三维激光扫描技术在火灾调查中的应用
火灾调查是《消防法》赋予消防救援队伍的重要职责，对于查清事故原因，厘清相关责任，预防火灾发生和保障公众安全至关重要。随着2021年消防救援局组织全国分四个片区开展了火调岗位练兵比武后，越来越多的先进装备、科技产品应用到了火灾调查中，三维激光扫描技术在火灾调查中的应用也引起了人们的关注。本文将探讨三维激光扫描技术在火灾调查中的应用，以此为火调人员提供参考。
一、三维激光扫描技术的基本原理
三维激光扫描技术，集成了三维扫描系统、激光测距系统、SSD存储系统、内部校正和控制系统于一体的现代化新型测绘技术；其原理是通过获取海量带有相对位置信息的激光点云数据，构建被测目标轮廓信息的三维激光点云图像。在实际应用中，在被测物体旁进行三维激光扫描之后就可获得目标表面轮廓的三维点云与坐标信息。
其中，激光测距系统可分为激光脉冲测距法和相位干涉测距法，激光脉冲测距法是指激光发射器向被测目标发射一束超短光脉冲，激光投射到物体并反射，激光接收器收到反射光，系统通过测算从信号发出到信号返回的时间也即光束的飞行时长来确定被测物体与激光器之间的距离，代表设备有NavVis VLX3穿戴式三维激光扫描仪等。相位干涉测距法是指激光发射器会持续向外投射不同波长的红外光。当接触到被测物体后，会反射回到激光接收器，通过测量红外线光波的相位偏移，即可计算出激光发射到目标的距离，代表设备有FARO Premium大空间三维激光扫描仪等。
二、三维激光扫描技术在火灾调查中的应用
三维激光扫描技术可以有效地获取火灾现场的三维数据，包括建筑物、树木、车辆等目标物体的形状、位置和高度等信息。这些数据可以通过专业软件进行分析和处理，帮助火调人员更好地了解火灾现场的情况，推断火灾发展的过程和原因，为后续的火灾调查提供重要的参考。
（一）火灾现场数字留存
三维激光扫描仪可以快速获取火灾现场的三维点云数据和全景照片，通过有机融合这些数据，可以1:1比例重建火灾现场的全景和三维模型，实现较照片、视频更加立体、直观的火灾现场电子数据留存。同时，结合VR设备，调查人员可以在三维实景中以第一人称视角自由漫游，犹如身临其境，更加深入地了解火灾现场的情况，提高火灾调查的质量和效率。该技术不仅可以提供更强的代入感，还可以提供更加直观、全面的火灾现场信息，为调查人员提供更好的决策支持。如图2所示，火灾现场内的现状均可以三维点云和影像数据形式留存。
（二）线上勘验
火灾现场的环境通常较为恶劣，取证人员长时间在现场工作危险隐患较高；而三维激光扫描仪的工作效率极高，以NavVis VLX3穿戴式三维激光扫描仪为例，单日（8小时）可采集多达20000平方米以上的数据，尽可能减少取证人员在火灾现场的工作时间，降低安全风险的同时，获取的场景信息相较手动测量数据更加丰富和精确，且在某些高度较高，人员无法直接触及的建筑处扫描仪可以直接获取三维点云数据，以FARO Premium大空间三维激光扫描仪为例，其测距精度可达1mm，最远测程为350米；取证人员在线上即可调阅扫描的点云和影像数据，完成距离、高度、面积等信息的测量；同时一个三维数据可共享使用，避免了取证人员调查重复区域造成的人力资源和时间的浪费。
（三）建筑平面图生成
部分起火建筑往往结构复杂或是经多次施工改造，存在原始图纸与改造后图纸不相对应的情况，给火灾调查取证和勘验笔录的撰写带来了困难。然而，通过三维激光扫描仪获取的建筑三维结构点云模型数据，可以让调查人员更加直观地了解起火建筑结构，在大场景下通过物体燃烧图痕更方便、准确定位起火部位，同时，也可以快速生成真实的二维平面图，与现场环境完全符合。这一技术手段有效地解决了平面图纸与实际建筑物不符的问题，为火灾调查提供了更加准确、可靠的数据支持，帮助调查人员更快、更准确地找出火灾原因。
（四）烟熏痕迹调查
烟熏痕迹是火调人员在开展现场勘验中的一个重要痕迹物证，通过分析火灾现场烟熏痕迹形成的规律及特征，能够证明起火点、蔓延方向、起火方式、可燃物种类、起火时间等重要信息。以FARO Premium大空间三维激光扫描仪为例，其作为一种先进的测量设备，可以获取高精度的现场三维数据和灰度图影像，直观地反映出火灾现场的烟熏痕迹。通过结合这些烟熏痕迹，调查人员可以更加准确地判断出建筑的起火点和火灾的发展变化过程，为火灾调查提供更加准确、可靠的数据支持。
（五）建筑变形监测
