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          新技术在火灾现场重现中的应用                    摘要：近年来,随着全球科学经济的快速发展，仪器设备和技术的不断更新，火灾现场重现在火灾调查中的应用也在不断深入和扩展虽说它不能取代笔录、照相、绘图等记录火灾现场的方法，但它是展示火灾现场形貌，分析研究火灾发生、蔓延以及相关人员活动等情况的重要手段火灾现场重现技术常用于火灾事故调查的案情研究、事故模拟、原因通报、工作汇报等场景，目前比较流行的火灾现场重现方法有：无人机倾斜摄影、三维扫描和三维绘图等技术方法关键词：火灾现场重现；火灾调查；无人机；三维扫描；三维绘图1 火灾现场无人机倾斜摄影重现1.1 倾科摄影技术1.1.1 倾斜摄影技术概述倾斜摄影技术（Oblique Photography Technique），是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项商新技术，该技术颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。

最后，借助三维建模软件结合高精度位置与姿态测量系统（Position and Orientation System，简称 POS）数据和地面全球定位实时动态（GPS-Real Time Kinematic,简称GPS-RTK）采集控制点数据等技术实现三维重建1.1.2 倾斜摄影技术特点倾斜摄影技术具有以下显著特点：①无人机飞行高度低，多角度相机未能够多方位、高覆盖获取地物顶面、侧面影像数据；②相邻影像间航向重叠度和旁向重叠度高，影像表达内容丰富；③少量的人工干预，自动化的影像匹配、建模，主要过程由计算机完成；④实体侧面纹理可见，传统的数字正射影像图主要获取实体的顶部纹理，而倾斜摄影技术能够同时映射侧面纹理；⑤综合成本低，无人机倾斜摄影测量技术在数据采集和三维模型生产方面具有更高的效率，借助飞行载体可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模，从而减少时间和人力成本1.2 无人机倾斜摄影设备与系统1.2.1 无人机在应急救援和测绘领域主要将无人机分为多旋翼和固定翼多旋翼无人机具有操作简单、可垂直起降和定点悬停等特点由于该类无人机对于起降场地要求不高，常应用于摄影和城市测绘等行业中固定翼无人机最为显著的特点是航时长和飞行速度快，可以进行长时间、大面积高空作业，作业效率较高。

因常规固定翼无人机对起降场地和飞行技能要求较高，为弥补其不足，将两类飞机的特点相结合开发出了如智能鸟 KC3400和成都纵横 CW-1C 等可以垂直起降的无人机1.2.2 倾斜相机目前，国内很多公司研发的倾斜云台，基本上都是由中心一个正射角度的相机，周围均匀分布几个具有一定倾斜角度的相机所构成其中，最为典型的就是五镜头倾斜云台，即采用一体化设计的五镜头倾斜相机，也有采用5个或更多分立的小相机组合可实现在工作状态下，中间相机光轴垂直于水平面，四个方向上分别分布一个光轴与水平面成 45°角的相机，同时对前、后、左、右、下五个角度进行摄影这就满足了在无人机一次飞行过程中，同时完成同地物或特征点三张以上不同角度影像的覆盖1.2.3 倾斜摄影自动建模技术与系统在无人机倾斜摄影数据后处理方面，国外软件的自动化程度较高，国内开展了很多积极有效的实线外国软件主要有:美国Pictometry公司推出Pictometry倾斜影像处理软件、法国Inforerra公司的像素工厂Pixelfactory、徕卡公司的LPS工作站，AeroMap公司的MultiVision系统、Intergraph公司的 DMC系统、Astrium公司Street Factory系统、法国Acute3D 公司的Smart3DCapture等软件，国内软件主要有:红鹏公司推出的无人机敏捷自动建模系统，超图软件公司的SeperMap GIS 7C软件、立得空间公司的Leador AMMS、武汉天际航公司的DP-Modeler以及武汉航天远景科技有限公司的DAT Matrix 等倾斜摄影测量软件。

