［陳福文 張婧婧 楊燕玲］

1 引言

進入21 世紀，我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程穩(wěn)步推進，各種可預見和難以預見的風險相互關(guān)聯(lián)、耦合、互動、疊加以至于各類重特大突發(fā)事件頻發(fā)，造成較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，嚴重威脅各國國家安全和社會穩(wěn)定。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，安全生產(chǎn)事故仍然是造成我國民眾傷亡的主要突發(fā)事件，2021 年各類生產(chǎn)安全事故死亡超2.6萬人，工礦商貿(mào)行業(yè)、煤礦、道路交通是安全生產(chǎn)事故的高發(fā)行業(yè)領(lǐng)域。同時，我國自然災(zāi)害形勢復雜嚴峻，極端天氣氣候事件多發(fā)，自然災(zāi)害突發(fā)事件給我國人民群眾生產(chǎn)生活造成較大沖擊，2021 年，全年各種自然災(zāi)害共造成1.07 億人次受災(zāi)，因災(zāi)死亡失蹤867 人，緊急轉(zhuǎn)移安置573.8 萬人次。自然災(zāi)害以洪澇、風雹、干旱、臺風、地震、地質(zhì)災(zāi)害、低溫冷凍和雪災(zāi)為主，沙塵暴、森林草原火災(zāi)和海洋災(zāi)害等也有不同程度發(fā)生。面對各類自然災(zāi)害和安全生產(chǎn)事故等突發(fā)事件不時發(fā)生的挑戰(zhàn)，肩負“指導安全生產(chǎn)類、自然災(zāi)害類應(yīng)急救援，承擔國家應(yīng)對特別重大災(zāi)害指揮部工作”重要職責的應(yīng)急管理部門急需借助信息化手段強化應(yīng)急救援指揮能力。其中，最為重要的是能夠快速了解災(zāi)害事故現(xiàn)場的周邊環(huán)境信息的能力。災(zāi)害現(xiàn)場作為應(yīng)急管理人員與各類已知的災(zāi)害事故和未知的風險隱患作戰(zhàn)的戰(zhàn)場，緊密關(guān)聯(lián)應(yīng)急管理工作“人、事務(wù)、組織、風險隱患”等各類對象，無論是從保障應(yīng)急管理人員自身安全還是從精準掌握災(zāi)害現(xiàn)場信息提升精準救援效率角度考慮，提升對災(zāi)害現(xiàn)場立體化信息的能力十分重要。

2 問題與挑戰(zhàn)

2.1 突發(fā)事件爆發(fā)現(xiàn)場的難以預料性，要求強化事件發(fā)生后的信息快速采集能力

《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》明確突發(fā)事件，是指突然發(fā)生，造成或者可能造成嚴重社會危害，需要采取應(yīng)急處置措施予以應(yīng)對的自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件。一方面，突發(fā)事件往往是突然爆發(fā)的，具有偶然性。另一方面，突發(fā)事件的發(fā)生是事物內(nèi)部矛盾由量變到質(zhì)變的必然飛躍過程，具有必然性[1]。如當今社會每個家庭的生活基本上都離不開電，各類電器的普及給現(xiàn)代生活提供了極大的便利，但是電器的使用同時伴隨著用電風險，觸電、電路老化導致火災(zāi)、電瓶車起火等事件不時發(fā)生。偶然性表現(xiàn)為個人家庭用電不規(guī)范、電路電器老化為及時替換、電瓶車電池質(zhì)量問題等，雖然這些活動本身發(fā)生的概率低，但是因為全社會基數(shù)巨大，所以用電安全事故必然會不時發(fā)生。

