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测绘地理信息在应急测绘中的应用

2015-12-04 分享

近年来,各类突发事件不断增加,给国民经济造成巨大的损失。各类重大突发事件的应急处置,都需要利用测绘部门 提供的地图和地理信息,作为了解灾情和科学决策的重要载体和依据。政府部门在应急管理工作过程中对事发点的空间信息产生了强烈的需求,在测绘技术从数字化 向信息化不断发展的今天,测绘部门有能力、也有责任为各部门提供实时应急的测绘支撑和服务,满足突发事件应对的需求,提高政府各部门处置应急事件的针对性 和时效性。

党和国家领导人曾在2008年两院院士大会上的讲话中明确指出“要加快遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络通信技术的应用以及防灾减灾高技术成果转化和综合集成,建立国家综合减灾和风险管理信息共享平台,完善国家和地方灾情监测、预警、评估、应急救助指挥体系。”

在抗击汶川特大地震、玉树强烈地震、舟曲特大山洪泥石流等重大自然灾害和灾后重建中,测绘部门获取和制作的灾区影像图在应急部门了解灾情、指挥决策、抢险救灾及恢复重建工作中,发挥了不可替代的作用。

2015年6月1日,国务院批复了《全国基础测绘中民期规划纲要(2015—2030年)》,首次明确了应急测绘为测绘地理信息未来发展的三大 方向之一,应急测绘是国家突发事件应急救援体系的重要组成部分。按照“规划纲要”的要求,重点要总结好四川等地区的应急测绘服务保障经验。在此基础上,加 强应急测绘装备、应急测绘信息资源建设,建立健全应急测绘工作机制和部门间应急协作共享机制,强化信息互联互通,实现业务联网协同,全面提升应急测绘服务 保障能力。

一、应急测绘体系架构

应急测绘保障技术体系包括:数据获取、数据处理与信息服务三个主要部分。

数据获取:采用航天遥感、航空遥感以及外业数据采集等方式获取现场数据,通过移动监测车将数据传输回数据处理中心。

数据处理:采用遥感影像一体化测图系统、应急快速制图系统以及各种专业测绘软件的支撑下,将多种类、多来源、多格式的应急数据进行数据融合,形成应急测绘数据成果。

信息服务:将现有的各种数据以及应急测绘采集并处理生成的数据,通过地理信息平台发布地理信息服务,第一时间将应急专题数据提供给应急部门。

当发生突发事件时,承担应急任务的各部门根据职责分工迅速开展测绘应急保障工作,启动测绘应急预案。收集已有的测绘成果,利用绿色通道快速供图 给相关的应急部门。同时测绘应急队伍快速集结奔赴现场,获取测绘应急数据,并对数据进行处理与传输,通过快速制图技术制作应急专题图,为应急部门提供应急 专题图及测绘地理信息电子地图服务,详见图1。

测绘应急流程图

二、测绘应急保障关键技术

随着科技的进步,现代测绘地理信息技术在理论水平、精准程度、应用方向等方面都取得了极大发展,大幅提升了测绘应急保障水平。测绘应急保障的关键技术主要包括无人机数据采集、激光雷达数据采集、测绘应急数据快速处理、地理信息平台、虚拟现实技术等。

(一)天空地一体化数据快速采集

通过倾斜摄影技术、激光雷达等测绘遥感先进技术的相互配合,目前已经实现了无缝的天空地一体化应急测绘数据采集。

1.航天遥感数据采集。航天遥感主要通过航天飞机或卫星进行数据采集。

航摄飞机飞行高度为10公里左右,陆地卫星的卫星轨道高度达910公里左右,从而可及时获取大范围的信息。航天遥感数据采集有以下特点:一是速 度快、周期短。卫星能及时获取所经地区的最新数据,并对原有数据进行更新或根据新旧数据的变化进行动态监测,这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。 二是数据获取受条件限制少。在沙漠、沼泽、高山峻岭等自然条件极为恶劣的地方,采用不受地面条件限制的航天遥感技术,能够方便及时地获取各种宝贵资料。并 且根据不同的任务,利用不同波段对物体不同的穿透性,还可获取地物内部信息。例如,地面深层、水的下层、冰层下的水体、沙漠下面的地物特性等,微波波段还 可以全天候的工作。

