创新多维数据要素X无人机视频融合技术提升威海市应急测绘保障能力
一、项目概述
威海市以丘陵多山地貌为主，山林茂密，森林山火、滑坡等自然灾害多发。自然灾害场景下的传统应急测绘方式以无人机摄影测量为主，测绘成果的生产需要大量的内业数据处理工作，对受灾现场情况的获取具有一定的滞后性，无法对灾害的具体发生地点进行实时定位并确定受灾范围。威海市有关单位在应急救灾工作实践中充分认识到该方面的空白，2023年数字威海建设领导小组办公室发布《2023年威海市“城市大脑”建设工作方案》，其中明确提出“利用实景三维与无人机实时视频融合应用平台，实现夜间火情侦察、火点定位、面积测量和力量部署等辅助决策功能。”据此，山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队（山东省第六地质矿产勘查院）联合威海市陆海统筹地质资源环境研究院开发了无人机视频实时融合技术，创新性地完成了无人机实时视频画面与实景三维数据的融合，实现了内场外场视频影像同步、森林山火火点与范围精准实时定位的功能，达到无人机+应急测绘服务的有机融合，为相关部门在应急场景下的可视化指挥提供平台支撑，有力提升了威海市应急测绘救助水平。
二、解决方案
1.架构设计
（1）系统架构
项目采用“四横两纵”的总体框架。“四横”分别为基础设施层、数据资源层、支撑平台层和业务应用层，“两纵”为安全保障体系和标准规范体系，详见下图1。
图1：总体架构图
基础设施层：是实现所有应用的基础，为功能的实现提供物理平台，主要包括天空地一体化传感设备、计算存储服务器、传输网络和其他设施。
数据资源层：包含基础信息数据、自然资源专业数据、森林火灾应急数据和物联网感知数据四大类数据，是上层业务建设的基础。
支撑平台层：采用国产化产品为应用系统各种服务功能的实现提供技术支撑工具，提供资源管理、资源应用、资源共享以及安全控制和系统管理等。
业务应用层：针对森林火灾监测预警评估管理，构建提供资源总览、基础工具、视频融合、查询定位、空间分析、灾情可视化、应急展示等模块，服务于森林火灾应急管理场景。
安全保障体系：是平台建设与运营的重要保障，主要包括物理安全、网络安全、系统安全、应用安全、数据安全、制度保障等六个部分；
标准规范体系：是威海市实时视频融合项目的重要支撑保障体系，主要包括项目总体标准、信息资源标准、应用标准和管理规范等等。
（2）系统设计
项目采用面向云计算的T-C-V软件结构，基于底层的虚拟化软硬件设备（V层）实现对所有软硬件资源的池化，屏蔽不同计算机、不同网络、不同存储设备等基础设施的异构特性，为上层应用提供统一高效的运行环境；在此基础上，结合云计算技术及地理信息的特性，建立海量地理信息数据、服务和资源管理与服务体系框架（C层）；最后，面向政府、企业、公众等信息的使用者提供访问的标准接口，搭建各类终端应用(T层)。T-C-V是保障GIS安全可控的基础。
2.系统功能
项目建设内容包括实景三维电子底图模块、无人机实时视频融合模块及自然灾害防治专题应用。具体功能模块如图2所示：
图2：系统功能架构
3.关键技术
无人机实时视频与实景三维融合技术模块总体分为三个部分，即视频流信息采集、实景三维场景构建和实时视频与场景融合。其中，视频采集模块主要内容为无人机及固定摄像设备的接入，依托流媒体服务中转平台，实现媒体流及设备参数、飞行姿态、航线轨迹信息的实时传输，并结合实际飞行状态，进行空间位置的插值计算。考虑到网络传输延迟，针对网络环境的不同做出网络延迟补偿。
在此基础上系统实现实景三维场景构建，以实现多维三维场景数据的融合和展示。具体而言，按照《全空间三维模型数据格式及服务接口规范》(M3D)标准，系统支持景观模型、倾斜摄影模型、BIM、激光点云等多源异构数据与服务的融合，以达到数据轻量化处理的目的，通过服务发布，最终实现三维数据的高效可视化展示；此外，通过接入威海市时空大数据平台已发布的3DTiles、M3D等实景三维服务，作为实景三维地理场景底图使用。
