基于GIS與無人機技術的地震應急救援系統設計

李璇瓊，梁延龍

（1.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

2020年1月，新型冠狀病毒肺炎在湖北爆發，并在全國迅速蔓延。得益于我國政府的快速應對，疫情逐漸得到控制。在抗擊新冠狀肺炎“疫情”中，基于北斗系統的無人機應急救援系統發揮了很大的作用，北斗無人機向一線醫務人員運送急需的醫療防疫物資，并可以根據規劃路線實現精確噴灑、巡檢、宣傳等防疫操作。由此可見，無人機技術在應急救援中可以發揮十分重要的作用。

我國是地震頻發國家，地震呈現范圍廣、頻度高、強度大和危害大的特性。近十年來，地震災害對我國造成了大量的人員傷亡和經濟損失，在地震應急救援過程中也出現了部分人員及救援物資調度混亂，應急救援不及時的情況。因此提高地震應急救援的效率，對保護生命財產安全具有極為重要的意義。

GIS與無人機技術在地震行業及其他行業中的應用研究已經有很多先例。徐蘭聲等[1-2]提出基于GIS系統及物聯網技術在城市震災評估和救災應急中的應用。左先旺等[3-5]提出無人機在災情應急響應系統中的應用，開辟地震應急災情獲取新途徑。綜合以上學者研究，單將GIS技術應用于地震災害應急響應系統，無法實時獲取災情；僅利用無人機進行災后應急救援，無法合理安排救援路線，進行物資調配。

本文將GIS與無人機技術相結合構建地震應急救援系統，可以快速獲取地震現場災情信息，通過GIS分析和無人機技術可以進行人員搜救、救災物資快速運輸，由此可以有效提高地震應急救援的效率，具有地震應急救援的應用價值。

1 GIS與無人機技術在應急救援中的優勢

1.1 GIS技術在應急救援中的優勢

GIS 是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟、 硬件的支持下，對空間相關數據進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務而建立的計算機技術系統[6]。目前GIS已在測繪、城市規劃、水利、土木、環境保護、土地利用與規劃等眾多領域得到了廣泛的應用，其在地震領域中的應用包括地震分析、預測、預報、抗震、減災、災害預溯、輔助決策及應急指揮等各個方面。由于地震災害的每一個環節及過程均與地理位置密切相關，因此可基于地理信息系統技術及空間數據庫，將地質災害預測、減災基礎信息加以管理，結合GIS空間分析、網絡分析功能及子專題提供的數學模型，動態實現地震災害的快速預測與輔助決策等[7-8]。

1.2 無人機技術在應急救援中的優勢

無人機作為一種飛行工具，具有體積小、輕盈、耐用、 機動靈活的特點。地震災情發生后，應急管理人員需要迅速獲取人員傷亡情況、建筑物破壞情況、次生災害和生命線工程破壞情況。無人機在震后迅速進入災區航拍，可以遠程實時指揮，實時傳回更清晰的圖像，全面、系統記錄震害特征。其成本低、易操縱、反應快，對大面積區域震害調查效率更高。有了無人機，專家可在后方集中精力，快速評估震害災情，因此具有獨特優勢。除航拍災情以外，目前無人機技術還可實現掛載多種載荷模塊，“變身”移動的通信基站，同時具備災后運輸、投放物資等救援潛力。

2 基于GIS與無人機技術的地震應急救援系統設計

2.1 總體設計

本系統采用系統平臺、數據平臺、應用平臺和信息展示平臺的四層結構，如圖 1所示。

圖1 地震應急救援系統總體架構圖

由圖 1可見本系統由以下主要部分構成：

1）系統平臺。系統平臺主要包括GIS平臺、飛控平臺、通信設備和操作系統。

2）數據平臺。數據平臺主要包括：應急救援數據庫、空間數據庫、災情數據庫、系統數據庫。

3）應用平臺。應用平臺主要包括：地震現場災情采集管理、地震應急救援輔助決策、地震應急救援信息展示和系統管理。

4）信息展示平臺。綜合考慮地震現場應急情況和需求，以及數據的安全性，本系統采用C/S模式進行展示。

5）數據更新維護。本系統在設計過程中，應急救援數據和災情數據由地震應急救援系統統一規劃數據更新；對于由無人機或現場應急人員采集并上報的更新數據，建立定期更新的機制，采用對數據審核，少更新，簡單更新的方式，最大限度減少人機交互的操作難度；對于震時獲取的大量信息，系統也會根據相應的規定將其入庫，并且同步給現場應急人員。

