浙江省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急空間輔助決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 磊，陳張建，夏躍珍，黃元卉

(1.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，浙江杭州 310007;2.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江杭州 310012)

浙江省是東南沿海經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的一個(gè)省份。全省陸域面積10.18×104km2(其中突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)面積約6.67×104km2，占全省陸域面積的65.5%)，占全國的1%，常住人口4900萬，占全國的3.8%，人口密度為全國之最。近年來，隨著“康莊工程”的完成和“新農(nóng)村建設(shè)”不斷深入，全省農(nóng)村道路和居住環(huán)境大為改善。與此同時(shí)，由于許多不規(guī)范的建設(shè)活動，對地質(zhì)環(huán)境的破壞也愈加嚴(yán)重［1-2］，加之近年來氣候異常，降雨較多，地質(zhì)災(zāi)害已成為浙江省僅次于交通、水災(zāi)和火災(zāi)的第四大災(zāi)害。截至到2014年1月，全省已查明的滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害及隱患點(diǎn)6465處，威脅著16萬多人的生命與近36×108元財(cái)產(chǎn)安全。

隨著我省經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的日益擴(kuò)大和人民生活水平的不斷提高，由滑坡、崩塌、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境惡化日益突出，越來越受到省委省政府和浙江省國土資源廳領(lǐng)導(dǎo)的高度重視。尤其是在汛期，全省各級行政管理部門的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急工作面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

災(zāi)害應(yīng)急工作的重點(diǎn)是臨災(zāi)應(yīng)急決策的制定，要求突出“快、準(zhǔn)”的特點(diǎn)［3］?！翱臁笔侵笐?yīng)急體系反應(yīng)速度快、掌握第一手資料快、做出決策快;“準(zhǔn)”是指在快速反應(yīng)、及時(shí)掌握決策分析相關(guān)資料的前提下，能夠準(zhǔn)確做出災(zāi)害發(fā)展趨勢的判斷，做出準(zhǔn)確的臨災(zāi)指揮決策。

本文以空間數(shù)據(jù)庫作為技術(shù)基礎(chǔ)，以WebGIS技術(shù)［4］作為技術(shù)支撐，以浙江省電子政務(wù)外網(wǎng)作為運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，構(gòu)建了浙江省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急空間輔助決策支持系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的存儲與更新和多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與集成;在此基礎(chǔ)上，對臨災(zāi)狀態(tài)下的災(zāi)害應(yīng)急工作進(jìn)行空間輔助決策支持，輔助應(yīng)急會商領(lǐng)導(dǎo)和專家做出快速準(zhǔn)確的臨災(zāi)處置決策，從而提高我省臨災(zāi)處置能力，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體框架采用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)的三層架構(gòu)體系，分別是:數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維地形與遙感數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖與防治規(guī)劃圖、實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)與預(yù)報(bào)雨量數(shù)據(jù)等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效融合、傳輸、存儲、共享、管理。業(yè)務(wù)邏輯層在分析應(yīng)急空間輔助決策支持業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，將地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急決策過程與空間信息服務(wù)集成，形成系統(tǒng)核心技術(shù)框架，為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急決策提供依據(jù);表現(xiàn)層是對邏輯層處理結(jié)果的展示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的交互。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程圖Fig.1 The structure and flow diagram of the system

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)運(yùn)行在浙江省政務(wù)外網(wǎng)環(huán)境下，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、WebGIS服務(wù)器以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備構(gòu)成。采用SqlServer2008作為數(shù)據(jù)庫平臺，ArcSDE10為空間數(shù)據(jù)庫引擎;分別以 ArcGIS Server 10和SkyLine 6.1為二維和三維空間應(yīng)用服務(wù)平臺;Windows IIS 7為Web服務(wù)器;Windows 2008 server為服務(wù)器操作系統(tǒng);C#為開發(fā)語言，.Net為開發(fā)框架，采用 Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)平臺。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

Microsoft SqlServer 2008為新一代大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，作為商用數(shù)據(jù)庫被廣泛應(yīng)用。ArcSDE為ESRI公司提供的空間數(shù)據(jù)引擎，它是在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中存儲和管理多用戶空間數(shù)據(jù)庫的通路。本系統(tǒng)采用“SqlServer+ArcSDE”的模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，有效的實(shí)現(xiàn)了海量空間數(shù)據(jù)的存儲和多用戶的并發(fā)訪問支持。部分?jǐn)?shù)據(jù)庫中表及字段設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表及其字段設(shè)計(jì)表Table 1 Part of design of the database table and table field

