三維實景建模警務指揮系統及其應用

王 斌，王雷光

1. 中國人民警察大學 維和警察培訓中心，河北 廊坊 065000；2. 鄭州市公安局特殊警務支隊，河南 鄭州 450000

一、引言

隨著社會治安形勢的發展，公安工作面臨著嚴峻挑戰。全面提升公安機關治安管理效率和管理水平，建立統一開放的公安警務綜合系統為社會治安管理工作提供技術支撐成為亟待解決的問題。在此背景下，“十一五”期間，公安部研發、建設了全國警用地理信息系統（PGIS，Police Geographic Information System）平臺。該平臺是以公安信息網絡為基礎，以警用電子地圖為核心，以地理信息技術為支撐，以服務于公安業務管理、信息共享和決策支持的可視化為目標的重要信息化基礎設施和重要的基礎性、綜合性應用支撐平臺，有效解決了全國警用地理信息系統建設的關鍵技術和系統互聯問題，最大限度支持各級公安機關快速、有效地應用部署和定制開發，提高了公安機關的建設和管理水平。目前，全國32個省級公安廳（局）和近290個地市公安機關均已廣泛采用公安部統一研發的PGIS 平臺。在公安機關的日常執勤執法過程中，60%的警務業務與PGIS 平臺數據有關聯，極大提高了公安機關維護社會治安的效率、水平和能力。

我國當前的PGIS 平臺基本能做到在電子地圖上疊加部分犯罪數據，形成簡單的二維犯罪電子地圖，稱為二維PGIS平臺。二維PGIS平臺能夠應對宏觀和簡單犯罪因子的情報研判。近年來，隨著物聯網、云計算、大數據、移動互聯等新技術、新概念不斷涌現，二維PGIS 平臺面臨著許多新的問題與挑戰。在軟件技術層面，二維PGIS 平臺升級速度跟不上當前技術和應用發展需求，在數據豐富程度、軟件功能、用戶體驗等方面與實景三維地圖存在較大差距；在運行環境及數據管理層面，由于各地警務云、移動警務、物聯網和警務大數據技術的快速發展，云環境支持及時空大數據管理技術對二維PGIS 平臺帶來新的挑戰和要求，導致其在技術架構、建設模式、支撐能力等方面不適應的問題逐漸凸顯，迫切需要進行整體性升級；在警務決策應用層面，在面對局部微觀層面的犯罪現場觀測、多因子犯罪預測和實時情報支援時，二維PGIS 平臺已經無法提供有效的決策支持，需要在3D 視角下多角度多維度犯罪現場的電子情報支援；在警力資源調度部署層面，二維PGIS平臺無法充分發揮情報信息引領作用，在實現基層警力扁平化一級指揮、管理和調度，解決基層警力信息支撐、警力資源動態部署等方面已經無法滿足越來越復雜的警務業務需求，迫切需要將二維PGIS 平臺升級為三維可視化指揮系統。

科學技術與警務的深度融合已成為現代公安工作的發展趨勢。同時，科學技術的進步極大地促進和推動了警務模式的轉型。伴隨著三維實景建模技術的發展以及警務工作信息化發展水平的逐步提高，以高分辨率實景三維地圖為基礎，結合物聯網、云計算、大數據等技術打造三維可視化警務指揮系統，可以彌補二維PGIS 的不足，滿足新形勢下警務實戰應用需求。因此，將三維實景建模技術應用于可視化警務指揮系統逐漸成為警務實戰化領域研究和應用的熱點。

目前，在將三維實景建模技術應用于可視化警務指揮系統方面，許多科研人員已經開展了大量研究。唐恬等研究了增強現實三維建模在警用地理信息平臺的應用［1］；呂從等分析了三維影像在警用GIS系統建設中的應用模式，介紹了三維影像處理、建庫、發布及應用流程［2］；李一琳等分析了歐美國家的警務GIS 系統在基層治理和犯罪預防等領域的應用模式和現狀，為國內警務GIS 系統建設提供參考［3］；張慶全等研究了二三維一體化技術在智慧警務GIS系統建設中的應用模式和方法，設計了系統總體框架和功能模塊［4］；佘金星等研究了警用GIS平臺下的仿三維電子地圖實現方法，并與不同廠商的電子地圖的實現方法進行對比分析［5］；魏瑞瑞設計了三維警務GIS 系統框架，實現了三維地圖展示、警情定位查詢、警情態勢分析、視頻接入和應急指揮決策等功能模塊［6］；秦靜研究了利用Sketchup 和Arc GIS 系列軟件構建中國人民公安大學警務戰術訓練街區的三維仿真系統［7］；康利剛研究了移動警務系統地形可視化的總體設計，并實現了移動警務系統上三維地形的快速建模以及動態顯示［8］。