建筑物在火场高温和外部环境因素的影响下，可能会发生形变和损坏，特别是在钢结构建筑中，这种情况更为常见和严重。形变会导致建筑物物理强度下降，增加二次坍塌损毁的风险，威胁人员和周边建筑的安全。三维激光扫描仪可以对现场进行高精度三维点云数据的采集和分析。通过对不同时间点的数据进行对比，可以分析出建筑物在此时间段内发生的形变量。同时，通过定期的数据采集，也可以分析建筑物的变形趋势，提前发现和排除安全隐患。这种技术手段为建筑物形变监测提供了更加准确、可靠的方法，保障了调查人员、周边人员和建筑的安全。
（六）火灾物证存档与重现
火灾物证是火灾调查中的重要证据，可以反映出火灾实际情形和起火原因。然而，在采集物证的过程中，如果防范措施不完善，直接接触物证可能会对物证造成破坏，影响调查结果的准确性。因此，非接触式的测量方法成为获取火灾物证的重要手段。三维激光扫描仪作为一种非接触式的测量设备，可以对现场环境和物体进行扫描，获取物证影像和三维点云数据，避免了直接接触物证造成的破坏。同时，通过三维激光扫描仪获取的点云模型可以单独展示并编号存档为电子物证，提供给相关方面进行火灾的各项分析，提高了火灾调查的效率和准确性。
（七）起火部位推算
基于三维激光扫描仪采集的超高分辨率影像和高精度点云数据，结合深度学习中搭建的卷积神经网络，可以通过人为标记火灾痕迹信息，自动分析出建筑的起火点位置。这种技术方法大大提高了火灾调查的效率和准确性，为调查人员提供了更加精准的分析结果，有助于更加快速地找出火灾原因，为火灾防控工作提供了更加有力的支持。
（八）火灾发展过程重现
基于三维激光扫描仪获取的三维点云数据以及相关方面给出的火灾发展过程的判断，可通过动画的方式模拟出火灾从失火到火势蔓延再到救援人员扑救直至火势扑灭的全部流程发展，在动画中可以直观地看到消防救援车辆和消防员的到达时间、位置、运动轨迹等，也可在第一人称下跟随消防员视角体验火灾救援的整个过程，对整个火灾的发生、发展、蔓延有全面的掌握。
三、三维激光扫描技术在火灾调查中的应用优势
（一）精确性
三维激光扫描技术可以通过高精度激光雷达和超高分辨率相机获取和重建火灾发生的真实场景。通过获取的三维点云模型调查人员可以快速、准确的测量出建筑和物证的尺寸数据，无需亲自到火灾现场即可对内里环境有完整的掌握，结合电子物证能够更加方便快速地分析出火灾的起因和经过。
（二）完整性
三维激光扫描技术可以获取现场完整且全面的三维数据和影像数据，搭配小巧的手持式三维激光扫描仪，可以采集到死角部位的信息。相较于以往人工调查只能获取有限的二维尺寸数据，使用三维激光扫描技术可以在计算机中对目视所及的区域进行全面的量测，获取更加丰富的数据。
（三）可视化
通过三维激光扫描技术，可以获取高精度的三维点云模型和影像数据，真实地还原火灾现场，使调查人员可以在线上对火灾现场进行全方位地观察和分析。这种技术不仅可以避免调查人员冒险进入现场，提高安全性，而且可以提高调查效率，缩短调查周期。通过计算机中的三维模型，调查人员可以清晰地了解火灾现场的现状，包括建筑物的结构、损毁程度以及火灾蔓延的趋势等，有助于确定火灾原因和制定预防措施。此外，以往分散的资料也可以在线上平台汇总在一起，形成一个完整的数据集，为火灾调查人员的分析和研判提供有力的支持，有助于提高火灾调查的质量和准确性。
（四）证据保存和重现
三维激光扫描技术能够获取火灾现场环境和物证的高精度三维点云模型数据，这些数据可以真实地还原出现场的情况，使得火灾调查人员可以对现场进行更加客观、全面的分析。通过数字化留存物证，可以避免物理触碰导致物证损坏，保证物证的完整性和可信度。在后续火灾复盘、法庭审理等场合，这些三维点云模型和影像数据可以作为证据使用，让分析和审理更加客观、准确。此外，三维激光点云和影像还可以用于火灾的重现。调查人员可以在计算机中模拟火灾从发生到被扑灭的整个流程，了解火灾事态的发展过程，从而更好地掌握火灾整体情况。
（五）安全性
三维激光扫描技术可以使调查人员无需冒着人身安全风险亲自到现场，通过计算机身处安全的环境即可掌握火灾现场真实的情况和准确的三维数据；同时基于三维激光点云数据可对火灾发生的建筑和周边建筑的变形进行监测，及时发现和排除建筑坍塌的风险，最大限度地保证了调查人员的人身安全。
（六）效率高