1.4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互設(shè)計(jì)主要遵循以下原則:

(1)簡潔、方便、友好、實(shí)用，盡量減少打開關(guān)閉對話框的次數(shù)。

(2)易于學(xué)習(xí)、容易掌握，提供詳細(xì)的在線幫助內(nèi)容。

(3)最大限度地漢化，包括菜單名稱、窗口提示信息等。

圖2為系統(tǒng)主界面。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 The main interface of the system

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在深入分析突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急輔助決策支持工作需求的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)核心功能劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與融合、災(zāi)(險(xiǎn))情定位、輔助決策分析和決策成果表達(dá)四大部分。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與融合

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是空間輔助決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其具有多源、異構(gòu)、海量等特點(diǎn)。如圖1所示，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖及地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃圖是從浙江省地質(zhì)資料檔案館收集的電子光盤資料;地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù);二維地理底圖和三維DEM及遙感影像圖均以Web Services的形式從浙江省測繪與地理信息局獲取;實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享的形式從浙江省水利局獲取;預(yù)報(bào)雨量數(shù)據(jù)通過氣象專網(wǎng)從浙江省氣象局獲取。

在分析災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，制定我省地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，整合收集到的現(xiàn)有資料并入庫。將圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將MapGIS和MapInfo等格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ArcGIS格式。所有數(shù)據(jù)的空間參考均采用浙江省國土資源“一張圖”工程規(guī)定的西安80經(jīng)緯度標(biāo)準(zhǔn)。

通過面向第三方應(yīng)用系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的Web Service、WMS、WFS等數(shù)據(jù)交換與訪問接口，采用XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言)、SOAP(簡單對象方位協(xié)議)、WSDL(Web服務(wù)描述語言)等協(xié)議和技術(shù)，C#作為代碼實(shí)現(xiàn)語言，面向多部門、多平臺空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等信息資源，按其類型、邏輯關(guān)系進(jìn)行層次化組織，通過位置配準(zhǔn)、格式轉(zhuǎn)換、語義轉(zhuǎn)換、屬性數(shù)據(jù)映射等技術(shù)處理，提供相應(yīng)規(guī)范和可行方法，實(shí)現(xiàn)跨平臺、跨部門的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源有效融合和集成［5-7］。

2.2 災(zāi)(險(xiǎn))情定位

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急工作的實(shí)際情況，將災(zāi)(險(xiǎn))情速報(bào)分為兩大類，根據(jù)不同類型的速報(bào)，將災(zāi)害點(diǎn)定位方法細(xì)分為四種(表2)。

表2 速報(bào)點(diǎn)類型及定位方法Table 2 Types and locating method of the quick report geological hazard

其中新增災(zāi)害點(diǎn)大類中災(zāi)(險(xiǎn))情速報(bào)信息只包含地名的情況最為常見。為了解決這一類型的災(zāi)(險(xiǎn))情定位問題，本系統(tǒng)采用了浙江省測繪與地理信息局提供的地名搜索與定位服務(wù)，該服務(wù)具有地名模糊匹配查詢功能，地名庫中有全省近27萬個(gè)地名數(shù)據(jù)。

2.3 災(zāi)(險(xiǎn))情輔助決策分析

2.3.1 已知隱患點(diǎn)輔助決策分析

查詢隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，迅速在各類地圖及三維虛擬地球上定位災(zāi)(險(xiǎn))情發(fā)生地點(diǎn)，進(jìn)而查詢相關(guān)信息。

查詢隱患點(diǎn)的詳細(xì)調(diào)查信息，全面深入了解災(zāi)(險(xiǎn))情點(diǎn)基礎(chǔ)背景信息。

在二維地圖上定位災(zāi)(險(xiǎn))情發(fā)生地點(diǎn)，查詢其所處的地理位置，了解其交通狀況。

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖上定位災(zāi)(險(xiǎn))情發(fā)生地點(diǎn)，查詢其所處易發(fā)區(qū)位置、周圍地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性等地質(zhì)背景信息。

在由三維DEM及高分辨率遙感影像圖構(gòu)建的虛擬地球上定位災(zāi)(險(xiǎn))情發(fā)生地點(diǎn)，查看其附近地形地貌情況、實(shí)時(shí)降雨量和預(yù)報(bào)雨量情況(圖3)。