而以當前的科技發(fā)展水平，突發(fā)事件的偶然性與必然性的對立統(tǒng)一決定了突發(fā)事件何時何地發(fā)生、以什么方式發(fā)生、發(fā)生的程度如何是難以預料的，突發(fā)事件可能發(fā)生在城市中心、也可能發(fā)生在邊遠山區(qū)，可能發(fā)生在城市中心的商業(yè)中心，也可能發(fā)生在城郊的工業(yè)園區(qū)。而事件爆發(fā)現(xiàn)場的難以預料性意味著很難提前做好災(zāi)害現(xiàn)場周邊環(huán)境信息的提前采集和準備，因此要求應(yīng)急管理部門要具有事件發(fā)生后的快速采集能力。采集到的現(xiàn)場信息越快越全面，越有利于各類緊急救援工作的開展，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

2.2 突發(fā)事件現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)的局限性，要求強化現(xiàn)場全局三維可視感知能力

目前我國應(yīng)急管理部門突發(fā)事件現(xiàn)場信息主要以監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，如北京市《東城區(qū)突發(fā)事件總體應(yīng)急預案（2016 年修訂）》明確要“充分利用照相機、手持攝像機、車載攝像機等設(shè)備，實現(xiàn)突發(fā)事件現(xiàn)場圖像信息的快速采集與傳送”。隨著救援場景的不同，也會配套監(jiān)測風向、風速、降雨、溫度、有毒氣體等要素。突發(fā)事件現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集滿足了一定技術(shù)條件下應(yīng)急管理部門的業(yè)務(wù)需求；業(yè)務(wù)需求的牽引推動也極大促進了自動監(jiān)測、遠程管理、智能識別、自動預警等技術(shù)的發(fā)展，業(yè)務(wù)與技術(shù)實現(xiàn)了相互促進引領(lǐng)。

但與此同時，應(yīng)急管理部門的監(jiān)測預警業(yè)務(wù)開展也面臨著監(jiān)測數(shù)據(jù)相對零散，應(yīng)用價值有待提升的困境，一是二維電子地圖數(shù)據(jù)難以滿足直觀展示應(yīng)急管理業(yè)務(wù)的需要，三維電子地圖數(shù)據(jù)需求不斷提升；二是監(jiān)測數(shù)據(jù)感知的是現(xiàn)場周邊多個方面的無關(guān)數(shù)據(jù)，很難直接體現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，不利于后續(xù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析；三是視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)雖然實時展示了現(xiàn)場當時的局部情景，但是現(xiàn)場的全局性、整體性展現(xiàn)能力待提升?？偟膩碚f，應(yīng)急管理部門的業(yè)務(wù)需求在于提升突發(fā)事件現(xiàn)場三維建模能力，同時關(guān)聯(lián)相關(guān)監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，共同實現(xiàn)對災(zāi)害現(xiàn)場的全局性、立體化、多維度的感知。

3 技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段傾斜攝影三維建模技術(shù)、激光雷達三維建模技術(shù)主要在自然災(zāi)害防治部分領(lǐng)域有應(yīng)用，但是對于安全生產(chǎn)監(jiān)督管理領(lǐng)域如隧道、礦井、大型綜合體內(nèi)部、綜合管廊、有限空間等場景的應(yīng)用較少，而相關(guān)領(lǐng)域需求巨大，前景光明，應(yīng)該加大兩類三維建模技術(shù)的推廣。對于突發(fā)事件應(yīng)急現(xiàn)場的三維建模工作，應(yīng)按照相關(guān)場地設(shè)備的風險隱患級別和場地特點，同時綜合時間、預算等多方面因素，可采取兩種不一樣的三維建模方式。一種是提前建模，有備無患，對于周邊環(huán)境隨時間變化不大的重點場所和相關(guān)重點設(shè)備、關(guān)鍵裝置，因為其發(fā)生突發(fā)事件的風險隱患高，可能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失重，應(yīng)當提前采用傾斜攝影或者激光雷達三維建模技術(shù)實現(xiàn)對相關(guān)場所、設(shè)備和裝置的建模，突發(fā)事件發(fā)生后能夠第一時間調(diào)出現(xiàn)場三維可視化模型為應(yīng)急管理部門提供決策支撐。另一種是逐步推進，全面覆蓋，對于風險隱患不高，現(xiàn)階段不易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失情況的場景，應(yīng)急管理部門可以與自然資源部門溝通協(xié)調(diào)，在實景三維中國政策的實施中穩(wěn)步推進，最終實現(xiàn)全面建模。

