)急疏散救援提供輔助決策。項(xiàng)目前期充分收集了研究區(qū)的基礎(chǔ)測繪、POI、天地圖·北京地圖、三維模型等數(shù)據(jù)?；谝延械臄?shù)據(jù)資料,首先,對研究區(qū)進(jìn)行測繪與調(diào)查,包括地形圖修測、建筑物分層平面圖測繪、消防設(shè)施調(diào)查、POI分類提取、全景影像拍攝、三維激光掃描,對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,在SuperMap 9D桌面產(chǎn)品中完成消防應(yīng)急空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。其次,基于消防應(yīng)急空間數(shù)據(jù)庫,完成院落總體平面圖、建筑物分層疏散平面圖、全景虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)影像、三維場景的制作。最后,開發(fā)基于Android系統(tǒng)的消防疏散APP,將測繪成果在移動(dòng)端進(jìn)行集成與展示,具體技術(shù)如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 地形圖及分層平面圖修測

3.1.1地形圖修測

在地形圖修測作業(yè)時(shí),未采用傳統(tǒng)布設(shè)控制點(diǎn)、全站儀野外數(shù)據(jù)采集的方式,而是采用徠卡RTC360對院落范圍進(jìn)行快速掃描,采集點(diǎn)云數(shù)據(jù),在繪圖致件(CAD)中,與已有1∶500地形圖進(jìn)行匹配,根據(jù)點(diǎn)云修測地形圖[4]。

3.1.2分層平面圖修測

建筑物的邊長丈量采用手持測距儀獨(dú)立測量兩次,兩次丈量較差的絕對值不應(yīng)大于5 mm,結(jié)果應(yīng)取中數(shù)。采用手持測距儀無法準(zhǔn)確測量時(shí),采用解析法施測建筑物各主要角點(diǎn),并通過一站測量完成。采集內(nèi)容包括:房屋的邊長數(shù)據(jù)、房屋的墻體厚度數(shù)據(jù)、房屋特征點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)、房屋的房角坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.1.3消防設(shè)施調(diào)查

利用作業(yè)區(qū)1∶500地形圖進(jìn)行室外消防設(shè)施調(diào)查,調(diào)查消火栓、滅火器、監(jiān)控器、消防控制室等消防設(shè)施及消防隱患點(diǎn)的位置。利用分層平面圖進(jìn)行室內(nèi)消防設(shè)施調(diào)查,調(diào)查各層消火栓、滅火器、消防報(bào)警器、煙感、噴淋等消防設(shè)施的位置。

3.2 室內(nèi)VR全景影像制作

通過VR將實(shí)際場景通過拍攝的形式進(jìn)行1∶1真實(shí)還原,打造線上720°真實(shí)立體可深度交互的場景,全景中融入電子導(dǎo)圖、宣傳畫冊、視頻等,用戶可隨時(shí)隨地、身臨其境地了解場景信息[5]。VR消防安全教育不同于傳統(tǒng)的消防安全教育,能夠?qū)鹘y(tǒng)枯燥乏味的消防安全教育變得更加生動(dòng)有趣,這樣能夠帶來更好的消防教育效果。

室內(nèi)VR全景影像制作流程包括全景照片拍攝,項(xiàng)目采用Gopro全景相機(jī),首先對建筑物內(nèi)部進(jìn)行全景拍攝,拍攝時(shí)要求拍攝的所有照片要有重疊區(qū),便于后期拼接,使用固定的三腳架進(jìn)行設(shè)站,站與站之間距離不宜太遠(yuǎn),本項(xiàng)目根據(jù)建筑物實(shí)際面積與應(yīng)用場景,保持在5～10 m以內(nèi)即可,同時(shí)在室內(nèi)建筑物拐角、消防設(shè)施位置處進(jìn)行設(shè)站拍攝,便于場景視角的轉(zhuǎn)化與消防設(shè)施的展示。第二步對拍攝好的照片進(jìn)行全景圖片合成,并運(yùn)用圖像處理軟件(PS)對全景圖片進(jìn)行調(diào)色保證場景的真實(shí)性。最后在全景平臺上進(jìn)行全景上傳編輯[6],完成全景漫游制作發(fā)布。

3.3 三維激光掃描

其原理是通過高速激光掃描測量的方法,大面積、高分辨率快速地獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)的(x.y.z)坐標(biāo)、反射率、(R.G.B)顏色等信息,由這些大量、密集的點(diǎn)信息可快速復(fù)建出1∶1的真彩色三維點(diǎn)云模型,為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析、三維建模等工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。

本項(xiàng)目采用徠卡RTC360,通過TruRTC實(shí)景獲取、視覺追蹤技術(shù)(VIS)、SmartReg智能拼接技術(shù),使RTC360三維激光掃描儀與徠卡Cyclone Field 360外業(yè)操控軟件、REGISTER 360智能拼接軟件完美集合,高效采集項(xiàng)目范圍內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[7]。作業(yè)時(shí),院內(nèi)采用中密度點(diǎn)云+全景照片拍攝的模式,每站約2 min 36 s,樓內(nèi)掃描時(shí)采用低密度點(diǎn)云+全景照片拍攝的模式,每站約1 min 36 s?？紤]到樓內(nèi)拐彎、樓梯間隔斷門較多的特殊情況,適當(dāng)增加了測站數(shù)量,保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)較好地拼接。最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為las格式,在SuperMap 9D桌面軟件中生成list配置文件,并根據(jù)配置文件生成.osgb三維場景緩存數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖2 建筑物室內(nèi)三維場景