图3：系统关键技术模块
基于统一时空基准，最终完成视频流信息与三维场景的关联融合，利用视频投影和纹理映射等技术，实现实时视频与实景三维场景的融合与展示，详见图3。
4.数据要素利用方案
基础地理信息数据：结合项目的使用范围需求，收集威海市环翠区的基础地理信息数据，包括行政区划、交通、山峰、水系、居民地和其他数据，共计六类，并检查数据的完整性，作为系统基础数据使用。
实景三维数据：为了实现实景三维与无人机实时视频融合，收集环翠区（383平方千米）实景三维数据，对其进行切块等脱密技术手段处理。项目范围内主要收集0.15m精度的倾斜摄影测量模型，部分范围收集0.2m精度数据，根据需要选择三维数据切块，作为视频融合的基础数据使用。
防火资源专题数据：为了实现防火资源分布统计分析功能，收集防火资源专题数据，主要包括：防火检查站、防灭火队伍、视频监控设施、瞭望设施、物资储备库、水源地、防火通道、护林房卡口、行业主管部门以及防火宣传牌其他防火设施等。矢量化处理后，作为专题数据图层展示。
三、商业模式
1.市场需求
政策推动：随着国家对安全应急体系的重视程度不断提高，政府出台了一系列政策来支持应急服务产业的发展。例如，工业和信息化部、国家发展改革委等五部门联合印发的《安全应急装备重点领域发展行动计划(2023-2025年)》提出，力争到2025年，“安全应急装备重点领域产业规模超过1万亿元”。这样的政策导向为应急服务产品市场提供了广阔的发展空间。
社会安全意识提升：近年来，自然灾害、事故灾难等突发事件频发，社会各界对应急管理的重视程度显著提高。企业和机构越来越意识到应急管理的重要性，纷纷加强应急准备和应急演练。这种安全意识的提升直接推动了对应急服务产品的需求增长。
市场需求多元化：应急服务产品的市场需求具有多元化的特点。不同行业、不同领域对应急服务的需求各不相同。例如，政府部门需要专业的应急咨询和培训服务来提升应急管理水平；企业则需要定制化的应急演练和风险评估服务来保障生产安全；而个人用户则可能更关注家庭应急准备和自救互救技能的提升。这种多元化的需求为应急服务产品市场提供了丰富的发展机遇。
技术创新驱动：随着科技的进步和创新，应急服务产品也在不断升级和完善。智能化、信息化技术的应用使得应急服务产品更加高效、便捷和精准。例如，智慧应急管理平台可以实现对突发事件的实时监测和预警；虚拟现实技术可以用于应急演练和培训；大数据分析可以帮助企业更好地评估风险和制定应急预案。这些技术创新不仅提升了应急服务产品的质量和效率，也进一步激发了市场需求。
市场规模预测：应急服务产品市场的规模正在不断扩大，应急服务产品市场具有巨大的潜力和广阔的发展前景。
2.商业模式
政府采购：企业和政府合作，参与政府采购项目，为政府提供应急产品和服务，能够获得稳定的订单和收入来源，提高品牌形象，但是政府采购项目竞争激烈，需要不断提升产品质量和服务水平。
合作共建：企业和政府或者相关机构合作共建应急产业基地、研发中心等，共同推动应急产业的发展，能够整合资源、共享优势，提升应急产业的整体水平和竞争力，但是合作过程中可能面临协调难度大、利益分配不均等问题。
3.市场策略
（1）数据来源
政府公开数据：包括应急管理部、国家统计局等发布的自然灾害数据、应急装备需求数据等。
市场调研数据：通过专业市场调研机构获取应急装备行业的市场规模、增长趋势、消费者偏好等数据。
物联网数据：通过利用物联网设备，产生物联网数据，本项目主要包括无人机位置姿态和视频数据。
（2）数据要素利用模式
数据驱动的产品研发：基于用户需求和市场趋势数据，指导新产品的开发和旧产品的迭代升级。
精准营销策略：利用用户画像和行为数据，实现个性化营销和精准推送，提高营销效率和转化率。