3.1 傾斜攝影三維建模技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行載具平臺（有人飛機或者無人機）上搭載多臺圖像傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像數(shù)據(jù)，獲取物體更為完整準確的信息。常用的傾斜攝影技術(shù)主要有三相機組合和五相機組合兩種方案。主流的五相機組合方案中，一臺圖像傳感器獲取垂直影像，另外4 臺圖像傳感器從前后左右4 個方向同時獲取地物的側(cè)視影像（機傾斜角度在）。

傾斜攝影三維建模技術(shù)可以較為快速且完整地獲取地物側(cè)面的輪廓、紋理信息，三維可視化效果好。正是由于這些優(yōu)秀特性，傾斜攝影三維建模技術(shù)成為了應(yīng)急管理部門三維建模的最重要選擇之一，在自然災(zāi)害防治領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。高力等人在堤防滑坡除險實例中有效提升了應(yīng)急除險工作的效率[2]，南天解決了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理可視化差、量算難度大的問題[3]，趙紅艷等人為地質(zhì)災(zāi)害中的指揮救援、受災(zāi)分析等提供了可靠的依據(jù)[4]。但是現(xiàn)階段在其他領(lǐng)域特別是安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域應(yīng)用較少。通過研究傾斜攝影三維建模技術(shù)原理，對比自然災(zāi)害防治領(lǐng)域和安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求，本團隊認為傾斜攝影三維建模技術(shù)應(yīng)該也可以大面積用于安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域。如在危險化學品安全生產(chǎn)監(jiān)管方面，可以通過無人機傾斜攝影實現(xiàn)對化工園區(qū)企業(yè)相關(guān)信息的采集并實現(xiàn)三維建模，如圖1 所示。

圖1 采用傾斜攝影三維建模技術(shù)構(gòu)建的化工園區(qū)企業(yè)三維模型

此外，為滿足應(yīng)急管理部門更加全面的監(jiān)管要求，可以基于危險化學品園區(qū)企業(yè)三維模型，集成關(guān)聯(lián)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對于危險化學品園區(qū)企業(yè)的全局性、立體化、多維度的感知，為該區(qū)域發(fā)生突發(fā)事件后的應(yīng)急現(xiàn)場救援工作奠定基礎(chǔ)，如圖2 所示。

圖2 集成關(guān)聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)和三維電子地圖數(shù)據(jù)的化工園區(qū)企業(yè)三維模型

3.2 激光雷達三維建模技術(shù)

激光雷達系統(tǒng)是一種集成激光掃描模塊與定位定姿模塊的測量系統(tǒng)，通過定位激光脈沖光束打在物體上的光斑以完成對物體的測量。激光雷達系統(tǒng)包括激光器（激光產(chǎn)生及發(fā)射系統(tǒng)）和一個接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器可以準確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間。因為同一介質(zhì)（一般是空氣）的光速是已知且確定的，所以激光器與被測量物體表面的距離與傳播時間成正比。同時結(jié)合激光器的三維坐標和激光掃描角度，就可以準確地推算出被測量物體表面的每一個光斑的三維坐標，即實現(xiàn)對物體表面的“點”的三維坐標的獲取。通常要實現(xiàn)對一個物體的輪廓形態(tài)的測量，需要獲取數(shù)以萬計的“點”以構(gòu)成被測量物體輪廓形態(tài)的“點云”（物體越大、精度越高，“點”的數(shù)量越多）。此外，為更好的呈現(xiàn)被測量物體的外觀，一般會在激光雷達系統(tǒng)中集成一個可見光相機以獲取物體表面的“色彩”等信息，后期通過對相應(yīng)“點云”著色實現(xiàn)更好的可視化呈現(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 四維時代“深時”相機在地下室停車場采集的三維模型部件級16K 實景影像與點云數(shù)據(jù)