三维扫描技术可以快速获取火灾现场的完整三维点云和影像数据，调查人员以自由的角度观察火灾场景，并可以在不同楼层的数据间快速跳跃，结合平面图快速找到目标区域，并对目标进行量测和调查，此极大地提高调查人员取证和现场分析分速度，同时物证的三维点云数据可以随时在线上完成标注和数据下载，有利于不同调查人员地配合协同，避免不同人员重复调查同一物证造成的时间和人力浪费，同时线上的三维实景可以为线下的相关人员提供导航服务，能够在复杂的火灾现场辅助快速定位到指定区域，节省调查人员的调查时间，提高效率。
四、三维扫描技术未来的发展方向
随着科学技术的持续发展，三维激光扫描设备也在进行着快速地更新迭代。可以肯定的是，未来三维扫描技术在火灾调查中的应用场景和范围将变得更为广阔，三维扫描设备更会向小型化、高精度、高适应性、自动化、多源数据融合、数据实时处理及交互、成果数据压缩等方向发展。
（一）小型化
三维激光扫描仪的小型化可以在场景结构复杂、散落物品较多的火灾现场中，克服以往大型的三维激光扫描设备难以进入狭窄区域的弊端，更加方便获取到完整的点云数据；设备的小型化在复杂拥挤的火灾现场更易携带和运输，同时小型化设备的轻巧便于扫描仪搭载到无人机、机械臂等平台上，进一步提高火场数据的获取效率，降低采集的难度。
（二）高精度
随着惯导、激光雷达、倾角仪、GPS等传感器模块的升级，结合大数据、深度学习和处理软件算法的优化，三维激光扫描成果数据的精度会有进一步地提升，使得火灾现场的三维数据更加精准，更加还原及贴合实际场景。
（三）高适应性
三维激光扫描仪对环境适应性的提高将有助于设备在更为复杂和苛刻的场景中完成数据的获取，例如烟尘、滴水、海雾等环境，更高的环境适应能力能够极大地拓宽三维激光扫描设备的使用场景，可以帮助调查人员获取更加完整和丰富的数据。
（四）自动化
随着自动机器人技术和人工智能的发展，三维激光扫描设备将与自动化更加紧密地结合。更高的自动化将会显著地降低人员的工作量，在复杂危险的火灾现场远程指挥或设备自动完成数据获取将会尽可能地降低人员在火灾现场的停留时间，避免调查人员受伤；同时自动化的三维扫描设备自动完成火灾现场中人员无法进入的狭小环境或复杂场景的内部数据完成采集，提高火灾场景数据的完整性。
（五）多元数据融合
未来三维激光扫描设备将会融合更多其他来源的数据，如：视频、多光谱、气体传感器等，以便获取更加多样的火灾现场数据，使调查人员取证工作的效率进一步提升，让数据的可信度更高。
（六）数据实时处理及交互
随着计算机处理器算力提升和存储器传输速率提高和处理软件算法的优化，未来三维激光扫描的数据处理时间将大幅缩短，直至可以实现实时完成数据处理，调查人员可以在采集完成的第一时间远程浏览采集的现场数据，同时调查人员也可以在线上实时地跟踪采集人员的扫描进度，为采集的路线和侧重点进行实时地指导，提高采集效率的同时，优化数据成果质量。
（七）数据成果压缩
研发切实有效的数据压缩和优化的存储格式，尽可能减少成果数据的数据量，方便数据后续导入其他软件中，降低数据存储成本的同时也可以提高数据传输的速度。
（八）低成本
根据火灾调查的实际需求挑选合适的三维激光扫描设备，例如：若火灾场景较大，且要求数据采集尽可能减少，可以选择采集效率更高的移动SLAM三维激光扫描仪，如：NavVis VLX3穿戴式三维激光扫描仪等；又或是对精度要求较高，且现场环境较为安全的场景如车辆自燃等，可以选择精度更高但效率略低的固定式三维激光扫描设备，如：FARO Premium大空间三维激光扫描仪等，以降低不必要的成本浪费；同时随着生产工艺的提升和新型材料的使用也可以在一定程度上降低设备的成本。
五、总结
三维激光扫描技术作为一种先进的测量技术，已经被广泛应用于火灾调查中。该技术可以帮助调查人员更好地了解火灾现场的情况，通过对现场的三维数据进行分析，可以推断出火灾的发展过程和原因。同时，该技术还可以帮助调查人员进行虚拟重现，模拟火灾现场的实际情况，为后续的调查提供重要的参考。与传统的火灾调查方法相比，三维激光扫描技术具有高效、准确、无损等优点，不会对现场造成二次破坏，保证了证据的完整性和可信度。
随着科学技术的不断发展，三维激光扫描技术也在不断升级和完善。未来，该技术将更加智能化、自动化，能够更好地满足火灾调查场景的工作需求。同时，随着技术的不断进步，三维激光扫描设备的价格也将更加亲民，为火灾调查提供更加具性价比的解决方案。三维激光扫描技术将在未来成为火灾调查的不可或缺的工具和手段。
