地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

葉禮偉，謝 忠

（中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

葉禮偉，謝 忠

（中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

針對地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查對災(zāi)害信息實(shí)時、準(zhǔn)確、完整的要求，分析嵌入式GIS在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢，并借助MapGIS-EMS地圖引擎開發(fā)系統(tǒng)基本框架。系統(tǒng)加入素描圖使得更加完整地描述現(xiàn)場，采用編輯距離方法對調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，利用無線通訊網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)緩存和分包傳輸機(jī)制保證災(zāi)害信息的實(shí)時、完整上傳，使系統(tǒng)成為提高地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查效率的有力工具。

嵌入式GIS；地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查；MapGIS-EMS；無線數(shù)據(jù)傳輸

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查目的是在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后對災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，為災(zāi)后救援和相關(guān)處置工作提供實(shí)時、完整的參考信息。目前地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查雖然采用筆記本或者PDA等移動設(shè)備進(jìn)行災(zāi)害信息收集，但調(diào)查數(shù)據(jù)仍要回到室內(nèi)通過轉(zhuǎn)換處理后才上報相關(guān)職能部門，導(dǎo)致調(diào)查周期過長，同時調(diào)查數(shù)據(jù)在現(xiàn)場缺少相關(guān)質(zhì)量檢查，難以保證其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，其越來越不能滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的實(shí)時、準(zhǔn)確的要求。

嵌入式GIS是GIS與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的一種產(chǎn)物，具備移動計算、電話、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能和良好的便攜性，給地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的數(shù)據(jù)采集和傳輸帶來極大的便利。利用嵌入式設(shè)備的移動計算和存儲功能進(jìn)行地圖存儲和顯示，以及災(zāi)害信息的采集和處理；利用無線數(shù)據(jù)傳輸功能對通過質(zhì)量檢查的地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行實(shí)時傳輸和更新，以及地圖數(shù)據(jù)的實(shí)時下載。將嵌入式GIS應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查工作中，無論對調(diào)查精度的提高、調(diào)查周期的縮短以及調(diào)查結(jié)果都會發(fā)生巨大變化，同時地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查階段周期的縮短也相應(yīng)提高了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查主要是在地圖上完成災(zāi)害點(diǎn)定位和信息標(biāo)注，然后進(jìn)行災(zāi)害信息表單填寫和災(zāi)害現(xiàn)場素描圖的繪制，最后利用無線網(wǎng)絡(luò)將通過質(zhì)量檢查的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到WebGIS服務(wù)器。系統(tǒng)主要功能設(shè)計如圖1所示。

1.1 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查系統(tǒng)基本框架

MapGIS-EMS在嵌入式設(shè)備上的基本地圖功能已經(jīng)相當(dāng)完善，特別是災(zāi)害點(diǎn)子圖的繪制，其地圖引擎的圖層管理功能可以對每個圖層設(shè)置狀態(tài)開關(guān) (打開、關(guān)閉或編輯)和顯示比例，對需要調(diào)入內(nèi)存中的圖層數(shù)據(jù)按照多級索引、動態(tài)加載的調(diào)度方法，保證程序內(nèi)存中只存在當(dāng)前顯示的圖層區(qū)域數(shù)據(jù)[1]。使得“海量”地圖數(shù)據(jù)也可以在嵌入式設(shè)備的有限硬件資源條件下平滑的顯示和實(shí)時響應(yīng)查詢和編輯請求。利用MapGIS-EMS地圖引擎開發(fā)系統(tǒng)基本框架，包含基本的地圖裝載、顯示、瀏覽、編輯、保存和基本量算功能，同時為系統(tǒng)其他功能模塊提供平臺和接口。

1.2 GPS定位與軌跡記錄功能

1)GPS定位。通過標(biāo)準(zhǔn)COM接口與各種GPS設(shè)備連接，支持各種 GPS設(shè)備定位信號的接收和解析，為調(diào)查人員的自我定位以及災(zāi)害點(diǎn)采集提供坐標(biāo)位置信息。

2）軌跡記錄。對于滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害其覆蓋面積大，同時由于災(zāi)害現(xiàn)場的危險性并不方便調(diào)查人員采用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行測量的地方，通過軌跡記錄，調(diào)查人員只需持移動終端沿所需測量路線行走，移動終端則根據(jù)記錄的連續(xù)GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動計算出其長度或面積[2]。同樣對于調(diào)查人員，為保證其生命安全也需對其位置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，采用間隔記錄調(diào)查人員的GPS位置信息，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)以一定時間間隔（30 s）將位置信息傳遞到監(jiān)控中心，便于監(jiān)控人員實(shí)時掌握調(diào)查人員目前位置狀態(tài)。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)實(shí)時分析