為適應(yīng)不同場景業(yè)務(wù)需要，激光雷達系統(tǒng)分為以人造衛(wèi)星為載具的空基激光雷達系統(tǒng)、以有人飛機、無人飛機等航空飛行器為基礎(chǔ)的天基激光雷達系統(tǒng)和包括車載激光雷達、地面固定激光雷達、手持激光雷達3 個類型的地基激光雷達系統(tǒng)。相較于傾斜攝影飛行載具平臺的限制，激光雷達空天地多樣化載具為業(yè)務(wù)開展提供了更多的可能。前者對于突發(fā)事件現(xiàn)場的信息采集角度是自上而下的，而后者的信息采集角度除了自上而下的，還可以是水平方向采集或者自下而上。

激光雷達三維建模技術(shù)的數(shù)據(jù)采集效率、測量精度高，處理速度快和多樣的載具可以滿足更多場景的業(yè)務(wù)需要。正是由于這些優(yōu)異特性，激光雷達三維建模技術(shù)也成為了應(yīng)急管理部門三維建模的最重要選擇之一，在自然災(zāi)害防治部分領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。利用激光雷達三維建模技術(shù)，常鵬斌等人實現(xiàn)了對巨型傾倒大變形體監(jiān)測[5]，李俊峰等人完成了對隧道滑坡的應(yīng)急監(jiān)測[6]，李鴻均等人實現(xiàn)對災(zāi)后滑坡的應(yīng)急監(jiān)測[7]、董秀軍等人提升了在汶川地震后都汶公路快速搶通中的工作效率[8]、趙俊蘭等人完成了汶川什邡地震遺址虛擬重建研究[9]等。

但是現(xiàn)階段激光雷達三維建模技術(shù)同樣在其他領(lǐng)域特別是安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域應(yīng)用較少。通過研究激光雷達三維建模技術(shù)原理，對比自然災(zāi)害防治領(lǐng)域和安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求，本團隊認為激光雷達三維建模技術(shù)三維建模技術(shù)應(yīng)該也可以大面積用于安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域。如在封閉、半封閉的隧道、礦井、大型綜合體內(nèi)部、綜合管廊、有限空間、安全生產(chǎn)監(jiān)管等場景存在大量的應(yīng)用需求，激光雷達三維建模技術(shù)在應(yīng)急管理工作中的突發(fā)事件現(xiàn)場三維建模具有光明的前景。兩種技術(shù)主要特性對比情況如表1 所示。

表1 兩種三維建模技術(shù)對比說明表

4 未來發(fā)展趨勢

為滿足未來應(yīng)急管理工作中更多業(yè)務(wù)場景的需要，傾斜攝影、激光雷達三維建模技術(shù)需要完成自動化、融合化和模塊化3 個不同方向的技術(shù)優(yōu)化。

4.1 自動化

隨著道路車輛、空中飛機自動駕駛技術(shù)的不斷成熟完善，必將推進無人機自動化的向前發(fā)展。相比于天基、地基載具平臺，空基特別是無人機載具平臺（相較于有人飛機、飛艇等其他空基平臺）更加靈活快速，能夠到達天基、地基平臺無法到達的危險區(qū)域，如橋梁、隧道、礦井、大型綜合體、綜合管廊、有限空間、化工園區(qū)企業(yè)的內(nèi)部和外部高空等。而無人機的自動化，特別是無人機飛控自動化將能大幅延伸應(yīng)急管理工作業(yè)務(wù)范圍。未來在設(shè)定好工作目標區(qū)域后，無人機三維建模系統(tǒng)將能夠自動完成起飛、航行、避障、返航、降落、定位、充電等動作并實現(xiàn)對相應(yīng)區(qū)域的信息采集及建模工作。

