基于GIS与无人机技术的地震应急救援系统设计

李璇琼，梁延龙

（1.四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

2020年1月，新型冠状病毒肺炎在湖北爆发，并在全国迅速蔓延。得益于我国政府的快速应对，疫情逐渐得到控制。在抗击新冠状肺炎“疫情”中，基于北斗系统的无人机应急救援系统发挥了很大的作用，北斗无人机向一线医务人员运送急需的医疗防疫物资，并可以根据规划路线实现精确喷洒、巡检、宣传等防疫操作。由此可见，无人机技术在应急救援中可以发挥十分重要的作用。

我国是地震频发国家，地震呈现范围广、频度高、强度大和危害大的特性。近十年来，地震灾害对我国造成了大量的人员伤亡和经济损失，在地震应急救援过程中也出现了部分人员及救援物资调度混乱，应急救援不及时的情况。因此提高地震应急救援的效率，对保护生命财产安全具有极为重要的意义。

GIS与无人机技术在地震行业及其他行业中的应用研究已经有很多先例。徐兰声等[1-2]提出基于GIS系统及物联网技术在城市震灾评估和救灾应急中的应用。左先旺等[3-5]提出无人机在灾情应急响应系统中的应用，开辟地震应急灾情获取新途径。综合以上学者研究，单将GIS技术应用于地震灾害应急响应系统，无法实时获取灾情；仅利用无人机进行灾后应急救援，无法合理安排救援路线，进行物资调配。

本文将GIS与无人机技术相结合构建地震应急救援系统，可以快速获取地震现场灾情信息，通过GIS分析和无人机技术可以进行人员搜救、救灾物资快速运输，由此可以有效提高地震应急救援的效率，具有地震应急救援的应用价值。

1 GIS与无人机技术在应急救援中的优势

1.1 GIS技术在应急救援中的优势

GIS 是以地理空间数据库为基础，在计算机软、 硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立的计算机技术系统[6]。目前GIS已在测绘、城市规划、水利、土木、环境保护、土地利用与规划等众多领域得到了广泛的应用，其在地震领域中的应用包括地震分析、预测、预报、抗震、减灾、灾害预溯、辅助决策及应急指挥等各个方面。由于地震灾害的每一个环节及过程均与地理位置密切相关，因此可基于地理信息系统技术及空间数据库，将地质灾害预测、减灾基础信息加以管理，结合GIS空间分析、网络分析功能及子专题提供的数学模型，动态实现地震灾害的快速预测与辅助决策等[7-8]。

1.2 无人机技术在应急救援中的优势

无人机作为一种飞行工具，具有体积小、轻盈、耐用、 机动灵活的特点。地震灾情发生后，应急管理人员需要迅速获取人员伤亡情况、建筑物破坏情况、次生灾害和生命线工程破坏情况。无人机在震后迅速进入灾区航拍，可以远程实时指挥，实时传回更清晰的图像，全面、系统记录震害特征。其成本低、易操纵、反应快，对大面积区域震害调查效率更高。有了无人机，专家可在后方集中精力，快速评估震害灾情，因此具有独特优势。除航拍灾情以外，目前无人机技术还可实现挂载多种载荷模块，“变身”移动的通信基站，同时具备灾后运输、投放物资等救援潜力。

2 基于GIS与无人机技术的地震应急救援系统设计

2.1 总体设计

本系统采用系统平台、数据平台、应用平台和信息展示平台的四层结构，如图 1所示。

图1 地震应急救援系统总体架构图

由图 1可见本系统由以下主要部分构成：

1）系统平台。系统平台主要包括GIS平台、飞控平台、通信设备和操作系统。

2）数据平台。数据平台主要包括：应急救援数据库、空间数据库、灾情数据库、系统数据库。

3）应用平台。应用平台主要包括：地震现场灾情采集管理、地震应急救援辅助决策、地震应急救援信息展示和系统管理。

4）信息展示平台。综合考虑地震现场应急情况和需求，以及数据的安全性，本系统采用C/S模式进行展示。

5）数据更新维护。本系统在设计过程中，应急救援数据和灾情数据由地震应急救援系统统一规划数据更新；对于由无人机或现场应急人员采集并上报的更新数据，建立定期更新的机制，采用对数据审核，少更新，简单更新的方式，最大限度减少人机交互的操作难度；对于震时获取的大量信息，系统也会根据相应的规定将其入库，并且同步给现场应急人员。

