無人機三維建模在消防應急救援中的應用探析

崔建華

（消防救援局昆明訓練總隊，云南 昆明 650208）

隨著我國社會經濟的快速發展，消防應急救援及火災防控所面臨的形勢更加嚴峻，特別是在消防部隊轉隸應急管理部以后，消防應急救援的職責由處置“單一災種”向應對“全災種”“大應急”轉變。在轉型升級中，消防救援隊伍必須要摒棄原有觀念和習慣思維，切實增強自然災害監測預警能力和指揮調度的分析研判能力，才能保障消防應急救援行動的高效展開。為解決消防應急救援中存在的災害現場信息缺失，指揮混亂，災情處置不力等現實問題，傳統的二維數據已不能滿足應急救援的實際需求，迫切需要建立三維數據。而基于無人機的三維建模技術的逐漸成熟，能夠實現災害現場快速三維建模與時空災變信息的采集，為應急救援指揮決策、力量部署提供有力的數據支撐，推動了智能化應急救援的發展。

1 無人機實景三維建模技術

人們生活在一個三維空間，所有的物體都可以進行空間化、屬性化和地理實體化。實景三維建模技術可以理解為實景還原技術，利用二維影像或傾斜影像，自動生成高分辨率且帶有逼真紋理貼圖的三維模型，能夠達到測繪級精度并可實時測量，傾斜影像帶有的POS信息能為三維建模的基礎數據添加地理位置信息。傳統的三維建模設備昂貴，流程復雜，智能應用少，對建模人員的要求較高，不能滿足我國各行業對實景三維建設的迫切需求。與傳統的實景三維建模相比較，無人機實景三維建模技術作為測繪領域的一項新技術，主要原理是通過在飛行平臺上搭載相機進行攝影，從不同角度采集影像，通過建模軟件合成高精度的三維模型。無人機實景三維建模具有快速、高效及成本低的特點，已成為消防應急救援中快速獲取災害現場信息的重要手段。

1.1 無人機傾斜攝影

近年來，無人機傾斜攝影以其精細真實、快速高效及成本低的特點，逐步取代了傳統的測繪方式，通過無人機傾斜攝影來進行三維建模，已經成為智慧城市及大數據時代的有力武器。無人機傾斜攝影是指用無人機平臺搭載多角度的傾斜攝影相機和定位定向系統（POS）來獲取地面影像信息，再通過軟件來進行三維建模的技術。由于傾斜攝影可以從多個角度對地形地物進行信息采集，在消防應急救援現場，特別是地質性災害事故，利用無人機傾斜攝影技術能夠快速三維建模，生成災害現場實景模型，有助于災害救援決策、災情評估、災后救援等工作的開展。

1.2 無人機的選擇

傾斜攝影三維模型質量的高低，主要取決于影像質量和照片數量，選擇何種類型的無人機也在一定程度上影響三維建模的效率。傾斜攝影飛行對固定翼無人機的基本要求是低空飛行、低速巡航、轉彎半徑小、操作便利、就近起降等。使用油動固定翼無人機進行常規航空攝影，雖然飛行效率和性能都不錯，但使用和保養要求高，價格也居高不下。近兩年固定翼無人機在單機價格、技術性能等方面都有了較大突破，使傾斜攝影技術可以在較大面積的三維建模方面發揮作用，有效地提高了傾斜攝影飛行的作業效率。但是，從各行業無人機三維建模的現狀來看，采用多旋翼無人機來進行傾斜攝影是應用最廣泛的一種方式。

