三维GIS与VR技术融合在人防领域应用与实现
一、三维GIS与VR技术发展现状
20世纪90年代后，由于三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立三维GIS成为可能，而“数字地球”对建立三维GIS也提出了更为迫切的要求。三维GIS依托XYZ地理空间框架，以形象、直观方式将现实世界映射于虚拟空间，以结构化、对象化形式组织管理虚拟空间内的目标实体，同时支持三维空间化分析与操作，已逐步成为数字地球、数字城市、智慧城市等建设中的关键技术。得益于Google Earth被广泛认知，尤其Google Earth Pro版免费向公众开放，三维GIS技术加速走入公众视野。与此同时，三维激光扫描、倾斜摄影测量等三维空间数据获取技术趋向成熟，极大保障了应用数据基础。近年来，随着WEBGL的发展，三维模型数据互联网化成为一大发展趋势；传统三维GIS的C/S架构桌面端软件，已然转向WebGIS，以及更加轻量级的移动APP，向着专业化、轻量化方向发展。另一方面，ESRI、SuperMap等都相继开展三维GIS与VR融合应研究，但VRGIS仍处于初级阶段，应用潜力有待进一步挖掘。VR技术利用计算机生成一种模拟现实的环境，构建出一个多源融合、交互的三维动态视景和实体行为的仿真系统，具备多感知性，用户在虚拟环境中有视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等感知能力，提供沉浸式体验。
二、三维GIS与VR技术在人防领域的应用需求
为要做好人民防空工作，借助先进信息化技术，亟须提升人防工程管理效率和提高人防应急响应速度。人防工程管理，业务涵盖工程构筑物主体、配套设备设施及其运行状态的监控和管理。人防构筑物主体、配套设备设施管理方面，鉴于人防工程属于地下构筑物，且设施设备配套涉及供电、通风、给排水、消防、通信，以及其他专用设施设备，结构繁杂，各种管线纵横交错，管理维护工作往往要求高、难度大。建筑信息模型，即Building Information Modeling（以下简称BIM）是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础，建立建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。BIM技术是一种数据化工具，通过建筑模型整合项目的各类相关信息，在项目策划、设计、建造、运行和维护的全生命周期中进行信息的共享和传递，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。全面科学地推进BIM技术在人防领域应用，不仅在人防工程建设中有效节省项目成本、缩短建设工期，降低返工、冲突和错误等项目风险；而且在人防工程管理中辅助熟识构筑物主体的各类构件和设施设备，降低运维难度，从而极大降低管理成本，提升管理效率。人防工程运行状态监控方面，设备设施运行状态有人防工程的通风状态、通风阀门工作状态、水箱储水量与水质、水井水质、电源接入信息、发电设备状态，还有电源输入输出的电压、电流和功率等；内部环境质量有人防工程内的温度、湿度、压差和氧气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等浓度；而安全防护则指人防内部与出入口视频监控、出入口人员入侵情况、内部人员进入数量与密度、工程内部渗水情况等。监控内容涉及类别较多，而且情况复杂，要求及时准确掌控数据情况，亟须采用物联网技术。
人防应急防灾响应提高方面，通常采用应急演练方式，来提升组织协调能力和发现应急工作薄弱环节。作为常规应急演练模式，实战演练虽能达到训练有素，提升效率目标，但往往存在情景单一、涉及领域有限，且耗时耗力评估困难等缺点；而传统的桌面演练，又过于程式化，按部就班，往往是围绕事先设计好的一个或几个虚拟场景，按照既定步骤开展模拟演习，带入感差，各类演练角色难于进入状态。VR技术具备交互性、沉浸感、想象力等特征，能够按照用户想象快速设置或改变演练场景的同时，在虚拟场景中给各类演练角色以沉浸感、交互式真实体验，从而达到“集约演练、实景参演、动态推演、精准评估”要求。
三、三维GIS与VR融合在人防应用中技术实现
三维GIS与VR技术在人防领域融合应用，以人防管理信息化视角，采用三维GIS平台软件，在电子地图、高清影像、城市模型等地理空间数据基础上，导入人防工程BIM数据，接入人防物联网监控数据，构建人防工程管理静态、动态信息一体化展示、管理、监测和控制窗口，并建立与VR多尺度联动信息适配机制，从而保障用户沉浸式体验同时，保障三维GIS、VR信息同步和及时交互。三维GIS具备无缝集成特点，而VR技术可加强具象性及交互功能，两者融合将大大提升BIM应用效果，具备渲染真实度提升、增强整个BIM模型展示效果、VR插件动作捕捉显示沉浸和显示分辨率提升等特点，能满足人防工程管理需求。
在人防工程管理应用功能上，为满足人防基本信息管理、内部环境监测、设备设施监控、安全防护预警、综合信息展示、实景交互体验等功能需求，实现三维GIS与VR在人防工程管理领域的融合应用，兼顾宏观、中观、微观等多尺度管理目标，设计融合技术路线如图1所示。
图1 融合技术路线城市三维地理场景搭建，主要指自然环境和气候环境。自然环境方面，采集基础地形数据、高清影像数据、地面高程模型、三维地物模型等，选择US-Globe软件搭建出人防工程外部城市仿真级场景，并配置阴晴雨雪气象、早中晚天候等；
人防工程单体模型建设，选择人防工程建设规划、设计、建造、运行等过程中使用的BIM建筑信息模型，通常包括工程建筑、结构和机电专业，相关单位在提交时模型格式转换为rvt格式。在融合应用中，三维GIS应用通过3DMAX软件转化为3DS格式，VR中则要求转换为FBX格式应用，实现人防工程内部仿真级场景建设，如图2所示：
图2 人防工程内部场景
图3 三维GIS与VR交互人防工程实时运行监测，定制7*24小时运行监测与预警服务，采用访问实时监测数据库和解析通讯交互字符信息等两种方式，获取人防工程实时监测数据，并自动化比对各业务预警阀值，若出现阀值情况则发送警报信息。
人防工程管理的三维GIS展示和VR沉浸体验，将人防工程单体模型，在US-Globe软件中通过大小、方位、方向调整与城市三维地理场景相融合，选择US-Globe SDK定制开发三维GIS展示系统和VR沉浸体验系统，实现地上下、室内外一体化实景管理和沉浸式交互巡检；
三维GIS与VR交互服务，建立多尺度联动信息适配机制，主要包括空间尺度上构建GIS地理坐标与VR局部坐标之间的转换和交互指令上两者之间空间、事件等信息的同步。定制7*24小时三维GIS与VR交互服务，实时同步、传递两者间的空间方位、姿态和指令等信息。三维GIS与VR交互，如图3所示：
四、总结与展望
人防信息化建设已然步入大数据阶段，“重硬轻软”状况极大转变，海量人防数据的获取、整合、存储、应用将是本阶段主要任务。三维GIS与VR技术在人防领域融合应用，不仅为人防大数据打造了一个多维可视窗口，同时也为其业务精细化监管提供了时空交互入口，尤其在应急演练方面深度应用潜力，都将产生极大的社会经济效益。本文中三维GIS与VR融合主要指逻辑交互层面，而人防工程单体BIM模型为满足三维GIS和VR系统调用，需转换并存储两个不同格式版本，不利于模型数据更新与同步，一定程度上限制了融合技术深层次应用，下一步将强化对BIM数据的直接兼容要求。
作者单位：第一作者：李莹 北京航天泰坦科技股份有限公司
通讯作者：邓奇 贵阳市人民防空指挥信息保障中心
杨先建 贵阳人防大数据应用工程技术研究中心
王威、贵慧宏 北京集思创源科技有限公司