1.2.4 倾斜摄影建模效果修补技术与系统在实际的建模中，受无人机等设备、大气环境及软件算法的影响，实际模型会有一定的畸变和错误，引起视觉误差和应用障碍主要的模型畸变及其原因有：（1）无人机姿态变化和颠簸影响影像重叠度、几何畸变等、造成模型凸包、破洞等；（2）大气环境噪声引起的模型飞面、凸包等；（3）不同时段光照引起的模型纹理不均勾、破洞等；（4）像主点落水而引起的水面缺失等；（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型边缘平滑等引起模型缺陷的原因多样复杂，这也是现阶段基于无人机倾斜摄影测量技术进行三维建模所面临的不可避免的问题，如何采用无人机倾斜摄影测量技术快速、高效构建三维模型并提高三维模型质量是亟待解决的问题通过分析三维模型建设现状和模型成果的缺陷可知，现阶段三维模型需要改进的方面有：（1）几何修复，对破洞进行修补，凸包抹平并还原，删除飞面等碎部；（2）细部整饰，重要地物和标志物的三维模型整饰或替换；（3）纹理修补，替换和修补不均匀纹理、清晰度不够的纹理等实际上，纹理映射和曲面平滑始终伴随着几何修复的过程，如何在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度，是目前亟待解决的问题之一。

常用修复软件有：3DMAX、Geogmagic、Meshmixer、PhetoMesh和RealityPaint、Smart3D、DPModeler等这些软件不仅可以对模型进行一些细微的修整，还可以对模型中部分区域进行曲面简化第三方修模软件的自身功能对修复效果影响较大但是，当模型的变形比较大时，对模型简单的修整无法满足要求，就需要对其进行局部重建1.3 无人机倾斜摄影技术在火灾现场重现的应用1.3.1 无人机倾斜摄影工作处理流程目前，主流倾斜摄影的后处理软件系统的数据处理是通过数据资料分析和预处理，排除资料先天缺陷，确保用于建模的数据和资料完整、格式正确总体技术路径：①将倾斜影像进行空中三角测量，获得所有影像的高精度外方位元素；②基于畸变校正后的倾斜影像和高精度的外方位元素通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云，构建城市3DTIN 模型；③根据 3DTIN 每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的夹角选择相对应地最佳纹理信息，实现纹理的自动关联；④输出并获得城市真三维模型成果1.3.2 无人机倾斜摄影在火灾现场的应用无人机倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果能直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果提供保证。

针对火灾现场，基于无人机倾斜摄影技术建立外围大范围的三维模型，三维模型采用实景贴图，则能够逼真地再现真实场景，且可对三维模型进行缩放、任意角度旋转和倾斜等操作，实现在实景三维模型中全方位全视角地浏览和漫游，完整重现和保留火灾现场信息，为火灾调查提供支撑在火灾调查应用方法主要有:1.3.2.1 宏观拍摄通过无人机升空对火灾现场总体情况进行拍摄记录，其影像可以辅助调查人员判断火灾范围和边界，进一步确定和缩小勘验调查范围无人机升空拍摄的过程中，一定要能拍摄到整个火灾现场的燃烧边界，除录像外，还要稳定悬停，在多角度进行拍摄，观察不同角度的燃烧变化1.3.2.2 局重点拍除记火现场情外，现行拍记来可以降低无人机飞行高度，拍摄更加清晰的画面，记录火灾现场及残制物的变形变色、厨塔、地出飞溅等局部燃烧变化情况1.3.2.3比对拍摄通过比较火灾前后的影像记录，比对火灾现场、燃烧物质燃烧的变化情况，进一步加深调查人员对火灾现场的认识，从而更加准确的进行分析判断比对拍摄，一般是通过百度地图、卫星地图原有资料截取火灾前的影像资料，然后在相同的位置、角度进行拍摄，获取最佳比对的效果1.3.2.4测量拍摄通过无人机的飞行高度、速度、地面的参照物尺寸，可以获取火灾现场面积、大小等有关测量信息，为火灾调查提供科学数据。