风险评估与预警：结合自然灾害数据和历史应急案例，建立风险评估模型，为政府和企业提供预警服务。
（3）产品价格
成本加成定价法：根据产品成本、研发投入、市场竞争等因素，采用成本加成法确定产品价格。
市场导向定价法：结合市场需求和竞争对手定价情况，采用市场导向定价法，确保产品价格具有市场竞争力。
差异化定价策略：针对不同用户群体和应用场景，采用差异化定价策略，满足不同层次的客户需求。
（4）成本核算
直接成本：包括原材料成本、制造成本、人工成本等直接用于产品生产的费用。
间接成本：包括研发费用、销售费用、管理费用等间接支持产品生产和销售的费用。
成本核算方法：采用作业成本法或传统成本核算法，对各项费用进行合理分摊和归集，确保成本核算的准确性和可靠性。
（5）市场空间
市场规模：根据市场调研数据和政府报告，预计应急装备行业市场规模将持续增长，特别是随着自然灾害频发和应急救援能力建设的加强。
市场潜力：发展中国家对应急装备的需求日益增长，国际市场空间广阔。同时，随着技术进步和产业升级，应急装备行业将不断涌现新的增长点。
（6）推广渠道
线上渠道：利用电商平台、社交媒体、企业官网等线上渠道进行产品展示和推广，吸引潜在客户。
线下渠道：与经销商、代理商等建立合作关系，拓展线下销售渠道。同时，参加行业展会、技术交流会等活动，提升品牌知名度和影响力。
政府合作：积极与政府部门合作，参与政府采购项目，拓展政府市场。
（7）宣传方式
内容营销：通过撰写行业文章、发布技术白皮书等方式，提供有价值的内容，吸引目标客户关注。
案例分享：分享成功案例和客户反馈，展示产品优势和解决方案的实效性。
技术推广：通过召开技术推广会，推广平台功能，展示实战和演练效果以及平台适用性。
四、先进性
1.创新性
（1）技术方面
无人机实时姿态信息传输及解译：利用云中转平台，采用物联网MQTT5.0协议标准，实现无人机实时姿态信息的传递和解译，包括无人机在地心地固坐标系中（ECEF）的三维坐标、围绕XYZ坐标轴的姿态角等来确定视频融合投影位置。
优化视频融合流畅度：由于无人机姿态数据回传频率为2s/次，在视频投放融合的过程中会产生卡顿的情况，影响融合效果的观感体验。因此，系统通过采用动态插值的方式插入姿态数据，在一定程度上减少视频投放的顿挫感。
实时动态投放模式：无人机在挂载镜头变换俯仰角的情况下，系统根据相机航向角、俯仰角、翻滚角、高度等飞行参数信息，自动计算多边形投射范围，将实时画面投射至三维场景中，实现视频在三维地理场景中倾斜方向上的投影。
多机型接入：通过构建无人机数据中转云平台，实现位置姿态流和视频流通信协议，系统支持常见品牌机型接入，并支持实时画面投影到三维模型上。例如搭载夜视摄像头的科卫泰氢动力无人机，其续航可达3小时，与应急场景的需求更为匹配。
夜视能力：借助热红外镜头，系统支撑无人机夜间视频流的捕获和接入，并兼容使用系统融合分析功能，是对传统应急测绘保障工作的重要补充，有效拓展应急测绘服务保障能力，筑牢人民生命财产安全基石。
（2）产品方面
功能方面：为了解决了火点定位难、视频回传难等技术痛点，平台创新性地完成了无人机实时视频画面与实景三维数据的融合，实现了内场外场视频影像同步、森林山火火点与范围精准实时定位的功能。
无人机应用：无人机在应急服务中的应用日益广泛，无人机具备超视距作业能力，可以快速突入灾区，实时回传灾情信息，为救援决策提供重要依据。
（3）服务方面
数据共享：该平台服务各类应急部门，数据要素实现了一处处理，多处受用的机制，实现各个应急单位间数据的共享共用。
平台共用：通过分配相应的账号，各单位都可以使用平台，并查看允许查看的数据内容。
（4）机制方面
制定应急预案：根据可能发生的突发事件，制定相应的应急预案，明确应急响应流程、资源分配、通讯联络等内容。