1)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集。地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集時，調(diào)查人員根據(jù)災(zāi)害類型、行政代碼向WebGIS服務(wù)器獲取實(shí)時生成的唯一災(zāi)害點(diǎn)編號和災(zāi)害點(diǎn)調(diào)查編號，當(dāng)沒有網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)連接失敗時，移動終端可生成臨時編號，待有網(wǎng)絡(luò)或回到室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)版本的一致性修改。然后調(diào)查人員根據(jù)生成的統(tǒng)一編號和災(zāi)害點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采用自動或手動方式進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和修改。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

為方便調(diào)查人員輸入災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)，特別是災(zāi)害現(xiàn)場描述文本，系統(tǒng)還提供了地質(zhì)字典和表單的自動填寫功能（如：坐標(biāo)、日期、調(diào)查人員姓名等）。字典不僅規(guī)范地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)信息描述的格式，還提供常用的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場描述詞語和語句模板。調(diào)查人員只需要根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)害類型，將對應(yīng)的模板描述內(nèi)容做一定的修改即可，比現(xiàn)場輸入效率提高很多，描述信息也更準(zhǔn)確。系統(tǒng)的地質(zhì)字典采用二級索引方式存儲，第一級存儲常用詞語和各類共有描述短語。第二級則按災(zāi)害類型進(jìn)行分類，其內(nèi)部都按照首字拼音字母順序建立索引。

2）地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時分析。災(zāi)害現(xiàn)場需填寫內(nèi)容很多，系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)查人員填寫的災(zāi)害點(diǎn)基本數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)，計算出災(zāi)害點(diǎn)其他相關(guān)信息然后自動填充相應(yīng)表單。如滑坡災(zāi)害調(diào)查時，根據(jù)滑坡上、下兩點(diǎn)坐標(biāo)計算出滑坡大致坡度、走向，并結(jié)合軌跡記錄計算大致的長度、面積等，進(jìn)一步減少調(diào)查人員工作量，通過自動計算提高數(shù)據(jù)精度。

1.4 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場素描圖繪制

地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的文字描述并不能完全“重現(xiàn)”現(xiàn)場情況，通過在移動終端上繪制災(zāi)害現(xiàn)場草圖或在拍攝的災(zāi)害現(xiàn)場照片基礎(chǔ)上做進(jìn)一步點(diǎn)、線標(biāo)注和文本注釋，能更加形象地對災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行展示[3]。利用基本框架中點(diǎn)、線、面和文本編輯接口和嵌入式系統(tǒng)的圖片拍攝接口開發(fā)的素描圖模塊具有輸入、編輯、整飾功能，并可以將完成的素描圖以圖片格式導(dǎo)出。系統(tǒng)素描圖繪制如圖3所示。

1.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

系統(tǒng)的地質(zhì)字典為調(diào)查人員提供了很多默認(rèn)描述模板，為防止調(diào)查人員直接照搬模板內(nèi)容，需要對生成的現(xiàn)場調(diào)查文本進(jìn)行檢查來判斷是否和模板雷同。判斷兩個文本是否雷同，可以從語義和文本相似度兩個角度進(jìn)行。在本系統(tǒng)中，在移動終端先進(jìn)行文本相似度的比較，通過檢驗(yàn)后再在服務(wù)器端做進(jìn)一步的語義檢測。

文本相似度比較，通常使用編輯距離（Levenshtein Distance）或最長公共子串 (LCS)。

最長公共子串 (LCS)基本思路就是用一個矩陣來記錄兩個字符串中所有位置的兩個字符之間的匹配情況，若是匹配則為1，否則為0。然后求出對角線最長的1序列，其對應(yīng)的位置就是最長匹配子串的位置。如圖4是字符串21232523311和字符串312123223的匹配矩陣，前者為X方向的，后者為Y方向的，其最長的匹配子串為21232。

但最長公共子串對于文本中間隔加入單字（如：的、了）情況時檢查效果并不理想，因此在本系統(tǒng)中采用編輯距離來進(jìn)行文本相似度比較。

編輯距離是用來計算從原串（a）轉(zhuǎn)換到目標(biāo)串(b)所需要的最少的插入、刪除和替換的數(shù)目d(a，b)，在NLP中應(yīng)用比較廣泛，同時也常用來計算對原文本所作的改動數(shù)。它的思路就是從兩個字符串的左邊開始比較,記錄已經(jīng)比較過的子串相似度(實(shí)際上叫做距離),然后進(jìn)一步得到下一個字符位置時的相似度。即用一個二維數(shù)組d[i][j]來記錄a0-ai與b0-bj之間的編輯距離，遞推時需要考慮對其中一個字符串的刪除操作、插入操作和替換操作分別花費(fèi)的開銷，從中找出一個最小的開銷即為所求。具體算法為：首先給定第一行和第一列的值，然后每個值d[i][j]按公式（1）計算，矩陣最后一行，最后一列的那個值就是最小編輯距離。

對相同字串如：aaabbbcccddd和aaaeeeddd。用LCS檢測相似度為3，而用編輯距離檢查相似度則為6，可以看出編輯距離比最長公共子串對字符相似度檢查更準(zhǔn)確。

1.6 應(yīng)急調(diào)查應(yīng)急業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時上傳和更新