根據(jù)對上述信息的查詢與分析，結(jié)合浙江省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急會商系統(tǒng)中野外單兵通過衛(wèi)星信號傳回的災(zāi)(險(xiǎn))情現(xiàn)場情況，輔助應(yīng)急會商領(lǐng)導(dǎo)和專家做出臨災(zāi)處置決策。

2.3.2 新增點(diǎn)輔助決策分析

圖3 災(zāi)(險(xiǎn))情點(diǎn)附近實(shí)時(shí)雨量及預(yù)報(bào)雨量情況Fig.3 The real-time rainfall and forecast rainfall nearby the geological hazard

對于災(zāi)(險(xiǎn))情點(diǎn)是新增點(diǎn)的情況，利用本系統(tǒng)提供的災(zāi)(險(xiǎn))情定位方法，定位災(zāi)(險(xiǎn))情位置后，利用災(zāi)害點(diǎn)空間查詢功能中的點(diǎn)緩沖區(qū)分析功能，查詢?yōu)?險(xiǎn))情所處位置附近一定范圍內(nèi)的已知調(diào)查點(diǎn)，通過這些調(diào)查點(diǎn)的調(diào)查信息，間接了解新增點(diǎn)的背景信息(圖4)。

圖4 災(zāi)(險(xiǎn))情點(diǎn)3公里半徑范圍內(nèi)已知災(zāi)害點(diǎn)查詢Fig.4 The geological hazard buffer query of 3 km

其他輔助決策信息的獲取及分析與上一節(jié)中已知隱患點(diǎn)輔助決策信息的獲取分析方式一致，這里不再贅述。

2.4 輔助決策信息及決策成果表達(dá)

輔助決策信息及決策成果的表達(dá)方式包括屏幕表達(dá)、報(bào)表表達(dá)和圖片表達(dá)三大類。屏幕表達(dá)供應(yīng)急會商室內(nèi)人員進(jìn)行決策分析使用，該方式可以表達(dá)幾乎全部本系統(tǒng)能夠提供的信息，是輔助決策信息及決策成果表達(dá)的主要方式;報(bào)表表達(dá)是指將查詢出的災(zāi)害點(diǎn)調(diào)查表、速報(bào)情況表、災(zāi)(險(xiǎn))情統(tǒng)計(jì)表等數(shù)據(jù)表格進(jìn)行導(dǎo)出表達(dá)的方式;圖片表達(dá)包括屏幕打印、災(zāi)(險(xiǎn))情示意圖輸出及防災(zāi)避險(xiǎn)圖輸出等決策成果的表達(dá)方式。報(bào)表表達(dá)和圖片表達(dá)可以用來指導(dǎo)災(zāi)(險(xiǎn))情現(xiàn)場的救災(zāi)避險(xiǎn)工作，也可以用來向上級部門做災(zāi)(險(xiǎn))情情況匯報(bào)。如圖5，是本系統(tǒng)制作的防災(zāi)避險(xiǎn)圖示例。

圖5 防災(zāi)避險(xiǎn)圖繪制與表達(dá)Fig.5 Drawing and expression of the geological hazard prevention map

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 面向服務(wù)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合集成技術(shù)

SOA是一種組件模型，它通過稱為服務(wù)之間定義完善的接口和契約來聯(lián)系應(yīng)用程序中的不同服務(wù)。多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)通過分布式GIS服務(wù)器發(fā)布為符合開放地理信息聯(lián)盟(OGC)互操作規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)地圖瓦片服務(wù)(WMTS)、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(WMS)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)(WCS)、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)(WFS)、KML形成服務(wù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的跨平臺跨瀏覽器訪問和調(diào)用。多源異構(gòu)的非空間數(shù)據(jù)通過IIS REST Web Services發(fā)布為REST服務(wù)，將非空間數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)化為帶有唯一標(biāo)識符號的網(wǎng)絡(luò)資源，通過統(tǒng)一服務(wù)接口對資源進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境跨組織的分布式信息集成和應(yīng)用開發(fā)。降雨量分析等地理處理功能模型通過ArcGIS Server發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)地理處理服務(wù)(WPS)來實(shí)現(xiàn)“一次開發(fā)、重復(fù)操作”和跨系統(tǒng)平臺集成。