在上述研究基礎上，本文首先深入分析三維實景建模警務指揮系統的構成及其優勢，然后詳細探討三維實景建模警務指揮系統在實際警務工作中的應用，最后展望三維實景建模警務指揮系統的發展方向。

二、三維實景建模技術及其實現方法

（一）三維實景建模技術

三維實景建模就是利用具有一定重疊度的場景航拍照片，通過計算機建模軟件處理，還原真實場景空間模型的技術，即從單幅圖像或圖像序列中反求出物體三維模型的技術。顯然，三維實景建模過程是相機拍攝照片的逆過程。

雖然在一幅圖像中僅包含二維信息，但是這些二維信息卻蘊含著多幅圖像中共同物體的物理特征及所對應的幾何關系以及兩幅圖像中的視差關系。我們可以比較物體上的某一點在多幅圖像中的不同位置，據此來計算該點的三維幾何信息?？傊?，三維實景建模就是利用數字相機作為工具、綜合運用圖像處理技術和數學理論從二維圖像中提取目標對象的三維空間信息，最終實現目標對象的三維重建。

三維實景建模技術具有諸多優勢。如：通過科學的拍攝方法快速采集目標對象的二維圖像信息，然后進行數據處理，就可以很快建立目標對象的三維模型；同時，該技術對目標對象的形狀、狀態和尺寸沒有要求和限制；在目標對象的二維圖像信息采集階段，對拍攝人員和拍攝設備沒有特殊要求，只需要普通的數碼相機就可以完成拍攝，如果目標對象為大地形或者大體積建筑物，可以利用無人機完成數據采集。這些特點決定了三維實景建模技術可適用于眾多行業。

（二）三維實景建模的實現方法

根據三維模型的精細化程度和原始數據來源的不同，三維實景建模的實現方法可以分為空中三維建模、近景三維建模和空地一體化三維建模［9］。

1. 空中三維建模

空中三維建模是指利用無人機傾斜攝影測量獲取多角度具備一定影像重疊度的數據，恢復影像空間姿態，再利用Context Capture 軟件建立空間地理信息三維實景模型［10］。該建模方法改變了傳統無人機攝影測量只從一個垂直角度獲取數據并以DOM 輸出的形式，具有作業效率高和速度快的特點，其成果廣泛應用于不動產、智慧城市等建設中［11］。

2. 近景三維建模

近景三維建模是指對距離較近的目標物進行攝影，再通過對獲取圖像進行一系列處理，從而還原目標物的形狀、大小及位置［12］。該建模方法更適合于局部精細化方面，多應用于古建筑修復、三維景觀和公路勘測設計等方面，在大規模城市建設中應用較少。

3. 空地一體化三維建模

空地一體化三維建模是利用無人機平臺搭載傾斜攝影相機、激光掃描儀等傳感器進行數據采集［13］。其特點是融合多源數據，速度快、效率高［14］，被廣泛應用于大范圍城市三維模型快速重建［15］。

三、三維實景建模警務指揮系統

（一）三維實景建模警務指揮系統的構成

三維實景建模警務指揮系統由感知層、認知層和決策層組成，如圖1 所示。感知層、認知層和決策層依次發揮物聯感知、專業研判、輔助決策的作用。在各層之間，信息是雙向流動、相互適應和自成體系的，既構成警務信息的初始感知、專業整合、深度分析的應用體系，也形成決策實效反饋、警務邏輯優化、感知手段調整的革新體系，輔以信息安全、運行保障等基礎支撐體系，使三維實景建模服務于警務實戰更加科學化、體系化和專業化。

圖1 三維實景建模警務指揮系統

1. 感知層

感知層為認知層、決策層提供基礎數據支撐，用于警務信息的初始識別和批量獲取，一般由基本的感應器件和相關網絡組成，通過直接建設和關聯接入，使信息收集覆蓋范圍最大化。其主要包含遙感衛星影像、三維地形生成、BIM 建模、傾斜攝影、航空Lidar、3DSLAM 激光點云、物聯網實時數據接入、模型數據增量更新、視頻監控數據接入、警務大數據接入、數據清洗篩選等內容。