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中調(diào)查數(shù)據(jù)需要通過無線網(wǎng)絡(luò)及時傳輸?shù)絎ebGIS服務(wù)器。但無線網(wǎng)絡(luò)存在傳輸不穩(wěn)定和傳輸速度有限（如GPRS平均25K/S）的問題，如何將調(diào)查數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)椒?wù)器是本系統(tǒng)必須要解決的一個難點(diǎn)問題。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時在移動終端采用了動態(tài)緩存機(jī)制，在移動終端緩存災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)據(jù)和傳輸狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接正常時將通過質(zhì)量檢查的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，成功后將其狀態(tài)設(shè)置為已完成，其他情況下都為未傳輸狀態(tài)，需要在連接正常時重新傳輸。為避免過多的傳輸無意義的數(shù)據(jù)，不能將待傳輸數(shù)據(jù)封裝為標(biāo)準(zhǔn)的SOAP格式直接發(fā)送到WebGIS服務(wù)器，而是對數(shù)據(jù)的傳輸格式進(jìn)行自定義以XML格式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。對于過大的數(shù)據(jù)采用分包傳輸（256K一個包）策略[4]，在包頭和包尾加入時間戳保證包內(nèi)數(shù)據(jù)完整性，同時在第一個包頭加入包總數(shù)和大小保證數(shù)據(jù)整體的完整性。數(shù)據(jù)服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步檢查和轉(zhuǎn)換，然后再提交到WebGIS服務(wù)器。

1.7 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和輸出

將移動終端上的地圖數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成桌面地理系統(tǒng)軟件 (MapGIS等)能處理的數(shù)據(jù)格式[2],為在災(zāi)害現(xiàn)場無網(wǎng)絡(luò)或傳輸失敗情況下回到室內(nèi)整理數(shù)據(jù)提供接口，也便于和WebGIS服務(wù)器進(jìn)行調(diào)查數(shù)據(jù)的版本一致性的修改和數(shù)據(jù)更新。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照以上的系統(tǒng)設(shè)計，通過對MapGIS-EMS地圖引擎進(jìn)行擴(kuò)展形成系統(tǒng)基本框架。對無線數(shù)據(jù)傳輸、質(zhì)量檢驗(yàn)、GPS定位與軌跡記錄功能，為方便系統(tǒng)移植，將其抽象為功能實(shí)現(xiàn)層和邏輯層[5]。對不同的操作系統(tǒng)，在功能實(shí)現(xiàn)層做相應(yīng)的修改，而對于邏輯層則對外保持統(tǒng)一接口方便上層應(yīng)用開發(fā)。在VS2005環(huán)境中用 C/C++開發(fā)實(shí)現(xiàn)了上述全部功能，能運(yùn)行 Pocket PC2003、Windowsmobile5.0/6.0，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)演示如圖5、圖6所示。

3 結(jié)語

將嵌入式GIS應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，使得在災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查時能準(zhǔn)確、完整地記錄和及時上報災(zāi)情信息，極大地提高了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的工作效率。該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用在湖北省地質(zhì)環(huán)境總站的“地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查”項目中。隨著地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查應(yīng)急調(diào)查需求的不斷深入，系統(tǒng)也在功能上不斷的擴(kuò)展和優(yōu)化，以后會有越來越多的應(yīng)用和推廣空間。

[1] 謝忠，鳳鳴，馬常杰.嵌入式空間索引策略[J].地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2006，9:653-658

[2] 裴凌，王慶，王慧青.基于嵌入式GIS的GPS野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2006，6:27-29

[3] 彭艷，王崇倡，梁敏.基于嵌入式GIS的管線外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)的開發(fā)[J].測繪科學(xué)，2008，5:192-194

[4] 趙保翠，張勇.基于XML的Socket方式實(shí)時數(shù)據(jù)交換[J].計算機(jī)工程，2006，11:83-85

[5] 沈文裕，方鈺，蔣昌俊，等.跨平臺嵌入式GIS數(shù)據(jù)模型的研究與應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用，2007，9:2299-2301

Design and Implementation of Geological Emergency Survey System

YE Liwei，XIE Zhong
(Faculty of Information Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China）

With the real-time,accurate and integral requirement of disaster survey information in geological emergency survey.This paper analysed the characteristics and advantages of embedded GIS in this field.Used the MapGIS-EMS map engine to developed basic system framework,Added sketch make the system descript thescene more completely and introduction the Levenshtein Distance method to check dataquality.Used a w ireless communication network w ith dynam ic caching and segmented transm ission mechanisms to ensure that disaster in formation could be real-time and completely uploaded.Make itas thepowerful toolinGeologicalEmergency Survey to improve its efficiency.

embedded GIS;geological emergency survey;MapGIS-EMS;w ireless data transm ission

2010-01-04

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目 (40771165)；“十一五”國家支撐計劃資助項目 (2006BAJ15B02)。

P208

B

1672-4623(2010)01-0119-03

葉禮偉，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧紾IS及位置服務(wù)。