适用于消防巡检和移动执法的地图应用开发

林木棵

摘 要：结合消防管理的实际内容和遇到的问题，提出了一种适用于消防巡检和移动执法的地图应用。文中给出了地图应用的总体设计，并就地图应用开发过程中遇到的坐标转换、跨平台、聚合算法、重点单位自动预警等技术给出了解决方案，最后，以杨浦区为例，搭建了应用示例。

关键词：消防巡检 跨平台聚合算法 物联网坐标转换

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0252-03

做好社会消防管理工作、创造良好的消防安全环境是经济社会发展和人民安居乐业的基础和保障。如何运用最新的技术来服务消防管理工作，李晓刚[1]引入了物联网技术，提出了“消防物联网”，并设计实现了消防物联网系统架构和应用平台；罗明[2]基于百度地图API，实现了固定消防设施地理信息管理；陈能成[3]利用网络地理信息服务技术，结合智能无线传感器、RFID以及无线通讯等技术，实现消防设施智能巡检。

目前，消防管理涉及到的信息包括重点建筑、重点单位、消火栓、不可通车道路、街道办、派出所等。这些信息主要通过纸质手册、表格、地图等来记录，这种管理方式存在明显不足：（1）信息检索不方便；（2）信息更新不及时；（3）外出巡检不便携带。基于上述问题，该文结合地理信息和消防物联网技术，探索出一种适用于消防巡检和移动执法的地图应用。

1 总体设计

针对消防巡检和移动执法的工作需要，该文设计的地图应用（下文简称“该应用”）基于网页开发，可以运行在Windows、Android、IPhone等系统上。

该应用的设计包括3部分：数据层、事务层和表现层，见图1。

数据层：该系统涉及到的数据分为两大类：地图底图数据和消防专题数据。底图数据包括公开版天地图、2.5维地图等，用于消防人员了解周边情况；专题数据包括重点建筑、重点单位、消火栓、不可通车道路、街道办、派出所等，它们分布在底图之上，是消防人员关注的重心。

事务层：处理涉及到的消防事务，包括专题数据分布、专题数据更新、重点单位自动预警、移动执法路线规划、周边消火栓查询等。该层是整个应用的核心，是应用运行准确率和效率的保障。

表现层：将事务层的处理结果展现在底图上，包括专题数据分布、路线规划结果、存在严重隐患的重点单位分布等，同时需要处理不同浏览器表现的差异性，便于应用移植到消防部门常用的平台中。

2 关键技术

2.1 坐标转换

较传统的二维地图而言，三维地图拥有高程，且更加逼真美观。然而，三维地图数据量大，生产成本高，对客户端设备性能要求严格，不便于大规模推广。因此，我们选用了2.5维地图作为替代，一张2.5维地图即是一个方向的三维地图，多个方向的2.5维地图并可以近似于三维地图。

部分情况下，由于数据保密的原因，2.5維地图采用的坐标系是地方独立坐标系，而二维地图采用的都是WGS84坐标系，所以，在地图切换的过程中，涉及到坐标转换。地方独立坐标系与WGS84坐标系的相互转换可以用七参数算法[4]，七参数算法精度高，但是参数的计算较为麻烦。对于区域较小的情况，比如杨浦区，可以近似看成一个平面，在这个基础上，地方独立坐标系和WGS84坐标系相互转换可以用四参数算法或者仿射变换。对于网络地图来说，仿射变换更为简单实用，又能满足精度的要求。仿射变换参数的求解可以使用最小二乘法，对，其参数a，b，c计算公式：

坐标转换涉及到四组仿射变换，包括两组WGS84坐标到城市坐标的正向转换，和两组城市坐标到WGS84坐标的逆向转换。

2.2 跨平台实现

该应用为了方便在Windows、安卓、苹果等系统中无差异使用，采用HTML方式实现。目前，常用的基于HTML的API有ArcGIS API For JS、百度地图API、高德地图API、谷歌地图API等，因为消防执法的地图大多是借助ArcGIS制作和发布的，所以使用ArcGIS API For JS会方便很多。但是，ArcGIS API比较笨重，解压后的大小近100 M，在通过移动设备访问网页时，网页响应很慢，严重影响用户使用。

在兼顾功能和效率的情况下，Leaflet给我们提供了一个完美的解决方案[5-7]。Leaflet是一个为建设移动设备友好的互动地图，由Vladimir Agafonkin带领一个专业贡献者团队开发的现代的、开源的JavaScript库，代码仅有33 kB，但却具有开发人员开发在线地图的大部分功能。针对特殊的复杂应用，例如地图标注、数据聚合、投影变换等，Leaflet提供了相应的库，Leaflet扩展性极强，开发人员可根据自身需求进行扩展开发，适合消防执法应用的专题开发。