2. 認知層

認知層為決策層提供警用專題數據支撐，用于警務信息的規則分類和初始分析，一般由信息分類體系和特定數據模型組成，通過分類整合和警務規則分析，使初始信息整合為警務數據模型。其主要包含警用時空云平臺、云服務管理平臺，以及空間地理信息數據庫、三維實景模型數據庫、警用業務專題數據庫、警用大數據分析數據庫等。

3. 決策層

決策層為警務工作決策提供綜合性的決策參考，用于警務信息的深度研判和輔助決策，一般由警種策略和事件策略模型組成，通過對認知層數據模型的綜合性、專業性、特定性分析，使警務數據轉換為綜合性的決策建議。其主要包含人口、治安、刑偵等警種專業模型，以及三維可視化、圖層管理、GIS空間分析等特定事件模型。

（二）三維實景建模警務指揮系統的優勢

以高分辨率實景三維地圖為基礎，結合物聯網、云計算、大數據等技術構建的三維實景建模警務指揮系統，具有全要素、可視化的特點，包含所要測量目標地物信息和與之相關的各種自然、社會信息，為空間展示提供了更加豐富、逼真的平臺。其可以實現建筑物周邊及內部結構360°的立體實景展現，能夠在事前預警、事中指揮、事后分析中發揮重要支撐作用，為警務決策人員的現場處置和決策提供遠程的、實景可視化的重要參考和依據。當出現突發情況時，警務決策人員可第一時間身臨其境地作出決策指揮，進而彌補二維PGIS 存在的不足，極大滿足新形勢下警務實戰的應用需求。

四、三維實景建模警務指揮系統的應用

由于三維實景建模的突出優勢，使得三維實景建模警務指揮系統能夠為應急處置、方案制定、現場指揮等警務工作開展提供輔助工具和技術支撐，在實際警務工作中得到廣泛應用。

（一）三維實景建模警務指揮系統的應用領域

1. 重點目標基礎信息呈現

對重點目標建筑物的周邊環境、內部結構等數據進行采集，分別以空中三維、室內三維的形式進行全面呈現。各個地物的名稱、屬性、地理坐標等信息在三維影像上一目了然，并且可隨意對相關地物的各種信息進行修改和儲存，實現對整個轄區的總體把控。

2. 預案推演

利用三維實景建模警務指揮系統，可實現基于“一張圖”可視化指揮模式的預案推演。一方面，定制警用三維模型標繪庫，研發三維方案預案與推演功能，可將事件、人員、交通工具、基本標記、物品與設施在地圖上進行標繪?？梢詫⑦x中的圖標在地圖上進行標注，標注后的圖標可360°視角查看，增強了系統的表現力。還可以為標注的圖標添加動作，如人員、交通工具可以按照標繪的軌跡進行移動。同時，能夠以事件的形式對標注的場景進行保存，也可以按照查詢條件對保存的事件進行查找，實現方案的預案管理、警力部署及突發事件的方案預案推演。針對公安機關重點關注的六類預案，提供流程化制作模板，使指揮決策可視化、協同處置快捷化、跨部門跨專業溝通高效化。另一方面，研發基于三維的人機交互應用功能，與指揮中心實際業務緊密結合，可為應急處置、預案制定、現場指揮等工作的開展提供輔助工具。

3. 大型活動安保

大型活動安保的防范級別要求很高，要求在活動正式開展之前不留死角、全面系統地排查各種安全隱患，不僅包括對中心場所的控制，還包括對周圍場所的了解，對周邊有隱患建筑予以關注和控制，以達到絕對安全［16］。三維實景建模警務指揮系統全面整合視頻監控、位置消息（GPS、北斗）、情報數據、勤務資源、警力警情、輿情輿論、票證數據等公安機關內外部信息資源，以提高動態化、信息化條件下的預防預警、動態管控、突發事件處置和現場指揮能力，實現警情實時上圖、視頻同步查看以及警力精準調度的可視化指揮，為大型活動順利舉行提供強有力的保障，極大提升大型活動的安保水平。

