面向自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的多源數(shù)據(jù)融合信息服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

文｜麗水學(xué)院工學(xué)院 宋俊鋒

我國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，森林火災(zāi)、洪澇災(zāi)害、城市氣象災(zāi)害、城市地質(zhì)災(zāi)害等各種隨機(jī)和突發(fā)的災(zāi)害給生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境造成了巨大的破壞，給人民群眾造成了很大的生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。黨和國(guó)家對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急管理非常重視，近年來(lái)中央和地方各級(jí)政府都成立了專門(mén)的應(yīng)急管理部門(mén)。雖然這一問(wèn)題已經(jīng)引起了國(guó)家重視，但是受限于經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)工具，各地對(duì)各種突發(fā)自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的管理依舊存在一些問(wèn)題：一是缺少獲取災(zāi)前、災(zāi)時(shí)和災(zāi)后各階段全方位多源數(shù)據(jù)信息的手段和對(duì)其進(jìn)行有效整合的能力，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的支持多類型自然災(zāi)害應(yīng)急管理的信息化平臺(tái)；二是在應(yīng)急管理過(guò)程中的科技化、智能化水平相對(duì)較低，不能借助最新的科技進(jìn)行救災(zāi)應(yīng)急管理，缺少借助人工智能技術(shù)輔助的信息化服務(wù)平臺(tái)。2020年11月6日至7日，應(yīng)急管理部召開(kāi)“智慧應(yīng)急”建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)會(huì)，深入學(xué)習(xí)貫徹黨的十九屆五中全會(huì)精神和習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于應(yīng)急管理重要論述，部署智慧應(yīng)急建設(shè)工作。會(huì)議強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)全覆蓋和智能化，加快高水平安全生產(chǎn)、自然災(zāi)害、城鄉(xiāng)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)，要推進(jìn)應(yīng)急指揮系統(tǒng)智能化和高效化，提高應(yīng)急通信保障水平和災(zāi)害事故信息獲取能力，建強(qiáng)“應(yīng)急大腦”[2]。為此，本研究探討運(yùn)用無(wú)人機(jī)、5G、三維建模、數(shù)據(jù)可視化、地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)面向突發(fā)自然災(zāi)害和城市災(zāi)害應(yīng)急管理的多源數(shù)據(jù)融合智能平臺(tái)。

1.應(yīng)對(duì)災(zāi)害的信息化平臺(tái)建設(shè)的意義

1.1 提高政府應(yīng)急管理效率

采用無(wú)人機(jī)、5G、三維建模、數(shù)據(jù)可視化、地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)完整的面向森林火災(zāi)、洪澇災(zāi)害等各類突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急管理的二三維一體化平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取各類災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的全方位多源數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效融合展示，提升各級(jí)政府及相關(guān)管理部門(mén)針對(duì)各類突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急管理的效率。

1.2 是有效保障群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的需要

在災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后等應(yīng)急管理各個(gè)階段廣泛使用以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)，將智慧應(yīng)急集成到應(yīng)急管理平臺(tái)中。智慧應(yīng)急是順應(yīng)新發(fā)展階段要求和智能化大勢(shì)、應(yīng)急管理信息化的升級(jí)版，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急管理能力現(xiàn)代化的關(guān)鍵舉措，是破解當(dāng)前應(yīng)急管理工作難題堵點(diǎn)的有效手段，對(duì)于推動(dòng)應(yīng)急管理事業(yè)改革創(chuàng)新，提高重大風(fēng)險(xiǎn)防控能力，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義[3]。

1.3 提高執(zhí)法響應(yīng)速度

無(wú)人機(jī)應(yīng)急指揮中心的多應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)用，可通過(guò)無(wú)人機(jī)廣播、拋投、細(xì)繩牽引、紅外搜救、違規(guī)排污、秸稈焚燒、車(chē)輛違停等場(chǎng)景功能，為應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)提供多方位的支撐價(jià)值。如通過(guò)無(wú)人機(jī)巡航數(shù)據(jù)采集，可建立違章建筑的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)體系，設(shè)立違章建筑數(shù)字檔案，為執(zhí)法人員快速提供違章建筑物詳細(xì)屬性信息，夯實(shí)執(zhí)法部門(mén)的執(zhí)法依據(jù)。無(wú)人機(jī)違章建筑監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)城市基礎(chǔ)地理底層等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行組織加工、分析處理和查詢，一方面可以實(shí)現(xiàn)違章建筑監(jiān)測(cè)與執(zhí)法管理相結(jié)合，最終形成一個(gè)完善的城市違章建筑綜合監(jiān)管平臺(tái)和決策支持的可視化系統(tǒng)。另一方面可以運(yùn)用這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)施安防巡檢、野外搜救、自動(dòng)跟蹤、環(huán)境監(jiān)察、智慧城市管理等方面。