3.4 消防應(yīng)急疏散平面圖制作流程

消防應(yīng)急疏散平面圖是消防應(yīng)急預(yù)案的重要組成部分,項(xiàng)目根據(jù)《疏散平面圖設(shè)計(jì)原則與要求》GB/T 25894—2010,對建筑物各個(gè)樓層采用1∶200比例尺進(jìn)行專題地圖制作。專題地圖包括了圖名、總體平面圖、疏散詳圖、安全通告、圖例、消防專題信息[8](疏散路線、安全標(biāo)志、觀察者位置、消防設(shè)置位置、房間信息等),具體制作流程如下。

3.4.1數(shù)據(jù)選取分層

專題地圖編制過程中,數(shù)據(jù)是很重要的一塊內(nèi)容。好的圖面效果,必須要有好的數(shù)據(jù)支撐。而所謂的好數(shù)據(jù),就是數(shù)據(jù)分層合理,可控性強(qiáng),可以很方便地根據(jù)其屬性特征進(jìn)行風(fēng)格渲染。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)中數(shù)據(jù)分層設(shè)計(jì)常用如下四種模型:點(diǎn)數(shù)據(jù)模型、線數(shù)據(jù)模型、面數(shù)據(jù)模型、文本。本項(xiàng)目根據(jù)消防專題要突出表達(dá)的主體內(nèi)容,在SuperMap 9D桌面中，將消防設(shè)施如滅火器、報(bào)警器、消防水帶、緊急出口表示為點(diǎn)圖層，將逃生路線表示為線圖層，將建筑物內(nèi)房間表示為面圖層，將專題數(shù)據(jù)的屬性信息表示為注記圖層。

3.4.2地圖符號及彩色設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目因?yàn)槭菓?yīng)急消防專題地圖,所以地圖色彩以紅色和綠色為主,提高地圖內(nèi)容的層次結(jié)構(gòu)和信息傳遞效果,使讀者更易于產(chǎn)生聯(lián)想和引起感情上的共鳴,更能增強(qiáng)地圖的美感,與消防主題呼應(yīng),突出應(yīng)急與安全意識[9]。地圖的符號基于Iconfont矢量圖標(biāo)庫進(jìn)行選取與加工,突出主體,表達(dá)豐富。

3.4.3專題地圖制作

首先將外業(yè)測繪的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化,導(dǎo)入到SuperMap 9D桌面軟件中,根據(jù)分層設(shè)計(jì)原則,進(jìn)行點(diǎn)、線、面、注記圖層的提取與拓?fù)涮幚怼Ｆ浯卧赟uperMap 9D桌面軟件中進(jìn)行專題地圖編制,對點(diǎn)、線、面、注記圖層進(jìn)行相應(yīng)的符號、色彩、文本的風(fēng)格設(shè)置,并導(dǎo)出PDF格式的地圖文件。最后將地圖文件導(dǎo)入到Adobe Illustrator,添加圖廓、圖名、圖例并對專題的地圖風(fēng)格進(jìn)行統(tǒng)一的加工與美化,完成專題地圖的制作。

3.5 “消防疏散APP ”Android版開發(fā)

“消防疏散APP” Android版是為項(xiàng)目演示定制開發(fā)的一套用于消防管理工作的APP(圖3)。與傳統(tǒng)的B/S、C/S 端相比,移動(dòng)端APP具有體量小、操作簡單、便于傳播等特點(diǎn)[10]。APP采用java語言,基于Android Studio 4.0以及SuperMap iMlbile 9D平臺進(jìn)行開發(fā)。主要實(shí)現(xiàn)功能有(1)POI查詢:對醫(yī)院、消防站、避難場所進(jìn)行查詢與展示;(2)二維地圖展示:展示院落總體平面圖以及各個(gè)樓層消防疏散平面圖;(3)三維場景展示:實(shí)現(xiàn)三維場景漫游展示、點(diǎn)云數(shù)據(jù)展示、VR全景漫游展示等。

圖3 消防應(yīng)急疏散平面圖

4 結(jié)束語

隨著人民生活水平的不斷提高,火災(zāi)危險(xiǎn)源也越來越多,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。近年來,測繪地理信息技術(shù)趨于融合發(fā)展,測繪地理信息服務(wù)領(lǐng)域的內(nèi)外業(yè)一體化、軟硬件一體化也更加明顯,同時(shí),云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、三維激光掃描、VR、AR等技術(shù)的不斷發(fā)展,也使測繪地理信息技術(shù)為消防應(yīng)急疏散救援提供整體解決方案成為可能[11]。本文采集了研究區(qū)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù),研究了建筑物分層疏散平面圖以及三維場景制作的流程與關(guān)鍵技術(shù),為消防應(yīng)急疏散救援提供輔助決策,下一步將充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù),充分發(fā)揮測繪地理信息技術(shù)在智慧消防解決方案的中的作用[12],服務(wù)于智慧城市的建設(shè)。