智慧现场空间信息采集分析系统的研发与应用

邱家柱

摘要：在平时的刑事案件现场勘查过程中及之后的勘查材料制作、案件分析研判时，对于时间和空间的把控还存在着许多的不足之处，如何利用更先进的信息技术完善当下的勘查工作成为了一项重要的工作。

关键词：数字孪生技术;轻量化扫描装备;分析处理软件

1、项目研发背景

刑事案件中，现场勘查是收集、获取案件基本情况，推动案件侦破的第一手推动力。现在通常的空间测量及记录方法是测距仪、卷尺测量以及照片记录、现场标记。在实战中存在着许多不足之处，比如：现场图绘制速度较慢，无法以最快速度进行分析研判;先期处置时进出现场人员较多会对现场产生二次破坏;对于重特大案件破案后的讲解分析缺乏较为完整立体的重现等。

随着智能化、数字化的技术推进，数字孪生技术逐渐成熟，此项目的产生即是建立在了该数字技术的成熟和发展的背景之下。为加强现场勘查与智慧公安的有效衔接，开创刑技工作新局面，重点解决现场勘查工作中存在的效率低，智能化水平不高，新手段新技术匮乏等短板问题，浦东公安分局刑科所与相关科技公司及高校进行产学研发合作，结合实际情况提出该方案，努力提高应对复杂现场，快速反应快速处置能力，更好地提升服务打击破案能力。

2、项目研发原理及创新性

2.1项目研发原理

数字孪生，是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一個数字世界中一模一样的实体，藉此来实现对物理实体的了解、分析和优化。其原理方法是通过数码相机进行全景拍摄，所得图像实时传送至微型处理器，在微型处理器内对获取的图像进行图像匹配算法，进行特征检测和匹配，并用光束平差法进行处理，经过光束平差法标定出相机参数后，计算出每个特征点的三维信息，利用三维重构算法对每个特征点三维信息，生成密集位点，再对密集位点三角化等处理生成位点模型，重建现场图像。利用尺度不变特征变换的特性，提取每个图片中的关键点，再通过比测试的方法测试两两图像对特征的相似度进行匹配。利用立体匹配得到的匹配点，根据空间坐标系和摄像机坐标系之间的关系，通过一个光束平差法来得到二维点反投影到空间中的三维坐标，大量的匹配点最终会得到三维位点模型。

在先后调研测试了激光雷达、双目相机、红外结构光相机、TOF相机等技术解决方案后，选择了较为稳定的红外结构光相机研发了手持三维实时扫描仪。并开发了人工智能和深度学习的识别和处理软件，以及便捷的前端查看工具。传统的FARO等站式三维激光扫描仪，体积重量极大，需要携带大设备箱子和三脚架。扫描耗时长且麻烦，需要在每个房间分别设站进行扫描，整体耗时是本项目时间的7-8倍。无法实时查看三维结果，需要用专业软件花大量时间进行复杂处理，其数据以数十至数百GB计，须配备专业计算机才可以使用;螳螂慧视等高精度近距离三维扫描仪，其更擅长2米以内的小尺度物体扫描，对房间尺度扫描优化明显不足。设备体积重量普遍较大，难以单手长期握持。算法无法实时查看三维结果，需要后期花大量时间进行复杂处理。

2.2项目创新性

2.2.1、在能够保证精度和质量的前提下，适用于勘验人员的轻量化手持式使用，减轻勘验人员的负担。

2.2.2、结合实战需求而优化的扫描算法，智慧现场空间信息采集分析系统会选择最合适的三维扫描方案。案件现场普遍情况复杂，网络状况不可预测，传统三维重建方案依赖云计算，且重建时间较长，无法实时得到扫描结果，容易出现扫描遗漏，对一线人员有较高的三维规划水平要求，而此项目操作简便，无需繁琐的教学过程，扫描及生成效率较高。

2.2.3、现场三维场景的智能识别、标注、现场图自动绘制，犯罪现场全貌草图获取：通过扫描获取现场整个位点数据，通过截取需求平面，快速获得现场的二维截面图，在几分钟内获取现场平面布置图，具有操作简单，处理快速、数据精准等特点，方便现场快速处理数据、临场指挥等用途。

2.2，4、实时导出dwg、dxf格式到AutoCad，而且支持导出iges、step、catia等市场主流的CAD格式，实现侦查现场数据备份，扫描完成后，整个现场图像数据会导入到电脑中进行存档，可以实时让研究人员对具体的信息加以分析，重现犯罪过程及犯罪现场的证据，甚至可以在法庭上作为证词出现。在案件的分析研判中起到非常重要的作用。

3、项目结构

智慧现场空间信息采集分析系统包含两个主要部分：一套手持式三维实时扫描仪，与一套数字孪生三维智能分析处理软件。

3.1手持式三维实时扫描仪

此设备提供不依赖网络的刑事案件现场三维扫描采集功能。整体设备轻便，可单人携带使用，适合一线实战需求，现场民警可借助此设备对犯罪现场整体情况和细节进行三维扫描和记录，设备内部的多传感器平台可以记录设备的位姿变化，提高三维扫描的精度和速度。

3.2数字孪生三维智能分析处理软件

此软件平台应用了深度学习模型，对三维空间数据执行十大类别的物体识别与场景理解分析，并通过一系列计算机视觉算法，自动生成符合现场勘查标准的现场平面图、现场结构图以及数字孪生3D现场数据。通过此平台，可以方便快捷的回看犯罪现场的每个三维细节，调取采集时拍摄的照片和轨迹信息，进行数字化的虚拟测量和标注等等工作。

4、实战操作

现场勘查人员可以在进入现场之后首先手持三维实时扫描仪进行“刷墙式”操作即可初步完成对现场的固定。与此同时，扫描取得的数据可以通过网络、USB等方式进行传递，然后通过数字孪生三维智能分析处理软件自动对整个扫描数据进行解析，并同步传输至远程端，形成了对现场的多层次、全覆盖的把控，不会造成遗漏，并可以指导对现场物证的提取工作。而微型处理器会直接生成现场勘查所需要的平面示意图，并通过数据接口进入或关联现场勘验信息系统，从而大幅度简化现场绘图过程，直接提高了现场勘查工作的效率。最后，在案件需要复勘时或案件破获后，可以通过回看生成的图像，并与其它证据链相互印证，从而达到更完善的勘查效果。

该项目以提升刑事技术现场勘查质量为主要任务，坚持科技兴警理念，发扬探索创新精神，提高刑事技术服务实战能力，旨在奋力开创新时代刑侦工作新局面。