2.航空遥感数据采集。航空遥感主要通过无人机或小型飞机低空进行数据采集。

低空遥感可实现数据实时传输,短时间内获取精确遥感图件,在第一时间了解现场详情,为灾害救助提供客观灾情数据及决策支持;为地面灾情解译提供丰富的数据源,辅助分析灾害严重程度及其空间分布。

无人机低空航拍具有灵活机动、高效快速、精细准确的特点,在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显的优势。

无人机及小型飞机通过搭载倾斜摄影系统,利用倾斜摄影测量,可以从多个角度完整地获取建筑物表面的纹理信息,可采集倾斜摄影实景三维模型。通过 搭载机载激光雷达以及配合航拍相机,可以获取具有影像真实感的高精度数字表面模型数据(DSM)和数字高程模型数据(DEM)。

3.地面单兵系统(如图2所示)。地面单兵系统主要由高清摄像机、通信系统、GPS定位系统组成。可以准确获取灾情位置(目前通过天津卫星定位 服务系统,定位精度可以达到0.3米),并可以通过通讯系统将现场实时视频与位置信息传回指挥中心,为指挥决策提供更详细的现场数据,便于现场指挥和营 救。

地面单兵

4.地面激光雷达数据采集。地面激光扫描雷达按照平台分为地面、车载、船载和手持等类型。地面激光雷达小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性 强,能在几分钟内对数据采集区域进行点云数据采集,建立详尽准确的三维立体影像,能提供准确的定量分析。同时,可以将机载激光雷达低空采集的点云数据与地 面采集的点云数据进行拼接融合,实现无缝的天地一体化点云数据采集,从而更加迅速地为测绘应急提供更加精确可靠的数据支持。

(二)测绘应急数据快速处理技术

测绘应急中获取的原始数据必须经过一定的加工处理,制作成便于识别应用的图件,才能在突发事件处置中发挥其重要作用。

测绘应急数据的快速处理,是在遥感影像一体化测图系统、应急快速制图系统以及各种专业测绘软件的支撑下,将多种类、多来源、多格式的应急数据进行数据融合,形成应急测绘数据成果。

1.遥感影像一体化测图系统通过利用摄影测量技术从序列影像中恢复物体位置、形状、大小及其他信息,可以快速处理获得空三加密成果、全景图、点云、三维模型和DEM/DOM等数据。其主要过程包括:正射校正、图像拼接、影像融合、色彩调节等。

2.应急快速制图系统则可以在利用现有数据成果的基础上,结合测绘应急中采集的数据,快速对采集数据中的关键地物进行数据提取,在编辑后与现有数据进行数据融合处理,最后通过快速注记、符号化与地图整饰得到应急图件。

(三)地理信息平台数据服务

以天津市地理公共服务平台为例。该平台是国家测绘地理信息局与天津市人民政府合作建设的数字天津地理空间框架项目的核心建设内容,整合了多年 度、多种类、多来源的地理信息资源。应急测绘中快速采集的现场数据,经过处理之后可以通过平台快速发布地图服务,并结合平台中的各种地理信息数据,真实体 现事件现场及周边情况。

通过平台对这些多源、多专题、多时态的数据进行联动分析、数据挖掘,可以得到更为详细准确的决策支持信息,便于科学部署救援力量、制定应急方案、辅助决策指挥。

平台中的数据主要包括:地形图数据、电子地图数据、地理实体数据、多年度航空影像数据、地名地址数据、三维精细模型数据和城市街景数据。

1.地形图数据。地形图数据是地理信息数据的最基础数据,包含最全的地理信息内容,广泛应用于规划、国土等一些专业用图部门的设计、施工等方面。在应对突发事件过程中,可以通过地形图了解事件点的详细地理信息。