在活動正式開展之前，可對大型活動場地實施提前勘查并利用警務無人機進行三維建模，如使用精靈4RTK、大疆御二行業版、大疆M300Rtk、飛馬D2000 等警用無人機攜帶P1 鏡頭、五目鏡頭在活動區域及周邊進行拍攝和錄像，完成重點目標建筑物的周邊環境、內部結構等數據采集，并應用大疆智圖、天際航等建模軟件對現場地形進行三維實景建模并嵌入PGIS，分別以空中三維、室內三維的形式進行全面呈現。三維建模不僅可以全面呈現重點目標的基礎信息，而且各個地物的名稱、屬性、地理坐標等信息在三維影像上一目了然。然后，在實景三維模型的基礎上，可以對大型活動場地進行功能劃分和標識，如將活動場地的地面區域劃分為安?？刂茀^、警戒區和核心區，將活動場地的空中區域劃分為可安全飛行區域、應急降落區域、禁止飛行區域及電磁干擾區域等。同時，可精準設定人員活動區，推算合適的狙擊點，測算制高點，評估威脅程度，規劃合適的護送路線，規劃臨時的交通管制、警力部署等，從而形成一套周密部署、安全高效的行動預案。利用三維實景建模警務指揮系統可直觀精準地進行安保區域劃分和警力部署，同時結合接入的視頻、350 M 對講機等相關數據，能夠實時掌握現場狀況和警力執勤情況，真正實現“一圖指揮、掛圖作戰”。顯然，在大型活動安保工作中，三維實景建模警務指揮系統能夠比二維PGIS更好地發揮輔助指揮作用。

4. 實景三維與視頻融合監控

當前的公安視頻專網多采用傳統的分鏡頭工作模式，分鏡頭之間的關聯性較差。此外，現有的視頻監控難以在大場景中迅速定位，不利于直觀地觀察多個個體、多個區域、跨鏡頭的協同活動，從而導致無法給警務決策者提供更全局、更直觀的信息。利用實景三維和視頻融合的監控分析系統，結合先進的計算機視覺技術，可準確還原事發現場，能夠對在不同攝像頭中出現的人員進行有效檢測、跟蹤和關聯并快速甄別犯罪嫌疑人及車輛，從而大幅度減少刑偵人員查看視頻的時間，顯著提高案件的取證速度和偵破效率。通過輸入車牌號碼，在地圖上可看到該車輛經過的各路口時間、照片及行車軌跡，通過高空瞭望和路面高速攝像頭的視頻實景融合，能在重要路段實現實時視頻接力、車輛追蹤、室內精準定位。

5. 轄區網格化三維管理

通過將房屋不動產信息、住戶信息以及網格化信息接入三維實景建模警務指揮系統，可以實現人、地、房三要素的關聯以及房屋、人員的上圖管理和轄區網格化三維管理。在三維實景建模警務指揮系統中，通過以圖管房、以房管人、人房關聯，可以展現房屋與人員的三維空間位置關系，每一棟房屋、每一層、每一戶實際居住人員都可在圖層中立體可視，每個人的情況與公安大數據關聯。其能夠加強重點人口管控，全面強化重點人口、高危人群的管控工作，為推進實有人口管理奠定基礎，實現實有人口管理精準化、便捷化和智能化，為打造轄區平安穩定社會治安環境提供強有力保證。

6. 警力三維部署、警情三維呈現

將實景三維空間信息融入公安常規管理系統，可在三維模型上標注警力分布，在不同安保區域布置相應警力，明確安保責任單位，如安保沿線警力部署、制高點警力部署等。同時，可在三維模型上選定任意點進行視域分析，便于制高點安保人員（如狙擊手）觀察。臨時協防警力往往對于環境、現場不熟悉，掌握現場三維地圖后可快速地與鄰近警力互通警情，便于精準打擊違法犯罪行為。利用三維實景建模警務指揮系統，可實現公安警力、信息、資源、決策的三維可視化和信息共享，從而完成警力的三維部署和警情的三維呈現。

同時，在轄區網格化三維管理基礎上，三維實景建模警務指揮系統可顯示報警人及案件的相關信息，包括聯系方式、地點、案件類別等。在圖上點擊實時警情后，地圖自動定位警情所處位置，并同步展示周邊警力資源和前端感知設備分布情況，指揮中心第一時間就能掌握報警人位置及周邊警力資源，為決策指揮提供信息支撐，從而實現精準調度、快速處理，實現打擊犯罪的智能化和精準化。