设立应急管理机构：建立专门的应急管理机构，负责应急预案的制定、实施和监督，确保在突发事件发生时能够迅速启动应急预案。
强化培训与演练：定期组织员工进行应急培训和演练，提高员工对突发事件的应对能力和自我保护意识。
确保物资充足：根据可能发生的突发事件类型，储备足够的应急物资，如医疗用品、食品、水等，并定期检查与更新储备物资。
加强现场指挥与协调：在突发事件现场迅速成立应急指挥部，统一指挥协调各方行动，确保处置工作的有序进行。
2.需求相关性
对过去发生的数起森林山火应急事件中存在的火点定位难、视频回传难等技术痛点，创新性地完成了无人机实时视频画面与实景三维数据的融合，实现了内场外场视频影像同步、森林山火火点与范围精准实时定位的功能，达到无人机+应急测绘服务的有机融合，为应急场景下的可视化指挥提供平台支撑，有力提升了威海市应急测绘救助水平。
3.数据要素相关性
空间数据：数据是系统最重要的资源，系统开发了对二维专题数据、
二维防火资源数据、三维模型数据及地理空间数据发布和管理功能，便于数据更新和扩增，为系统精准分析和科学研判提供强有力的数据支撑。
无人机数据：系统开发无人机数据流中转云平台，利用RTMP和MQTT
通信协议，完成无人机视频拉流推流和姿态位置数据解析，实现视频流实时查看和在三维模型上的精准定位，还支持视频流回放，便于进行灾中火势对照和灾后复盘工作。
无人机动态数据：系统基于开环几何变换方法完成无人机画面的空间姿态模拟，使用Cesium库将转换后的画面实时准确地绘制在实景三维模型上，等比例模拟现实中灾情的实时动态。系统借助三维量测分析等基础功能，实现了火场火点标注、火线测量、防火资源统计分析、路径分析等实用功能。
防火资源专题数据：将二维的行政区划、路网等基础地理信息数据和防火卡口、防灭火队伍等防火资源专题数据叠加展示在实景三维模型上，操作人员可以完成指定范围内要素数量的统计并将分布情况通过可视化图表展示。
路网数据：系统基于接入的威海市框架路网数据，操作人员可以方便快捷地设置起点、终点和途经点以完成任意两点间最优路径分析，并将最优线路以动态高亮形式显示，为应急状态下救援救灾路线规划提供参考。
五、实效性
1.实用价值
对过去发生的数起森林山火应急事件中存在的火点定位难、视频回传难等技术痛点，创新性地完成了无人机实时视频画面与实景三维数据的融合，实现了内场外场视频影像同步、森林山火火点与范围精准实时定位的功能，达到无人机+应急测绘服务的有机融合，为应急场景下的可视化指挥提供平台支撑，有力提升了威海市应急测绘救助水平。
在威海市多次实战中，平台应用良好，为应急场景面积两侧、工作复盘提供了平台支撑。
2.决策成效
平台收集了实景三维数据、各类防火专题资源数据、行政区划数据、路网数据、地名地址数据等，为应急场景下，多类数据叠加分析，相关性分析、路径分析等功能提供了基础数据支撑，平台各分析功能可以通过平台可视化界面实现，以应急场景“一张图”的形式展示，为领导决策提供平台支撑。
3.服务成效
该平台收集的数据要素及平台分析功能可应用于应急管理、林业巡检、消防救援等方面。
威海市应急管理局：该项目可有效辅助威海市应急救援工作，在威海市应急救援工作中表现出了巨大的应用潜力。目前，威海市应急管理局已在威海市应急救援体系中对其技术成果进行了应用推广，为威海市森林防火、地质灾害等应急保障提供精准数字化支撑。
威海市自然资源和规划局：该项目研发了现场可视化传输模块、三维模型展示模块，将部门防火资源专题数据同实景三维数据融合，统筹管理威海市防火资源，基本解决了火灾现场“火在哪”“人在哪”的问题，全面提升火灾现场可视化指挥能力。
威海市消防救援支队：该项技术可有效辅助消防救援工作，实现森林火灾的快速精确实时定位，表现出了巨大应用潜力。目前，威海市消防救援支队已在消防应急救援指挥车上完成了该系统的部署，并进行了多次实战演练，测试效果良好。
4.协同能力