2.自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的特征分析

2.1 隨機(jī)性與突發(fā)性

自人類出現(xiàn)以來(lái)，自然災(zāi)害就一直是威脅人類生存安全和經(jīng)濟(jì)安全的難點(diǎn)、堵點(diǎn)。而隨著城市的出現(xiàn)和發(fā)展壯大，城市各種災(zāi)害也日益增多，如氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等。不論是自然災(zāi)害還是城市災(zāi)害的發(fā)生都具有隨機(jī)性和突發(fā)性，尤其是由自然災(zāi)害引發(fā)的城市災(zāi)害已經(jīng)成為一種與人類共存的自然現(xiàn)象。而自然災(zāi)害往往是由地質(zhì)、氣候、地球物質(zhì)等多重條件共同作用形成的，再加上人類活動(dòng)的破壞突發(fā)性和隨機(jī)性的災(zāi)害頻繁發(fā)生。信息技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)治理現(xiàn)代化水平的提高，自然災(zāi)害的隨機(jī)性有所削弱，但是城市災(zāi)害的突發(fā)性因素仍存在很大的復(fù)雜性。隨著城市建設(shè)的加快與規(guī)模的擴(kuò)大，城市中的自然環(huán)境與人的活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都會(huì)形成一些致災(zāi)因子，使得城市災(zāi)害不僅種類多樣化，成災(zāi)的機(jī)理也更加復(fù)雜。

2.2 連鎖性

自然災(zāi)害的承受主體是自然環(huán)境與自然環(huán)境中的人或建筑，而城市災(zāi)害的承受主體是城市中的物與人。也就是說(shuō)，無(wú)論自然災(zāi)害還是城市災(zāi)害都與人息息相關(guān)，最終影響到的是人類的活動(dòng)與生命質(zhì)量。當(dāng)下，隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大與城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的集聚效應(yīng)放大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是自然災(zāi)害容易引發(fā)城市災(zāi)害；二是城市災(zāi)害的直接損失的擴(kuò)大影響和間接損失的擴(kuò)大；三是自然災(zāi)害和城市災(zāi)害發(fā)生時(shí)容易形成一種災(zāi)害鏈或?yàn)?zāi)害群，影響到自然環(huán)境、城市和人的持續(xù)發(fā)展。

3.應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的信息化平臺(tái)建設(shè)

3.1 多源數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)

突發(fā)和隨機(jī)的自然災(zāi)害和城市災(zāi)害對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的全面性、詳細(xì)性和實(shí)時(shí)性都有較高要求，需要對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集生產(chǎn)，掌握重點(diǎn)災(zāi)情隱患地區(qū)的精細(xì)化實(shí)景三維模型，災(zāi)時(shí)快速構(gòu)建的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)三維地形模型以及實(shí)時(shí)傳輸?shù)亩S圖像數(shù)據(jù)，包括紅外熱成像圖像和高清可見(jiàn)光圖像。因此，對(duì)數(shù)據(jù)的采集不僅包括人口、氣象、國(guó)土和地形地貌數(shù)據(jù)，還涉及傳感器數(shù)據(jù)，如水位，降雨量，位移計(jì)等。在此基礎(chǔ)上，災(zāi)前構(gòu)建重點(diǎn)災(zāi)情隱患地區(qū)的精細(xì)化實(shí)景三維模型時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的面積、生成三維模型的分辨率要求等要素制定飛行方案，選取合適的無(wú)人機(jī)飛行器機(jī)型以及搭載的圖像傳感設(shè)備，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航線進(jìn)行規(guī)劃優(yōu)化，設(shè)計(jì)和布測(cè)像控點(diǎn)，使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影高效率的采集目標(biāo)區(qū)域各個(gè)角度的高清圖像。無(wú)人機(jī)采集到目標(biāo)區(qū)域圖像后，將圖像導(dǎo)入高性能圖像渲染服務(wù)器集群，經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理、稀疏重建、稠密重建、點(diǎn)云分割、單體建模等步驟后，最終支持生成多種格式的精細(xì)化災(zāi)情隱患區(qū)域大規(guī)模實(shí)景三維模型。