4.2 融合化

融合化的發(fā)展趨勢包括技術(shù)應(yīng)用場景融合化和技術(shù)應(yīng)用成果融合化兩個方向。技術(shù)應(yīng)用場景的融合模式特點在于兼顧整體和局部重點，時間、預算成本低，性價比高。如在化工園區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)管領(lǐng)域，對于全局性整體性的三維建模采用傾斜攝影技術(shù)，能夠快速獲取全化工園區(qū)三維可視化模型；在于重點設(shè)備、關(guān)鍵裝置、重點場所的高精度建模采用激光雷達三維建模技術(shù)。技術(shù)應(yīng)用成果的融合模式的特點在于工作界面清晰，內(nèi)外部建模成果在最后階段實現(xiàn)融合呈現(xiàn)。如在礦山、隧道救援工作中，礦山、隧道外部建模工作采用傾斜攝影，內(nèi)部采用激光雷達，最后實現(xiàn)內(nèi)外部建模成果的拼接呈現(xiàn)，實現(xiàn)對山體、隧道的虛擬映射及三維呈現(xiàn)，助力找到可利用的山體裂縫、山體厚度薄弱處等與應(yīng)急救援相關(guān)信息，助力應(yīng)急救援工作開展。

4.3 模塊化

伴隨傾斜攝影、激光雷達三維建模技術(shù)的自動化優(yōu)化，以無人機載具平臺為基礎(chǔ)的三維建模技術(shù)實現(xiàn)模塊化發(fā)展。無人機自身、飛控系統(tǒng)、通信設(shè)備集成化、模塊化成飛控載具平臺，其他的如傾斜攝影圖像采集系統(tǒng)設(shè)備和激光雷達技術(shù)測量系統(tǒng)設(shè)備模塊化，實現(xiàn)飛控載具平臺模塊和圖像采集、點位測量系統(tǒng)模塊的分離，同時各模塊間的對接交互能夠按照標準協(xié)議實現(xiàn)高效對接，滿足能夠按場景業(yè)務(wù)需要快速實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的配套組合。最終應(yīng)急管理部門能夠?qū)崿F(xiàn)按需在不同飛行載具平臺掛載圖像采集、點位測量系統(tǒng)開展三維建模作業(yè)，提升突發(fā)事件應(yīng)急救援工作效率。

5 結(jié)論與展望

隨著自然資源部門實景三維中國政策的實施和推進，越來越多的三維建模技術(shù)將應(yīng)用在各個領(lǐng)域。在應(yīng)急管理領(lǐng)域，隨著信息技術(shù)特別是傾斜攝影三維建模和激光雷達三維建模技術(shù)的不斷融合發(fā)展，同時相關(guān)載具平臺及配套設(shè)備朝著自動化、模塊化進化，突發(fā)事件現(xiàn)場三維建模的時間將大幅降低、模型精度效果將更佳突出，能夠極大滿足應(yīng)急管理部門在自然災(zāi)害、安全生產(chǎn)類突發(fā)事件應(yīng)急現(xiàn)場指揮救援需要，進一步保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

對于無人機載具平臺，由于平衡、穩(wěn)定、重心等多方面需要，圖像采集、點位測量系統(tǒng)設(shè)備一般部署于無人機載具平臺的中間下部，圖像采集、點位測量視角為自上而下，造成了以無人機三維建模技術(shù)應(yīng)用場景受限的情況。展望未來，無人機載具形態(tài)實現(xiàn)重新設(shè)計，通過將圖像采集、點位測量系統(tǒng)設(shè)備部署在載具平臺中間上部（同時圖像采集、點位測量視角為自下而上）或者配置相關(guān)反射鏡、半透鏡等，達到調(diào)整、彎曲光路以實現(xiàn)向上及多個方位采集、測量的目的，更好的應(yīng)用于室內(nèi)、礦山、隧道等突發(fā)事件應(yīng)急救援三維建模場景。