1.3 傾斜攝影相機

無人機傾斜攝影是無人機搭載了相機，采用了一定傾斜角度來拍攝影像。傾斜攝影不限定相機鏡頭的數量，關鍵的技術指標是獲取不同角度影像的能力、單架次作業的廣度和深度。傾斜攝影包括五鏡頭、三鏡頭和雙鏡頭等多鏡頭相機，還有可調整相機拍攝角度的單相機系統。在性能上主要是從數據獲取效率、續航時間、POS記錄功能、作業時間等方面作出要求。五鏡頭傾斜相機在數據獲取效率等方面具有較大優勢，但是價格昂貴，并且要求多旋翼無人機具有超高穩定性和續航能力。針對小范圍的三維建模，專業的五鏡頭傾斜相機因載荷、成本、飛控等問題顯得不合時宜，采用多旋翼無人機搭載單鏡頭相機更具有優勢。

1.4 三維建模

傾斜攝影三維建模數據處理量巨大，常規計算機不能滿足三維建模需求，需要配置強大的圖形工作站。在軟件方面，常用的建模軟件主要有ContextCapture、Pix4Dmapper、PhotoScan等。最近，大疆創新公司開發了應用于計算機上的大疆智圖，作為專業的無人機航測軟件，大疆智圖能推動無人機三維建模向智能化和大眾化方向發展，實現“數據獲取、處理、應用、任務執行”一體化的航測作業方式，提高無人機三維建模的效率。

2 三維建模在消防應急救援中的應用

消防救援隊伍所面臨的各種災害事故和應急救援任務日趨繁重，面對不可預知、不可控制的各種因素，消防救援人員必須在第一時間了解災害現場信息，制定出科學高效的應急救援方案，為應急救援的決策部署提供有力的數據支撐，從而讓次生災害、二次傷亡降到最低。無人機實景三維建模技術的出現，能夠快速準確地獲取豐富的地理空間位置，為災害處置和救援提供數據基礎，無人機傾斜攝影三維建模技術以其影像數據獲取快速方便、數據成果豐富等優勢，在消防應急救援中得以廣泛應用。

無人機三維建模技術在近年來發生的多起自然災害事故的災后救援工作中發揮了重要作用，為搶險救援和指揮決策提供有力保障。2014年8月3日，云南魯甸發生6.5級地震，地震共造成617人死亡，112人失蹤，3000余人受傷。災情就是命令，抗震救災指揮部通過三維實景圖，實現了對震區各個方位的觀測，為制定救援方案以及防止次生災害的發生提供了極大便利。2015年8月12日天津濱海新區爆炸震驚全國，在大規模的危險化學品爆炸區域，無人機除了充當“探路者”進行偵察，還對事故現場進行了傾斜攝影，針對事故現場快速生成效果逼真的三維模型，為后續災后現場還原以及后續救援指揮起到了重要的作用。2015年12月深圳泥石流滑坡事件中，國家測繪地理信息局第一時間作出了實景三維立體模型，直觀了解房屋道路受災情況，為科學救援起到重大作用。2018年10月11日發生在西藏昌都市江達縣波羅鄉境內的山體滑坡，滑坡體量大，造成金沙江斷流并形成堰塞湖，危及附近的村莊安全，通往災區的必經橋梁和部分農田被江水淹沒，情況萬分危急，通過對金沙江堰塞湖進行三維建模，對研判災情、成功泄流和搶險救援起到了重要作用。由此可見，無人機三維建模在重特大災害事故的救援工作中的技術優勢是巨大的，為領導和專家研判災情、制定救援方案提供了科學的地理信息數據支持，極大地促進了消防救援隊伍無人機三維建模的快速發展。

3 結束語

在全國消防救援隊伍全面推進“智慧消防”建設的背景下，應急管理部提出“應急管理一張圖”項目建設，充分運用云計算、移動互聯網、地理信息、大數據等技術，通過無人機三維建模技術，緊貼消防應急救援實戰需求，實現作戰信息的實時顯示和作戰力量的精準部署，深度應用數字化模型，準確研判并科學評估現場災情，確保科學救援、安全救援、快速救援，提升消防救援隊伍對突發事故的快速反應和綜合協調能力，更好地為我國經濟社會的發展保駕護航。