在災(zāi)害發(fā)生的第一時(shí)間，需要對(duì)災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步了解后迅速制定飛行方案，操縱無(wú)人機(jī)進(jìn)行快速不間斷的飛行，利用傾斜攝影技術(shù)采集到目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)的高清圖像，將采集到的圖像導(dǎo)入帶至現(xiàn)場(chǎng)的高性能服務(wù)器中，進(jìn)行快速的三維地形模型生成，在第一時(shí)間構(gòu)建出災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的三維地形模型。針對(duì)自然災(zāi)害的復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)，需要開(kāi)展災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集回傳：首先，要提供具有良好抗風(fēng)性和適應(yīng)性的無(wú)人機(jī)機(jī)型，保證在山高林密、火場(chǎng)氣流復(fù)雜、風(fēng)向易變的山林地及惡劣氣候條件下做到穩(wěn)定的飛行，同時(shí)具有超長(zhǎng)的續(xù)航能力，加上電池的熱拔插技術(shù)，可以24 小時(shí)不間斷飛行，保障了災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)偵察的連續(xù)作業(yè)。其次，根據(jù)災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的不同狀況，在機(jī)身上靈活配置搭載超高像素變焦和廣角的高性能相機(jī)及眾多混合傳感器，采集災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)紅外熱成像圖像和高清可見(jiàn)光圖像。第三為了保證在不同場(chǎng)景下現(xiàn)場(chǎng)圖像都能實(shí)時(shí)回傳到應(yīng)急管理指揮中心，通過(guò)進(jìn)行多途徑的圖像實(shí)時(shí)回傳，包括使用4G/5G 技術(shù)，使用通信運(yùn)營(yíng)商提供的應(yīng)急通信保障設(shè)備以及各種遠(yuǎn)距離私有圖像回傳協(xié)議。與此同時(shí)，將嘗試和應(yīng)急管理部門(mén)現(xiàn)有自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接，將其部署在通信鐵塔或高山位置的視頻監(jiān)控信號(hào)集成到應(yīng)急管理平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效融合。

3.2 應(yīng)急管理平臺(tái)研發(fā)

運(yùn)用GIS 和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)模塊化面向應(yīng)急管理的可視化智能化平臺(tái)。該平臺(tái)能支持重點(diǎn)隱患區(qū)域和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)景三維模型的快速加載和顯示，利用WebGL 技術(shù)，結(jié)合TML+CSS+JavaScript，實(shí)現(xiàn)PC 和移動(dòng)端的跨平臺(tái)瀏覽，并可基于GPU 圖形硬件加速，全面支持現(xiàn)有主流瀏覽器，如IE、Chrome、Firefox 等，無(wú)需安裝任何插件即可在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)對(duì)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的全方位三維可視化瀏覽，幫助參與救災(zāi)人員了解災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌特征。在突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急管理中，通過(guò)三維圖像了解災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的全方位地形地貌特征是必須的，因此需要實(shí)現(xiàn)二三維多源數(shù)據(jù)一體化融合和展示。比如通過(guò)二三維數(shù)據(jù)視角的聯(lián)動(dòng),支持在應(yīng)急管理平臺(tái)上同時(shí)展現(xiàn)三維模型和二維圖像，并完成視角同步功能，即便是平臺(tái)上進(jìn)行視角變化時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)二維圖像和三維模型視角的同步變化；二三維地理信息數(shù)據(jù)的同步，使用相同的開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表示和保存二維和三維的地理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)兩者間地理信息數(shù)據(jù)的同步；通過(guò)多種二維專題圖表方式展示災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)分析結(jié)果的同步，不僅以二維方式展現(xiàn)，還將會(huì)把分析結(jié)果聯(lián)動(dòng)到三維模型中進(jìn)行標(biāo)注。

應(yīng)急管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)急管理的交互式二三維地理空間展示分析功能。如在救災(zāi)應(yīng)急管理中，通過(guò)GPS 信號(hào)獲取救援車(chē)輛、人員、無(wú)人機(jī)飛手、無(wú)人機(jī)設(shè)備等的詳細(xì)位置信息，利用GIS 技術(shù)通過(guò)應(yīng)急管理平臺(tái)實(shí)時(shí)展示并跟蹤。針對(duì)森林火災(zāi)的應(yīng)急管理，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)著火區(qū)域模擬仿真，以簡(jiǎn)單直觀方式讓?xiě)?yīng)急指揮人員了解當(dāng)前著火區(qū)域的范圍和火點(diǎn)數(shù)量、位置；針對(duì)洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理，實(shí)現(xiàn)洪水模擬淹沒(méi)仿真。平臺(tái)還將提供受災(zāi)面積測(cè)量等特色功能。