6）系统安全管理。本系统的安全设施包括软硬件两方面，除信赖硬件平台提供的安全设施外，还提供软件方面的系统安全考虑，如用户权限、角色的划分，系统日志记录等。

2.2 功能设计

本系统功能结构如图 2所示。

由图 2可见本系统由以下功能结构组成：

图2 地震应急救援系统功能结构图

1）地震现场灾情采集管理。地震现场影像采集：地震发生后，地震应急指挥中心派出无人机搭载高清摄像机到达震区，按规划航线获取高清影像，并回传地震应急指挥中心，指挥部专家可以根据震区高清影像配合专业软件分析震害情况。

地震现场灾情采集：地震发生后，地震应急指挥中心派出无人机搭载红外设备以及其他救援设备到达震区，通过红外设备快速的从倒塌建筑物中搜寻生命，并将图像实时传回地震应急指挥中心和地震现场搜救人员，帮助指挥中心和地震现场搜救人员对幸存者进行快速施救。

2）地震应急救援辅助决策。地震应急救援需求分析：地震应急指挥中心根据地震灾区的灾情和救援需求模型估算各类救援力量和救援物资的最大需求量，救援力量和救援物资类型主要包括消防力量、医护人员、防疫人员、医疗物资和生活物资。地震应急救援需求分析业务流程如图3所示。地震应急救援需求表是地震应急救援调度的基础信息表，通过查询或计算当前地震下的受伤和需安置人数以及救援需求模型，自动计算救援人员和物资需求数量，保存到地震应急救援需求表，地震应急指挥人员可以根据现实需要对地震应急救援需求表进行变更。

图3 地震应急救援分析业务流程图

地震应急救援路径分析：根据选择救援地点，在地图上显示该救援点，分别查找该救援点最近的物资储备仓库和救援力量储备点，并通过GIS路径分析功能分析最佳路径。在本系统设计中采用的是Dijkstra算法，在最短路径分析中，两点之间的距离主要考虑实际距离和时间两个因素，可以按照实际情况选择不同的权重，得到所需的最短路径。

地震应急救援物资配送：轻量急需医疗或救援物资可以通过无人机快速配送至救灾点，救援力量和重量救援物资可以通过地面进行配送。

3）地震应急救援信息展示。地震现场灾情信息动态展示：包括通过无人机采集的高清影像展示、红外图像动态展示、救援点动态展示。

无人机及人员动态展示：系统展示包括无人机实时位置展示和救援人员位置展示，展示效果如图 4所示。

图4 基于GIS与无人机技术的地震应急救援系统示意图

地震应急救援期间，救援设备和救援人员众多，合理调度人员和物资可以提高救援效率。此系统可实时显示无人机设备和救援人员所在位置，通过直观展示地震应急期间的救援情况，可以方便地震应急指挥中心进行统一资源调度。

4）系统管理。地震应急救援模型管理：主要是对地震应急救援需求模型参数配置，以便对自动计算的需求结果进行调整。

无人机设备管理：包括无人机设备信息的添加、修改、删除功能。

GIS参数配置：主要是对系统使用到的GIS分析模型参数进行配置。

用户信息管理：用户信息包含用户名称、用户密码、用户描述、用户类型等。提供用户基本信息的增加、修改、删除等功能。

3 结 语

本文提出的基于GIS与无人机技术的地震应急救援系统以无人机为载体搭载高清摄像机、红外设备和救援设备，借助GIS平台的强大分析功能，实现了震区高清影像采集、震区灾情采集、救援物资配送等功能，提高了地震应急救援的时效性。本系统下一步将结合我国在突发应急救援和服务体系建设的经验，进一步提高地震应急救援装备及救援技术，加强多部门的协同合作，在实际场景中反复调试改进，从而更好地实现地震应急救援的辅助决策支持，提高地震应急响应速度、救援能力和决策指挥水平。