本文采用面向服務(wù)的架構(gòu)、OGC規(guī)范和REST服務(wù)，構(gòu)建面向地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急空間輔助決策的服務(wù)模型，將MapGIS結(jié)構(gòu)、ShapeFile結(jié)構(gòu)、SQL Server空間數(shù)據(jù)庫、KML結(jié)構(gòu)或Geodatabase結(jié)構(gòu)等分布式存儲的地理數(shù)據(jù)，通過分布式GIS服務(wù)器，發(fā)布為符合OGC規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。

利用Web Services技術(shù)、Ajax技術(shù)和JavaScript在客戶端實(shí)現(xiàn)各種空間信息資源的注冊，對各種格式(XML或JSON)的服務(wù)資源進(jìn)行分類組合、聚合，加工提取面向突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急主題服務(wù)的更高級信息，提供更高智能化的聚合服務(wù)，如地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、群策群防信息、預(yù)報(bào)雨量站、實(shí)時(shí)雨量站、預(yù)報(bào)雨量等值線等臨災(zāi)處置中多源異構(gòu)信息的有機(jī)融合展示和二三維聯(lián)動。

3.2 地名地址匹配技術(shù)

地名地址匹配技術(shù)是根據(jù)文字性的地名地址與其空間的地理位置坐標(biāo)建立起對應(yīng)關(guān)系的過程。主要由空間參照數(shù)據(jù)庫、分詞庫、地名地址拆分及標(biāo)準(zhǔn)化、地址匹配規(guī)則配置及地名地址匹配引擎部分組成，其核心是地名地址匹配引擎，可以滿足單、批量地名地址匹配以及交互匹配的需求，提供了一種將非空間信息空間化的手段。地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急災(zāi)(險(xiǎn))情速報(bào)中經(jīng)常遇到文字性的速報(bào)地名，可通過地名地址匹配技術(shù)快速轉(zhuǎn)換成空間數(shù)據(jù)，滿足速報(bào)快速定位需要。

3.3 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪技術(shù)

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急態(tài)勢標(biāo)繪是在二維、三維地理信息融合基礎(chǔ)上，對地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援現(xiàn)場隨時(shí)間變化的應(yīng)急態(tài)勢進(jìn)行標(biāo)注分析，使用圖形符號標(biāo)繪應(yīng)急指揮部署、應(yīng)急處置方案、救護(hù)、搶險(xiǎn)行進(jìn)路線和救援經(jīng)過等，形成專業(yè)的態(tài)勢圖。該體系將突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急態(tài)勢信息分為災(zāi)情標(biāo)繪點(diǎn)、災(zāi)區(qū)地理環(huán)境、危險(xiǎn)區(qū)、撤退方向態(tài)勢標(biāo)繪等四類態(tài)勢標(biāo)繪元素。

TerraExplorer API(TE API)是Skyline提供的三維應(yīng)用開發(fā)接口，支持C/S和B/S兩種開發(fā)模式，提供點(diǎn)、線、面、體等地圖圖形要素制圖與可視化接口。本文基于TerraExplorer API進(jìn)行瀏覽器客戶端二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急場景中態(tài)勢標(biāo)繪元素的可視化顯示、無級縮放和有效融合。在態(tài)勢標(biāo)繪基礎(chǔ)上進(jìn)行三維空間分析，使分析人員對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害所處地理環(huán)境認(rèn)識更深入和全面，是用于應(yīng)急處置分析的重要手段。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空間信息技術(shù)及地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代化信息技術(shù)運(yùn)用于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急空間輔助決策方面工作的良好實(shí)踐。本次工作提出了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急決策所涉及到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了跨平臺、跨部門的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與集成;總結(jié)歸納了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急實(shí)際工作中遇到的所有災(zāi)(險(xiǎn))情速報(bào)情況，并分別提出了處理辦法;在臨災(zāi)狀態(tài)下，本系統(tǒng)能夠快速的為應(yīng)急會商領(lǐng)導(dǎo)及專家提供災(zāi)(險(xiǎn))情發(fā)生地的地理位置、交通情況、地質(zhì)背景、實(shí)時(shí)雨量、預(yù)報(bào)雨量及地形地貌情況，輔助應(yīng)急會商專家和領(lǐng)導(dǎo)快速準(zhǔn)確的做出臨災(zāi)處置決策。

目前國內(nèi)鮮有這樣的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急空間輔助決策支持系統(tǒng)的實(shí)踐工作，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，將促進(jìn)我省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急輔助決策信息化水平的提高，從而達(dá)到制定臨災(zāi)處置決策迅速準(zhǔn)確，最大限度的減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的目的;同時(shí)對其他兄弟省份的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急空間輔助決策支持系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

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