通过无人机倾斜摄影技术的应用，可进一步开展火灾事故深度调查、案例复盘、模拟演练等研究随着无人机和倾斜摄影技术的进一步发展和成熟，在消防工作中的应用必将越来越深入2 火灾现场三维扫描重现 2.1 三维扫描技术2.1.1 三维扫描技术概述三维扫描技术是应用光、机、电和计算机等技术对物体空间外形和结构及色彩进行扫播记录空间位置信息的技术，最早应用于机械产品设计的逆向工程随着技术水平的进步，三维扫描在记录物体乃至大场景信息方面快速、准确、易用等优势越加明显在地质渤查、考古、医疗检查、建筑设计、现场勘验等领域都有了广泛应用2.1.2 三维扫描技术分类三维扫描技术可分为两类:接触式扫描和非接触式扫描接触式扫描是在机械臂末端安装探头或传感器，使其与被测物体表面接触来获取物体表面的三维坐标信息最常用的接触式扫描是三坐标测量法，应用于产品设计、模具装备、齿轮测量、工装夹具、汽模配件、电子电器等精密测量三坐标测量普遍具有测量精度高的优点，但是也存在扫描速度慢、对使用环境要求高、被测物体体积有限制、仅采集坐标信息等缺点，因此限制了其在工业设计测量以外的应用非接触式扫描是采用光、声、磁等非接触介质来获取物体表面的三维坐标信息。

非接触式扫描又分为主动式扫描和被动式扫描常见的主动式扫描主要有:2.1.2.1 结构光扫描测量法，是将光栅连续投射到物体表面，摄像头同步采集图像，然后对图像进行计算，再利用相位稳步极线获取两幅图像上的三维空间坐标，从而实现对物体表面三维轮廓的测量结构光扫描还分线扫描和面扫描该方法具有测量精度较高、对使用要求较低的优点，但扫描操作距离有定限制2.1.2.2 三维激光扫描法，是通过主动发射激光和接受被测物表面反射的激光来实现信号从而进行测距在已知测量点空间坐标的情况下，就可得出每一个扫描点的空间坐标相较于结构光扫描测量法，三维激光扫描法具有扫描范围大、扫描距离远和对被测物光学特性要求低的特点，尤其适合大场景和户外扫描常见的被动式扫描主要为立体视觉测量法，是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（或多个）摄像头拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间的位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值该技术成本较低，但存在测量距离短、测量精度低的问题2.2 常见三维扫描设备可以应用到火灾调查的常用三维扫描设备有台式三维激光扫描仪和手持式三维扫描仪2.2.1 台式三维激光扫描仪台式三维激光扫描仪采用的是三维激光扫描技术，具有扫描半径大、快速、准确的特点，几种常见台式三维激光扫描仪。

首先，台式三维激光扫描仪扫描半径大，普遍最高能达到三百米以上，部分产品甚至能达到几千米，非常适用于大场景扫描；其次，扫描速度快，台式三维激光扫描仪具有360°自动全向扫描功能，单个测点扫描耗时通常只要几分钟，完成一个几百平方米的大场景扫描也只需 1~2小时；最后，可以完整准确记录数据，三维激光扫描仪可完整记录扫描场景中的大量信息同时虽然其扫描精度相对较低；一般能达到±lmm左右，但对于大场景的应用需求，这样的误差是可以接受的2.2.2 手持式三维扫描仪手持式三维扫描仪采用的是基于结构光的线扫描测量技术，具有便携易用、扫描精度高的特点，广泛应用于工业产品逆向工程设计、文物复制、工艺品设计、现场调查等多个领域，几种常见手持式三维扫描仪与台式扫描仪相比，手持式三维扫描仪重量较轻，一般在 1kg以内，方便携带使用方法简单，采用手持隔空“粉刷”的方式扫描后，即可通过配套软件快速整合和导出扫描内容；扫描精度也较高，至少能达到0.lmm但手持式三维扫。