2.电子地图数据。电子地图数据内容主要包括道路、兴趣点和重要地物等民众关心的信息,主要用于一些互联网和公众展示的系统使用。在应急中,可以通过电子地图数据,向民众发布灾情信息。

3.地理实体数据。地理实体数据,按地物性质进行了有效的分类分层,包括房屋、道路、水系等要素图层,包含大量的管理信息,如道路名称、房屋层数等,便于在应急指挥中分析事件点周边情况,进行决策部署。

4.航空影像数据。多年度的航空影像数据,该数据因直观性和易用性广泛应用于城市各行各业。天津地理公共服务平台中包含1985到2014年 13版覆盖天津全域的数据,可以很直观地展示天津发展的现状和历史的变迁。图3反映了文化中心2008、2010、2012三个年度的变化情况。在应急指 挥中,利用平台加载无人机采集的现场航空影像数据,可以直观地展现事件现场情况。

航空影像数据

5.地名地址数据。地名地址数据主要包括水系,陆地地形,行政区域及其他区域,居民点,具有地名意义的交通运输设施、水利、电力、电信设施、纪 念地、旅游胜地、建筑物、构筑物、单位等,其具体程度可以细化到每一栋楼的门洞。在应对突发事件过程中,其主要作用在于查询定位、准确定位事件发生地点。

6.三维精细模型数据。三维精细模型数据包括了建筑物、各种地面、地物、城市部件以及地下空间和综合管网的数据,具有精度高、可量算、可查询、可分析的特点。在应急指挥处置中使用三维数据,可以更直观反映事件区域的空间信息,提供辅助决策支持。

7.城市街景数据。城市街景数据是城市真实场景的展示,主要通过真实图片制作生成,真实感强。该数据可以进行360度环视,查看某处的实地情况。在应对突发事件中使用街景数据,更利于了解事件现场周边的实际情况。

(四)虚拟现实应急应用

虚拟现实技术也称灵境技术或人工环境,利用电脑模拟一个三维空间的虚拟世界,提供使用者视觉、听觉、触觉等感官的模拟,可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

通过结合测绘数据采集和测绘数据融合制作的“三维电子地图”,虚拟现实技术可用于应急情景设计以及日常应急演练和宣传培训。虚拟现实技术为应急 演练提供了一种全新的开展模式,将事故现场模拟到虚拟场景中去,在虚拟场景中人为制造各种事故情况,组织参演人员做出正确响应。这样的推演大大降低了投入 成本,又起到了演练与培训的作用。

虚拟现实系统具备事件模拟与分析的功能。在应急疏散模拟中,可以根据事件情况生成疏散路线图,模拟人员疏散。在水淹分析模拟中,可以根据降雨量的多少模拟城市水灾的淹没情况。

在应急指挥中,虚拟现实技术与其他技术集成,可以实现更多实用的功能,比如通过集成GPS以及室内定位系统,将救援人员的定位信息在虚拟现实场 景中进行显示,便于制定救援方案和指挥救援;通过集成物联网中的视频监控信息,可以在三维场景中调用查看实时视频信息,进一步了解现场实际情况。

三、测绘应急保障案例

测绘地理信息技术的采用大大提高了突发事件应急处置水平,各地政府都非常重视测绘应急保障的支撑作用,将其作为应急管理体系建设重要内容。

(一)河北省测绘应急保障——全面监测污染源头

河北省地理信息局装备了无人直升机及无人直升机监控车、测绘应急指挥车、单兵图传系统、动力三角翼飞机等众多的测绘应急装备,搭建了一整套测绘应急保障体系,其装备先进、齐全,大大提高了测绘应急服务能力。

河北省地理信息局与河北省应急办紧密联系,多次进行应急演练和提供测绘地理信息服务。在河北省突发环境污染事件中,河北省地理信息局利用卫星航 天遥感及无人机低空航测技术监测环境污染情况,将影像资料和地理坐标传回应急监测中心指挥部,为突发事件的指挥决策提供了有效的测绘地理信息保障服务。