6）系統安全管理。本系統的安全設施包括軟硬件兩方面，除信賴硬件平臺提供的安全設施外，還提供軟件方面的系統安全考慮，如用戶權限、角色的劃分，系統日志記錄等。

2.2 功能設計

本系統功能結構如圖 2所示。

由圖 2可見本系統由以下功能結構組成：

圖2 地震應急救援系統功能結構圖

1）地震現場災情采集管理。地震現場影像采集：地震發生后，地震應急指揮中心派出無人機搭載高清攝像機到達震區，按規劃航線獲取高清影像，并回傳地震應急指揮中心，指揮部專家可以根據震區高清影像配合專業軟件分析震害情況。

地震現場災情采集：地震發生后，地震應急指揮中心派出無人機搭載紅外設備以及其他救援設備到達震區，通過紅外設備快速的從倒塌建筑物中搜尋生命，并將圖像實時傳回地震應急指揮中心和地震現場搜救人員，幫助指揮中心和地震現場搜救人員對幸存者進行快速施救。

2）地震應急救援輔助決策。地震應急救援需求分析：地震應急指揮中心根據地震災區的災情和救援需求模型估算各類救援力量和救援物資的最大需求量，救援力量和救援物資類型主要包括消防力量、醫護人員、防疫人員、醫療物資和生活物資。地震應急救援需求分析業務流程如圖3所示。地震應急救援需求表是地震應急救援調度的基礎信息表，通過查詢或計算當前地震下的受傷和需安置人數以及救援需求模型，自動計算救援人員和物資需求數量，保存到地震應急救援需求表，地震應急指揮人員可以根據現實需要對地震應急救援需求表進行變更。

圖3 地震應急救援分析業務流程圖

地震應急救援路徑分析：根據選擇救援地點，在地圖上顯示該救援點，分別查找該救援點最近的物資儲備倉庫和救援力量儲備點，并通過GIS路徑分析功能分析最佳路徑。在本系統設計中采用的是Dijkstra算法，在最短路徑分析中，兩點之間的距離主要考慮實際距離和時間兩個因素，可以按照實際情況選擇不同的權重，得到所需的最短路徑。

地震應急救援物資配送：輕量急需醫療或救援物資可以通過無人機快速配送至救災點，救援力量和重量救援物資可以通過地面進行配送。

3）地震應急救援信息展示。地震現場災情信息動態展示：包括通過無人機采集的高清影像展示、紅外圖像動態展示、救援點動態展示。

無人機及人員動態展示：系統展示包括無人機實時位置展示和救援人員位置展示，展示效果如圖 4所示。

圖4 基于GIS與無人機技術的地震應急救援系統示意圖

地震應急救援期間，救援設備和救援人員眾多，合理調度人員和物資可以提高救援效率。此系統可實時顯示無人機設備和救援人員所在位置，通過直觀展示地震應急期間的救援情況，可以方便地震應急指揮中心進行統一資源調度。

4）系統管理。地震應急救援模型管理：主要是對地震應急救援需求模型參數配置，以便對自動計算的需求結果進行調整。

無人機設備管理：包括無人機設備信息的添加、修改、刪除功能。

GIS參數配置：主要是對系統使用到的GIS分析模型參數進行配置。

用戶信息管理：用戶信息包含用戶名稱、用戶密碼、用戶描述、用戶類型等。提供用戶基本信息的增加、修改、刪除等功能。

3 結 語

本文提出的基于GIS與無人機技術的地震應急救援系統以無人機為載體搭載高清攝像機、紅外設備和救援設備，借助GIS平臺的強大分析功能，實現了震區高清影像采集、震區災情采集、救援物資配送等功能，提高了地震應急救援的時效性。本系統下一步將結合我國在突發應急救援和服務體系建設的經驗，進一步提高地震應急救援裝備及救援技術，加強多部門的協同合作，在實際場景中反復調試改進，從而更好地實現地震應急救援的輔助決策支持，提高地震應急響應速度、救援能力和決策指揮水平。