平台汇集了威海市林业局防火专题数据、威海市自然资源和规划局基础框架数据和实景三维数据，推动了威海市的自然资源数据整合。项目成果主动与威海市信息资源共享交换平台对接，按照市信息资源共享交换平台提供的统一技术规范和接口，实现该项目成果实时归集到市信息资源共享交换平台，为威海全市提供成果共享共用。
对于应急场景下突发事件，提前制定应对方案，消防、林业、应急等部门建立工作群，实现森林山火发生后，基于平台分析等功能，线上制定应对方案，远程指导实施，把山火危害降到最低。
六、示范性
1.市场潜力
本平台基于二三维数据、无人机姿态位置和画面数据，实现视频画面和三维模型的融合，基于防火资源专题数据和框架数据实现数据叠加分析和缓冲区分析，基于路网实现路径分析，基于地图服务实现应急场景长度、坡度、面积等量测功能，基于回放视频实现复盘分析。
对于应急、消防等部门，需求迫切。平台提供的三维可视化模型，能够反映出应急场景地形地貌情况，以及周边防火资源、路网分布情况，可实现类似于电子沙盘功能，在领导未到达应急现场之前，可以在平台进行模拟分析，提前制定方案，另外无人机实时画面也可以传输到内业平台，通过系统实现和三维模型的叠加，实时查看森林山火发展趋势。
2.行业示范性
平台具有可复制性。首先是平台，系统部署环境独立，在硬件支持的情况下，稍加改造就可以部署。其次是空间数据，各类数据具有相应的标准规范，各类数据要素按照平台要求格式都可入库、可视化展示和分析。最后是无人机数据，无人机融合平台是针对大疆开发的，所以只要具有搭载摄像头功能并且可将无人机姿态位置和视频数据推送至云平台即可。
平台涉及的数据要素包括实景三维数据、框架数据、防火专题数据和无人机实时视频和姿态位置数据，各类数据在平台中均为分析做支撑。三维数据可展示应急场景的地形地貌并实现和无人机实时画面的融合，基于融合画面对应急面积进行量测和标会分析。框架数据和专题数据可以叠加在三维模型上，实现二三维数据叠加分析，将分析结果通过图表的形式展示在平台上。
3.可持续发展性
实景三维应用场景繁多，就森林防火方面的应用，平台应用就具有可持续性，因为山火突发点大多是陌生的山区，对地形地貌、路网不熟悉，就很难在应急场景下快速的、准确的做出判断，延误最佳应对时机，判断不准确的情况下，还会对现场营救人员造成不必要的伤害。平台提供三维可视化功能，不需要进入危险区，就可以对应急范围内的地形地貌一目了然，可以对模型进行缩放、旋转、拖拽等操作，同时可以叠加二维数据进行场景分析，融合无人机画面进行量测分析，为领导决策提供可视化一张图，同时这也是所有森林山火等应急部门的迫切需求。平台的可持续性如下：
整合多方数据，实现数据共享共用：系统汇集了威海市林业局防火专题数据、威海市自然资源和规划局基础框架数据和实景三维数据，推动了威海市的自然资源数据整合。项目成果主动与威海市信息资源共享交换平台对接，按照市信息资源共享交换平台提供的统一技术规范和接口，实现该项目成果实时归集到市信息资源共享交换平台，为威海全市提供成果共享共用。
视频融合参数预配置，提高实操效率：通过对无人机实时视频融合参数预配置，可以提高实操工作效率，减少实际应用中参数调试时间。系统对于不同型号无人机，预先设置俯仰角、翻转角等参数，在演示和实操过程中，可以直接加载相应参数，实现视频图像直接精准的投影在实景三维模型上。
系统模块化封装，可移植性强：系统可作为单独的模块，嵌入其他平台。威海市时空大数据平台作为全市智慧城市建设的数据基础、服务基础，为全市智慧城市应用场景建设提供二三维一体的地理空间数据成果，形成全市统一的三维立体时空底座，为系统的应用提供了数据支撑，同时也拓展了时空大数据平台应用场景。另外考虑到系统对数据传输的时效性要求比较高，系统可以部署在通讯车上，实现数据的实时传输、解译，提高视频流和姿态流数据获取速度，优化图像投影流畅度。