地质灾害监测预警虚拟仿真科普系统
贾 满 杨潇潇 武盼锋
中煤航测遥感集团有限公司
一、建设背景
陕西全省分为陕南、关中、陕北三部分，地貌类型山、川、塬、滩兼有，地质构造复杂，人类工程活动强烈，地质灾害隐患点多面广。全省地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂缝，是地质灾害较严重的省份之一。
根据陕西省自然资源厅、陕西省财政厅《关于编制地质灾害综合防治体系建设2019年度实施方案的通知》（陕自然资勘发〔2019〕9号），结合陕西省地质灾害防治工作实际情况与需求，为进一步提高地质灾害防治工作水平和成效，提高监测预警的有效性和准确性，本项目建设了利用虚拟现实（VR）及混合现实（MR）技术来进行地质灾害监测预警及科普的应用系统。
二、建设内容
1. 开发目标
项目由地质灾害监测预警虚拟仿真VR科普系统、IEM 中控系统和 MR 地质灾害监测预警应急辅助救援系统组成，总体内容围绕以上三个系统建设。
建设一套 MR全息地灾应急辅助救援系统，实现基于MR 技术的地质灾害监测预警，弥补现有监测预警手段的不足，使地质灾害监测数据直观展现易理解，提高预警的准确性和及时性。并在灾害发生时，及时采集现场灾害信息，提供决策依据，帮助应急救援指挥，使救援行动更精准有力的展开。
建设一套基于VR技术的地质灾害监测预警虚拟仿真科普教育系统，利用其新技术的吸引力，科普地灾管理监测人员，科普大众，提高监测人员及普通群众对地质灾害科普的认识。
建设一套IEM中控管理系统，从后台管理端对科普培训进行教学指挥与进度监控及综合评价，确保培训人员对于地质灾害的认知及正确避难有更深入的理解。
2. 开发内容
（1）MR 地质灾害监测预警应急辅助救援模拟系统建设
MR地质灾害监测预警应急辅助救援模拟系统包含两大业务流程与七大模块：两大业务流程为MR地质灾害监测预警模拟与MR应急辅助救援模拟组成；七大功能模块分别由混合现实地灾监测预警信息融合模拟功能模块、前端多样化监测数据采集模块、地质灾害多期数据比对展示模拟功能模块、应急响应会议模拟组建功能模块、地质灾害决策会商模拟指挥功能模块、多人虚拟会议场景模块、前端信息共享模拟功能模块。MR地质灾害监测预警应急辅助救援模拟系统如图1所示。
监测预警人员日常监测使用前端多样化数据采集模块进行灾点现场采集，实时上传至后台地质灾害系统。
通过地质灾害多期数据展示，构建空间图层地图，如图2所示。辅助监测人员对监测对同一灾点多期数据进行倾斜摄影三维数据分析，同时通过混合现实监测预警信息融合模块可对灾点三维数据进行测量。通过对地图显示模式进行切换，可对兴趣点进行采集和保存。
图 2 空间图层地图
当测量值超过灾点预定阈值时，监测人员可通过现有监测预警系统进行预警信息发布；使用混合现实地灾监测预警信息融合模块调取、检索、查看预警监测信息系统平台数据。辅助监测人员对现场状况查缺补漏，并接收地质灾害预警信息。
遇到问题时开启应急响应模块与专家联系，通过信息共享模块交流现场问题情况，获取专家指导意见。灾害发生时，使用地质灾害决策会商指挥功能模块、多人虚拟会议场景模块、多端参会模块等多个模块，邀请专家和地方领导参加应急指挥会议（见图3），迅速响应，快速分析决策。多端会议模块允许多参会人员加入会议；多人虚拟会议场景模块能够在全息会议室中生成虚拟人物形象和身份信息卡，明确参会人员身份。地质灾害决策会商指挥功能模块则能通过一线人员管理系统进行指挥，下达任务，同时地质灾害一线人员可以将现场的实时信息传送至系统中，这些信息将通过信息共享模块共享所有参会人员同步辅助决策。