7. 公安三維模型與消防救援聯動應用

隨著我國經濟建設的高速發展，城市高層建筑物火災、核生化災害、自然災害等突發災害事故頻繁發生。這些災害事故具有蔓延速度快、連鎖性強、破壞力大、事故殃及面多且廣、救援難度大等特點，極易造成重大經濟損失和較大政治影響，事關社會安定和經濟發展。在應急救援過程中，救援指揮人員為了能夠快速準確作出決策，首先需要全面了解發生事故災害的位置、地形、地貌等信息。但是，由于災害事故現場情況復雜多變，給救援力量在調度、指揮、部署、增援、跨區域大規模協同作戰等方面都提出嚴峻挑戰。通過無人機空中全景航拍，進一步收集完善災害事故相關區域空地影像數據，運用實景三維精細建模技術將災害事故現場制作成實景三維模型，對災害現場進行全面、客觀、快速的展示，并由此從信息整合、跨部門協同層面提出改進方向，可對提高災害事故的應急響應能力提供理論依據和決策支持［17］，為公安機關與消防救援部門聯動提供直觀、方便和迅速的數據保障。

（二）三維實景建模警務指揮系統的應用案例

鄭州市公安局在三維實景建模警務應用方面開展了大量的探索和研究。在第十一屆全國少數民族傳統體育運動會、河南省鄭州市新鄭軒轅黃帝故里拜祖大典、黃河迎賓館國家領導人安保等重大活動中，三維實景建模技術均發揮了重要作用。

鄭州市公安局三維實景建模警務應用最早開始于軒轅黃帝故里拜祖大典活動現場安保，三維實景建模警務指揮系統發揮了關鍵作用。其應用過程大致如下：

1. 形成實景三維地圖

在安保任務開展前，利用警用無人機在活動區域及周邊拍攝和錄像，并利用建模軟件經過高性能工作站對現場地形進行三維建模并嵌入PGIS。同時，對活動現場提前勘查和分區，確認可安全飛行區域、應急降落區域、禁止飛行區域及電磁干擾區域等；在三維圖上對活動區域和路線進行功能劃分和標識，精準設定人員活動區、疏散路線、應急通道、警力部署等。

2. 劃分區域，部署警力

根據三維模型，劃分安?？刂茀^、警戒區、核心區，對重點區域進行標注。在不同安保區域布置相應警力，明確安保責任單位，在三維模型上標注警力分布，同時在三維模型上選定任意點進行視域分析，便于制高點安保人員（如狙擊手）觀察。

3. 快速反應，及時應對

在三維模型上選定任意點，進行視域分析，輸入高度，即可開始三維視角瀏覽，在實景三維模型中部署安保力量，便于直觀靈活指揮，為指揮決策者提供空中視角地形圖。指揮決策者熟知警力分布，遇到突發情況，便于迅速處置應對?，F場三維地圖可以傳送到最小作戰單元，以便及時精準打擊。

五、三維實景建模警務指揮系統的發展方向

三維實景建模警務指揮系統的發展和應用是一項系統工程，不僅取決于公安機關的頂層設計，而且與基層警員的素質提升、技術裝備更新以及三維模型數據的融合運用都有密不可分的關系。為適應大數據條件下打造數據警務、智慧公安的迫切需求，伴隨著三維實景建模技術的不斷發展，三維實景建模警務指揮系統需要在以下方面得到進一步的發展和應用。

（一）將三維實景建模警務指揮系統轉化為實際戰斗力

為了推動三維實景建模警務指揮系統形成實際戰斗力，需要將實景三維模型與警務工作的實際需求緊密結合起來，進一步面向實戰、服務實戰、參與實戰，最大限度轉化為實際戰斗力。

（二）完善實景三維模型可視化警務應用

三維實景建模技術可視化應用作為一項地空聯合作戰的新型警務模式，協助公安機關解放了大量警力，節約了人力、財力以及物力資源，有效降低了公安機關內部管理成本，提高了公安機關的公共管理效率，也有利于整合信息資源，助力智慧城市建設。在未來的發展中，要不斷完善實景三維模型可視化警務應用，使得三維實景建模技術能夠適應公安機關警務實戰應用的需求，構建起綜合全要素、全感官的警用實戰查控體系和指揮系統，促進警務實戰信息化應用，極大提升公安機關的綜合指揮作戰能力。

（三）推進三維實景建模與大數據等新技術的深層次融合

在新一輪信息技術快速發展及廣泛應用的背景下，高新技術的快速發展和廣泛應用給警務工作帶來深刻變化，亟須將三維實景建模技術與物聯網、大數據、云計算、AI、可視化應用等技術進行深度融合，實現多源數據融合、可視分析等多種功能，為公安維穩、指揮決策、偵查監控、消防救援等警務工作提供智慧服務。