李璇瓊，梁延龍

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

2020年1月，新型冠狀病毒肺炎在湖北爆發(fā)，并在全國(guó)迅速蔓延。得益于我國(guó)政府的快速應(yīng)對(duì)，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(tǒng)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用，北斗無(wú)人機(jī)向一線醫(yī)務(wù)人員運(yùn)送急需的醫(yī)療防疫物資，并可以根據(jù)規(guī)劃路線實(shí)現(xiàn)精確噴灑、巡檢、宣傳等防疫操作。由此可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)在應(yīng)急救援中可以發(fā)揮十分重要的作用。

我國(guó)是地震頻發(fā)國(guó)家，地震呈現(xiàn)范圍廣、頻度高、強(qiáng)度大和危害大的特性。近十年來(lái)，地震災(zāi)害對(duì)我國(guó)造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，在地震應(yīng)急救援過(guò)程中也出現(xiàn)了部分人員及救援物資調(diào)度混亂，應(yīng)急救援不及時(shí)的情況。因此提高地震應(yīng)急救援的效率，對(duì)保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全具有極為重要的意義。

GIS與無(wú)人機(jī)技術(shù)在地震行業(yè)及其他行業(yè)中的應(yīng)用研究已經(jīng)有很多先例。徐蘭聲等[1-2]提出基于GIS系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市震災(zāi)評(píng)估和救災(zāi)應(yīng)急中的應(yīng)用。左先旺等[3-5]提出無(wú)人機(jī)在災(zāi)情應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，開(kāi)辟地震應(yīng)急災(zāi)情獲取新途徑。綜合以上學(xué)者研究，單將GIS技術(shù)應(yīng)用于地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取災(zāi)情；僅利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行災(zāi)后應(yīng)急救援，無(wú)法合理安排救援路線，進(jìn)行物資調(diào)配。

本文將GIS與無(wú)人機(jī)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建地震應(yīng)急救援系統(tǒng)，可以快速獲取地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情信息，通過(guò)GIS分析和無(wú)人機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行人員搜救、救災(zāi)物資快速運(yùn)輸，由此可以有效提高地震應(yīng)急救援的效率，具有地震應(yīng)急救援的應(yīng)用價(jià)值。

1 GIS與無(wú)人機(jī)技術(shù)在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢(shì)

1.1 GIS技術(shù)在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢(shì)

GIS 是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟、 硬件的支持下，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)而建立的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)[6]。目前GIS已在測(cè)繪、城市規(guī)劃、水利、土木、環(huán)境保護(hù)、土地利用與規(guī)劃等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其在地震領(lǐng)域中的應(yīng)用包括地震分析、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、抗震、減災(zāi)、災(zāi)害預(yù)溯、輔助決策及應(yīng)急指揮等各個(gè)方面。由于地震災(zāi)害的每一個(gè)環(huán)節(jié)及過(guò)程均與地理位置密切相關(guān)，因此可基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)及空間數(shù)據(jù)庫(kù)，將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、減災(zāi)基礎(chǔ)信息加以管理，結(jié)合GIS空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析功能及子專題提供的數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)害的快速預(yù)測(cè)與輔助決策等[7-8]。

1.2 無(wú)人機(jī)技術(shù)在應(yīng)急救援中的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)作為一種飛行工具，具有體積小、輕盈、耐用、 機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。地震災(zāi)情發(fā)生后，應(yīng)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(zāi)害和生命線工程破壞情況。無(wú)人機(jī)在震后迅速進(jìn)入災(zāi)區(qū)航拍，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)指揮，實(shí)時(shí)傳回更清晰的圖像，全面、系統(tǒng)記錄震害特征。其成本低、易操縱、反應(yīng)快，對(duì)大面積區(qū)域震害調(diào)查效率更高。有了無(wú)人機(jī)，專家可在后方集中精力，快速評(píng)估震害災(zāi)情，因此具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。除航拍災(zāi)情以外，目前無(wú)人機(jī)技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)掛載多種載荷模塊，“變身”移動(dòng)的通信基站，同時(shí)具備災(zāi)后運(yùn)輸、投放物資等救援潛力。

2 基于GIS與無(wú)人機(jī)技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)和信息展示平臺(tái)的四層結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。

圖1 地震應(yīng)急救援系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

由圖 1可見(jiàn)本系統(tǒng)由以下主要部分構(gòu)成：

1）系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)平臺(tái)主要包括GIS平臺(tái)、飛控平臺(tái)、通信設(shè)備和操作系統(tǒng)。

2）數(shù)據(jù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)平臺(tái)主要包括：應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）應(yīng)用平臺(tái)。應(yīng)用平臺(tái)主要包括：地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情采集管理、地震應(yīng)急救援輔助決策、地震應(yīng)急救援信息展示和系統(tǒng)管理。

4）信息展示平臺(tái)。綜合考慮地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急情況和需求，以及數(shù)據(jù)的安全性，本系統(tǒng)采用C/S模式進(jìn)行展示。

5）數(shù)據(jù)更新維護(hù)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)和災(zāi)情數(shù)據(jù)由地震應(yīng)急救援系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃數(shù)據(jù)更新；對(duì)于由無(wú)人機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急人員采集并上報(bào)的更新數(shù)據(jù)，建立定期更新的機(jī)制，采用對(duì)數(shù)據(jù)審核，少更新，簡(jiǎn)單更新的方式，最大限度減少人機(jī)交互的操作難度；對(duì)于震時(shí)獲取的大量信息，系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定將其入庫(kù)，并且同步給現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急人員。