（2）VR地质灾害监测预警科普教育系统建设利用VR虚拟现实技术，建立灾点场景虚拟化结合IP人物讲解、案例动态展示以及灾害逃生体验等场景式、浸润式宣传服务，构建虚实结合、场景生动、过程丰富的科普教育体验系统，全面提高地质灾害科普的现代化、科技化水平。针对滑坡、崩塌科普场景与泥石流科普场景进行深入科普学习，包括灾害介绍、前兆、预防、发生过程、灾害后果、预警实战演练等主要内容，如图4和图5所示。通过模拟还原真实灾害场景，利用VR 技术的代入感，在保证体验者安全的前提下身临其境，如图6～图 9所示。对滑坡、崩塌、泥石流灾害进行分析科普，由地质灾害监测预警系统提供相应数据信息，结合当地地质灾害类型，推广地灾科普相关知识，提升预警意识，减少地质灾害造成的损失。接入监测预警信息平台，读取灾点数据，在制作的灾点三维模型上显示灾点数据信息，使群众更直观立体地在三维模型上看到损害房屋、损毁道路、财产损失、潜在危害等情况。加强群众防灾意识，发挥主观能动性，更好地推进群测群防工作的进展。
（3）IEM 中控系统建设
教育教学管理系统具备课程管理、学生信息列表等功能，可以同时对VR滑坡地质灾害科普客户端与 VR泥石流地质灾害科普客户端进行同时管理，如图10所示。配合滑坡与泥石流系统进行教学辅助，同时对各级用户进培训，指导帮助各级用户快速掌握系统的使用。
3. 项目成果
（1）硬件成果
硬件成果包括科普教育专用内网一套；地质灾害科普教室（包含15台VR科普教育终端、4台MR 应急会议终端）。
（2）软件成果
软件成果包括VR+滑坡科普培训软件系统、VR+泥石流科普培训软件系统、IEM中控系统、MR地质灾害监测预警应急辅助救援模拟系统。
三、创新应用
1. 地灾应急辅助救援模拟系统创新应用
包括多样化监测数据采集、地灾多期数据展示、地灾监测预警信息融合、应急会议模拟、地灾决策会商应急模拟指挥、多人虚拟会议模拟、信息共享。
2. 虚拟现实监测预警科普教育系统创新应用
包括根据实际典型地灾环境制作虚拟现实场景、结合地灾特点制作科普内容、针对地灾种类制作预警逃生演练内容。
3.IEM中控管理系统创新应用
包括控制教学内容的选择和学习进度、查看学生的学习状态、根据学习状况进行评分以及各台设备间信息共享。
四、推广价值
MR地质灾害监测预警模拟技术是将现实与虚拟相结合。现实是地质灾害现场或隐患点当地或历史采集数据，虚拟则是通过新技术构建出的一系列数据，如支持实时信息采集的三维模型构建、摄像、摄影、录音等，现场辅助分析的空间测量、剖面绘图、三维建模等，完成多次采集信息，辅助工作人员得出灾害变化的情况，直观展示灾点三维数据，直观发现不稳定位置与变化区域，完成辅助地质灾害监测预警工作。
MR设备通过多人实时会议在灾害发生时，组建全息会议室邀请专家、地方领导参会，可以更方便地与远程专家共享前线监测人员看到的现实场景和全息影像数据，以及三维全息地质灾害点沙盘模型。在现场画面和沙盘模型上进行全息信息标注，以虚拟辅助现实场景的方式对现场情况进行多维立体化的展示，使远程专家能够更清晰更明白地了解现场状况，方便参会人员进行商议决策，从而更好地指导监测人员。
地质灾害是无法通过复现来实现科普教育的，其往往发生时间短，作用范围大，危险程度高，因而常规的科普教育方式无法真实充足地反映出其危害性。同时，受地质灾害威胁地区的总体而言经济相对落后。普通群众对较为直观、有冲击力的教育有更好的接受程度，反之则容易排斥轻视，留下隐患。因而，使用 VR 技术构建一个虚拟的地质灾害发生情景，让受教育人直接置身其中，对受教育人来说是学习成本低、学习效果好的方式，具有推广价值。