(二)四川省测绘应急保障——确保抗震救灾援助

四川省已初步建成由国家地理信息应急监测移动平台与四川省测绘应急指挥中心构成的通过卫星传输实现互联互通的测绘应急保障体系。该测绘应急保障 体系基本实现“天地一体、机动高效、互联互通”三大特点:利用无人机低空遥感、影像快速处理系统,野外数据快速采集系统等,获取灾害现场基础地理信息资 料;应急监测移动平台能第一时间赶赴现场,实时获取现场视频信息和基础地理信息,并传输到指挥中心;应急监测移动平台与应急指挥中心之间,可利用卫星通讯 网络实现数据实时传输。同时,测绘应急指挥中心与省政府应急指挥中心及省各厅局应急中心之间,实现实时交互、数据共享。

四川省测绘应急保障体系在芦山地震抗震救灾工作中得到了检验,为相关应急部门提供了各种测绘地理信息服务,在道路抢通保通、抢险救援、灾情分析评估、次生灾害排查防治,灾后重建等工作中发挥了重要作用。

(三)天津市测绘应急保障

天津港“8.12”瑞海公司危险品仓库特别重大火灾爆炸事故发生后,天津市规划局立即组织测绘人员成立了应急测绘工作组,利用卫星遥感影像、无 人机航摄、GIS等技术开展数据获取和分析,提供应急测绘保障服务。8月13日,在第一时间向现场指挥部提供事故前周边地区影像图后,工作组组织旋翼无人 机航飞并制作了爆炸核心区域0.6平方公里0.08米高分辨率影像图。通过两期影像对比分析,清晰地显现出爆炸现场着火点位置、建筑物破坏、集装箱散落状 况等信息,及时准确为现场应急指挥提供科学依据。应急测绘工作组先后利用固定翼无人机、旋冀无人机完成44架次飞行任务,制作完成约30平方公里的事故区 及周边影像图,累计制作提供影像图、地形图等图件1707幅及相应GIS数据,及时提供给现场指挥人员及市应急指挥部门,为现场事故处置和救援工作提供了 准确的第一手资料,为现场指挥救援、灾害研判提供了及时、客观、有效的地理信息数据支撑。

天津市政府应急办与天津市规划局正在开展三维应急预案项目合作。以应急预案为核心,以无线传输与物联网技术为载体、三维GIS为支撑、以规划局 的海量地理信息数据为基础,开发具有三维可视化功能的多尺度三维智慧应急预案与演练系统。运用智慧城市建设的相关先进技术(虚拟现实、物联网、测绘地理信 息、卫星定位导航、BIM等技术)进一步提升应急管理工作科技支撑水平,建立一套包括应急预案设计、管理、三维虚拟演练、评价分析、辅助决策的三维智慧应 急管理系统,通过该体系和三维智慧应急管理系统可以实现突发事件的现场信息获取,并进行快速分析,辅助突发事件的处理和决策。这种预案描述了“何人在何时 何处作何种操作”等详尽步骤,在推演过程中系统自动给出各种统计及分析数据。解决目前应急处置工作中现场信息获取不及时、周边信息不掌握、现场决策与处理 等无据可依等问题,从而提升全市的应急保障服务水平,提升处置重大突发事件的能力,提高反应速度,降低突发事件损失。

四、总结与展望

测绘地理信息技术在应急工作中发挥的作用不可限量,现代测绘地理信息技术在理论水平、精准程度、应用方向等方面的进步和拓展大幅提升了测绘应急保障水平。

未来研究的重点方向包括突发情况下的数据采集及数据处理更新;虚拟现实应急情景设计;利用云平台技术搭建应急管理信息系统;以及将智慧城市与应 急相结合,利用物联网技术将各种传感器进行集成(视频、温度、浓度等),构建智慧应急应用,并通过大数据分析技术,将现有的地理信息数据与应急指挥平台相 结合,为应急管理提供更加准确可靠的决策支持信息。

作者简介

尹杰,天津市测绘院高级工程师。万远,天津市测绘院工程师。杨玉忠,天津市测绘院高级工程师。李礼,天津市政府应急管理办公室干部。

 
 
 
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