6）系統(tǒng)安全管理。本系統(tǒng)的安全設(shè)施包括軟硬件兩方面，除信賴硬件平臺(tái)提供的安全設(shè)施外，還提供軟件方面的系統(tǒng)安全考慮，如用戶權(quán)限、角色的劃分，系統(tǒng)日志記錄等。

2.2 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

由圖 2可見(jiàn)本系統(tǒng)由以下功能結(jié)構(gòu)組成：

圖2 地震應(yīng)急救援系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1）地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情采集管理。地震現(xiàn)場(chǎng)影像采集：地震發(fā)生后，地震應(yīng)急指揮中心派出無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)到達(dá)震區(qū)，按規(guī)劃航線獲取高清影像，并回傳地震應(yīng)急指揮中心，指揮部專家可以根據(jù)震區(qū)高清影像配合專業(yè)軟件分析震害情況。

地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情采集：地震發(fā)生后，地震應(yīng)急指揮中心派出無(wú)人機(jī)搭載紅外設(shè)備以及其他救援設(shè)備到達(dá)震區(qū)，通過(guò)紅外設(shè)備快速的從倒塌建筑物中搜尋生命，并將圖像實(shí)時(shí)傳回地震應(yīng)急指揮中心和地震現(xiàn)場(chǎng)搜救人員，幫助指揮中心和地震現(xiàn)場(chǎng)搜救人員對(duì)幸存者進(jìn)行快速施救。

2）地震應(yīng)急救援輔助決策。地震應(yīng)急救援需求分析：地震應(yīng)急指揮中心根據(jù)地震災(zāi)區(qū)的災(zāi)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(yī)護(hù)人員、防疫人員、醫(yī)療物資和生活物資。地震應(yīng)急救援需求分析業(yè)務(wù)流程如圖3所示。地震應(yīng)急救援需求表是地震應(yīng)急救援調(diào)度的基礎(chǔ)信息表，通過(guò)查詢或計(jì)算當(dāng)前地震下的受傷和需安置人數(shù)以及救援需求模型，自動(dòng)計(jì)算救援人員和物資需求數(shù)量，保存到地震應(yīng)急救援需求表，地震應(yīng)急指揮人員可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要對(duì)地震應(yīng)急救援需求表進(jìn)行變更。

圖3 地震應(yīng)急救援分析業(yè)務(wù)流程圖

地震應(yīng)急救援路徑分析：根據(jù)選擇救援地點(diǎn)，在地圖上顯示該救援點(diǎn)，分別查找該救援點(diǎn)最近的物資儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)和救援力量?jī)?chǔ)備點(diǎn)，并通過(guò)GIS路徑分析功能分析最佳路徑。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是Dijkstra算法，在最短路徑分析中，兩點(diǎn)之間的距離主要考慮實(shí)際距離和時(shí)間兩個(gè)因素，可以按照實(shí)際情況選擇不同的權(quán)重，得到所需的最短路徑。

地震應(yīng)急救援物資配送：輕量急需醫(yī)療或救援物資可以通過(guò)無(wú)人機(jī)快速配送至救災(zāi)點(diǎn)，救援力量和重量救援物資可以通過(guò)地面進(jìn)行配送。

3）地震應(yīng)急救援信息展示。地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情信息動(dòng)態(tài)展示：包括通過(guò)無(wú)人機(jī)采集的高清影像展示、紅外圖像動(dòng)態(tài)展示、救援點(diǎn)動(dòng)態(tài)展示。

無(wú)人機(jī)及人員動(dòng)態(tài)展示：系統(tǒng)展示包括無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)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(wú)人機(jī)技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)示意圖

地震應(yīng)急救援期間，救援設(shè)備和救援人員眾多，合理調(diào)度人員和物資可以提高救援效率。此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)設(shè)備和救援人員所在位置，通過(guò)直觀展示地震應(yīng)急期間的救援情況，可以方便地震應(yīng)急指揮中心進(jìn)行統(tǒng)一資源調(diào)度。

4）系統(tǒng)管理。地震應(yīng)急救援模型管理：主要是對(duì)地震應(yīng)急救援需求模型參數(shù)配置，以便對(duì)自動(dòng)計(jì)算的需求結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

無(wú)人機(jī)設(shè)備管理：包括無(wú)人機(jī)設(shè)備信息的添加、修改、刪除功能。

GIS參數(shù)配置：主要是對(duì)系統(tǒng)使用到的GIS分析模型參數(shù)進(jìn)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(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于GIS與無(wú)人機(jī)技術(shù)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為載體搭載高清攝像機(jī)、紅外設(shè)備和救援設(shè)備，借助GIS平臺(tái)的強(qiáng)大分析功能，實(shí)現(xiàn)了震區(qū)高清影像采集、震區(qū)災(zāi)情采集、救援物資配送等功能，提高了地震應(yīng)急救援的時(shí)效性。本系統(tǒng)下一步將結(jié)合我國(guó)在突發(fā)應(yīng)急救援和服務(wù)體系建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高地震應(yīng)急救援裝備及救援技術(shù)，加強(qiáng)多部門的協(xié)同合作，在實(shí)際場(chǎng)景中反復(fù)調(diào)試改進(jìn)，從而更好地實(shí)現(xiàn)地震應(yīng)急救援的輔助決策支持，提高地震應(yīng)急響應(yīng)速度、救援能力和決策指揮水平。