3.3 人工智能技術(shù)在應(yīng)急管理中的具體應(yīng)用

應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的信息化平臺(tái)只有融入了基于深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，才能在自然災(zāi)害和城市災(zāi)害的災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)中監(jiān)測(cè)、災(zāi)后評(píng)估等應(yīng)急管理的全流程中應(yīng)用。災(zāi)前預(yù)警中，要在重點(diǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)重點(diǎn)山林區(qū)域、城市空間等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)回傳圖像進(jìn)行煙霧檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)在農(nóng)事、林事、祭祀、大型重要聚集活動(dòng)中突發(fā)的危險(xiǎn)行為。為了避免干擾，需要采用YOLOv5 為基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)模型，在數(shù)據(jù)標(biāo)注時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)爬取、實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)采集等方式獲取不同山林煙霧圖像、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，采用隨機(jī)翻轉(zhuǎn)、隨機(jī)縮放、色彩偏移等樣本增強(qiáng)方式進(jìn)一步提高樣本模型的多樣性和代表性。如在森林火災(zāi)災(zāi)中監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)基于紅外熱成像圖像的實(shí)時(shí)火點(diǎn)判識(shí)和火點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)，在紅外熱成像圖像中，火焰及火點(diǎn)的溫度顯著高于周?chē)帜緟^(qū)域，因此可以通過(guò)基于YOLO 或其它物體檢測(cè)深度網(wǎng)絡(luò)模型抽取火點(diǎn)在紅外熱成像圖像中的顏色、紋理、形狀等特征，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的火點(diǎn)判別、定位和火點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)。通過(guò)采集不同時(shí)間段的火場(chǎng)圖片，并比較多次火點(diǎn)判識(shí)的結(jié)果后，結(jié)合當(dāng)前的風(fēng)速、火場(chǎng)的地形特征，可以自動(dòng)進(jìn)行火情發(fā)展趨勢(shì)研判，輔助應(yīng)急管理人員進(jìn)行決策。

而針對(duì)洪澇災(zāi)害應(yīng)急管理中實(shí)時(shí)了解當(dāng)前洪水淹沒(méi)區(qū)域的需求，就要探尋實(shí)現(xiàn)洪水區(qū)域分割檢測(cè)功能。該功能基于編碼器-解碼器（Encoder-Decoder）的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，編碼器使用卷積層和池化層將輸入的原圖進(jìn)行特征提取，解碼器將抽取出的特征還原成原來(lái)的全局視野，實(shí)現(xiàn)像素級(jí)別的洪水水體語(yǔ)義分割，精確評(píng)估當(dāng)前洪災(zāi)的嚴(yán)重程度和影響范圍。針對(duì)洪水區(qū)域語(yǔ)義分割標(biāo)注數(shù)據(jù)較難獲取的問(wèn)題，可以嘗試以下兩種方法解決：第一種方法使用標(biāo)注工具labelme，人工識(shí)別出樣本圖像中的洪水區(qū)域后，手工將洪水區(qū)域用labelme 框選出來(lái)。第二種方法將樣本圖像載入Photoshop，使用磁性套索或其它工具對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注圖色，然后將對(duì)應(yīng)的顏色映射為洪水區(qū)域。

針對(duì)森林火災(zāi)或城市火災(zāi)的災(zāi)后評(píng)估，首先通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝獲取受災(zāi)區(qū)域的高清正射圖片，然后根據(jù)相同區(qū)域?yàn)?zāi)前是否已有對(duì)應(yīng)的正射圖片采用兩種不同策略進(jìn)行受災(zāi)面積評(píng)估。如果已有災(zāi)前圖像，則將兩次不同時(shí)相采集到的圖像進(jìn)行比對(duì)，首先進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)，將相同位置的圖像對(duì)齊，然后利用孿生網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)。如果該受災(zāi)區(qū)域?yàn)?zāi)前尚未采集正射圖片，則根據(jù)過(guò)火區(qū)域在顏色等外觀特征，對(duì)受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別。