2.3 聚合算法

消防管理涉及到的消火栓（单指“室外消火栓”）量大且分布紧凑，例如杨浦区的消火栓有2 500多个，试想在地图全屏的情况下，将2 500多个消火栓密密麻麻地都显示在地图上是不切实际的，这时候就需要聚合算法。吕攀[8]提出了基于行政区划的聚合方式，戴凤娇[9]提出了基于视图矩形和标记点间距离的算法。按照行政区划逐级聚合显示是一种策略，但是无法处理最小行政级别下仍旧存在消火栓数目多且集中的情况。

该文对视图矩形算法进行了改进，提出了动态聚合算法。动态聚合的算法如下：

（1）查询当前地图显示区域的所有消火栓集。

（2）以鼠标点击处或地图中心处为聚合中心，聚合区域采用矩形，以设置的经验值为聚合区长宽，该经验值应为像素值，可根据显示终端设备改变而改变，并设置阈值。

（3）根据聚合中心、聚合边长和设备显示窗口（单位取像素）计算当前需要计算的所有聚合中心集，并按照与（2）中的聚合中心距离顺序排列。

（4）将（3）中的聚合中心集依次取出，根据聚合边长，计算消火栓集中在聚合区域内的数目，若该数目超过阈值，则在地图上显示聚合值，反之，则显示每个消火栓。对于在聚合区域内的消火栓，在运算后移出消火栓集。

（5）直到聚合中心集合为空或者消火栓集合为空时，聚合运算结束。

该聚类算法考虑了用户的视觉重心，又考虑了使用设备的分辨率的不同。算法的复杂度为o（n），在应对大数据量的情况下较有优势。

2.4 重点单位自动预警

重点单位是社会单位消防安全中的重要单元，由于我国的消防警力有限，因此对重点单位消防安全进行评估和预警，显得尤为必要。

自动预警包含两部分内容：评估模型选择和消防数据获取。评估模型可以使用Delphi专家打分法，对指标进行打分，应用层次分析法和相关数学手段计算各指标的权重，并根据实际情况，制定各指标的打分标准和风险分级标准[10]。消防数据与评估模型相关，该文采用的Delphi专家打分法需要获取建筑物特征因子、危险源因子、消防设施因子、疏散因子、管理因子数据。消防数据的获取可以使用物联网技术，使用传感器监测可燃物、消防设施温湿度等重要数据并实时传送到数据库中。根据消防数据和评估模型，计算各重点单位的安全级别，对有中等、较高、极高风险的单位在地图上高亮显示，对较高和极高风险的单位及时短信通知管理员，以便管理员去实地进行检查和整改。借助物联网基数，该应用可以实时监测各重点单位的安全情况。

3 系统示例

以杨浦区为例，作者搭建了一个应用示例。示例中的底图数据包括2.5维地图和天地图，均以ArcGIS瓦片地图服务的方式发布，使用Leaflet进行调用显示。示例使用HTML5技术，可运行在Android、IPhone或Windows设备上，并可嵌入到第三方办公组件中，方便用户使用。示例中的仿射变换参数，从WGS84到城市坐标：（110875.69，51.53，-3469512.8；-59.24，95200.30，-11561855.4）；从城市坐标到WGS84：（9.01911E-6，-4.88223E-9，31.2355；5.611887E-9，1.050416E-5，121.46711），這套变换参数精度可达1 m，可以满足网络地图应用。见图2、图3。

4 结语

该文结合消防管理的内容和遇到的困难，利用地理信息技术和消防物联网技术，提出一种基于Leaflet的消防巡检和移动执法的地图应用，给出了应用的总体设计，并就搭建应用中涉及到的坐标转换、聚合显示技术、重点单位自动预警进行了阐述，并以杨浦区为例搭建了系统示例。

参考文献

[1] 李晓刚. 物联网技术在创新社会消防管理方面的应用[J]. 科技情报开发与经济，2013，23（10）：133-136.

[2] 罗明. 基于百度地图API实现固定消防设施地理信息管理[J]. 电子世界，2014（4）：176.

[3] 陈能成，李丹丹，肖长江，等. 基于物联网GIS的消防智能巡检系统设计与实现[J].地理信息世界，2016，23（4）：71-75.

[4] 蒋小军，宋占峰，吴清华.地方独立坐标系与WGS-84坐标系转换方法及应用[J].铁道勘察，2010，36（4）：12-14，17.

[5] 胡庆武，陈亚男，周洋，等.开源GIS进展及其典型应用研究[J]. 地理信息世界，2009，7（1）：46-55.

[6] 胡达天，胡庆武.基于开源系统的跨平台地图客户端开发[J]. 测绘科学，2015，40（7）：142-145.

[7] 李正学，许捍卫.基于开源的轻量级WebGIS开发框架的研究与实现[J].测绘与空间地理信息，2015（5）：53-55.

[8] 吕攀，余芳.一种通用聚合算法在统计工作中的应用研究[J]. 计算机技术与发展，2007，17（1）：219-221.

[9] 戴凤娇，肖林华，杨琭，等.基于百度地图的标记点聚合算法研究[J].中国科技信息，2013（23）：82-85.

[10] 胡建军.消防安全重点单位火灾风险评估应用研究[J].消防技术与产品信息，2014（8）：22-25.