三維GIS平臺的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)研究

焦道振，謝榮安，楊賢偉

(廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800)

三維GIS平臺的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)研究

焦道振，謝榮安，楊賢偉

(廣東省地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510800)

依托三維仿真技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，全面整合了地面沉降監(jiān)測資料和相關(guān)信息，建立了地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地面沉降調(diào)查監(jiān)測海量信息的數(shù)據(jù)庫管理，為政府部門制定地質(zhì)災(zāi)害防治措施和保證重點(diǎn)大型工程項(xiàng)目的建設(shè)提供了技術(shù)支持。

三維GIS；地面沉降；地質(zhì)災(zāi)害

一、引 言

珠江三角洲地區(qū)覆蓋面積約11 681 km2，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。改革開放以來，隨著該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速增長、人口的迅猛增加、城市化水平的日益提高，人類經(jīng)濟(jì)、工程活動(dòng)、大量開采地下水等所引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題對人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的影響也越來越突出，尤其是作為地質(zhì)環(huán)境問題之一的地面沉降問題，已直接給區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的危害和阻礙。為了保障珠江三角洲地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境安全，保障廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，保持珠江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，避免因地面沉降帶來的更多災(zāi)害，迫切需要建立采集、管理與分析系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確把握地面沉降動(dòng)態(tài)，為政府制定防治措施和保證重點(diǎn)大型工程項(xiàng)目的建設(shè)提供決策性保障和技術(shù)支持。

三維GIS技術(shù)的誕生使得城市管理的技術(shù)手段變得越來越豐富[1]，三維GIS平臺在陸地三維場景構(gòu)建和可視化技術(shù)方面比較成熟[2]。地理信息技術(shù)的發(fā)展為建設(shè)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)提供了支撐。為了達(dá)到該項(xiàng)目標(biāo)，需要以地面沉降監(jiān)測資料為依托，建立地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面沉降調(diào)查監(jiān)測海量信息的數(shù)據(jù)庫管理，對沉降監(jiān)測點(diǎn)及其相關(guān)資料進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)分析、沉降預(yù)測、信息發(fā)布功能等。通過全面收集本項(xiàng)目涉及的地質(zhì)資料，筆者進(jìn)行了地面沉降現(xiàn)狀調(diào)查、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、首期系統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測，利用獲得的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及地質(zhì)資料數(shù)據(jù)，建立了地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)需要建立不同數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，集成不同的軟件平臺，因此，在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)建設(shè)上采用多層分布式架構(gòu)，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，將不同的應(yīng)用模塊集成在同一個(gè)框架下，建設(shè)完成后的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系和安全保障體系縱向貫穿框架體系的各個(gè)層次。框架體系分別有運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

1.運(yùn)行支撐層

運(yùn)行支撐層是系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的載體，依托現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施軟硬件環(huán)境建設(shè)，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器系統(tǒng)、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)等環(huán)境，以及專用計(jì)算機(jī)機(jī)房環(huán)境等。

2.數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包含遙感數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)5大類專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和運(yùn)維的管理類數(shù)據(jù)，采用一個(gè)分布式的、開放的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[3]。

3.服務(wù)層

服務(wù)層是平臺建設(shè)的核心內(nèi)容。服務(wù)層將數(shù)據(jù)層的各種數(shù)據(jù)發(fā)布成服務(wù)，以提供給應(yīng)用層調(diào)用、顯示，并執(zhí)行各種操作。

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層是基于數(shù)據(jù)和服務(wù)建立起來的多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的集合。

三、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要功能模塊包括信息采集子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、決策分析子系統(tǒng)和后臺維護(hù)子系統(tǒng)等。

1.信息采集子系統(tǒng)

該系統(tǒng)定期自動(dòng)讀取沉降監(jiān)測設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息；同時(shí)把實(shí)時(shí)監(jiān)測信息定期發(fā)回?cái)?shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心對接收的監(jiān)測信息進(jìn)行監(jiān)理、分類、入庫等操作；對于異常數(shù)據(jù)通知系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注；可以自定義采集的時(shí)間和采集點(diǎn)。

主要功能包括采集計(jì)劃、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)監(jiān)理、數(shù)據(jù)入庫等。

2.信息管理子系統(tǒng)

該系統(tǒng)維護(hù)和管理沉降監(jiān)測的各種設(shè)備和其相應(yīng)的屬性信息維護(hù)。

主要功能包括監(jiān)測站管理、監(jiān)測信息維護(hù)、查詢?yōu)g覽、圖層管理等。

3.決策分析子系統(tǒng)

該系統(tǒng)形象直觀地管理監(jiān)測設(shè)備和瀏覽監(jiān)測信息，并且能對動(dòng)態(tài)的監(jiān)測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、三維空間分析、監(jiān)測報(bào)表統(tǒng)計(jì)、成果輸出、監(jiān)測專題圖管理等輔助決策分析。

主要功能包括監(jiān)測設(shè)備瀏覽、信息查詢、三維漫游、三維空間分析、三維控制、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、專題圖管理、沉降預(yù)測、報(bào)表統(tǒng)計(jì)，成果輸出等。

4.后臺維護(hù)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要的功能是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和信息安全可靠，包括用戶管理、權(quán)限分配管理、性能分析、日志監(jiān)控、監(jiān)控、數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)等。

主要功能包括用戶管理、狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)和屬性維護(hù)等。

四、關(guān)鍵技術(shù)

1.面向服務(wù)架構(gòu)的SOA技術(shù)

本系統(tǒng)采用SOA技術(shù)，將面向地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測管理的不同應(yīng)用與服務(wù)統(tǒng)一封裝起來，并將其通過不同的表現(xiàn)形式表現(xiàn)出來(包括C/S、Web表現(xiàn))，通過統(tǒng)一的登錄門戶進(jìn)行管理。SOA技術(shù)的敏捷性和靈活性有巨大的好處，標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)通過協(xié)同工作，使分散的服務(wù)能夠快速、輕松地連接起來。

面向服務(wù)的架構(gòu)SOA技術(shù)是一種架構(gòu)方法，可以創(chuàng)建互操作的、松耦合的業(yè)務(wù)服務(wù)體系，這些服務(wù)能夠方便地在地面沉降信息管理系統(tǒng)內(nèi)部和外部共享。面向服務(wù)體系SOA技術(shù)結(jié)構(gòu)有如下特征：模塊化和包含、松散耦合、互操作性、接口的明確定義、位置透明的可組合性。

2.采用可擴(kuò)展標(biāo)識語言(XML)和Web Service技術(shù)

本系統(tǒng)采用可擴(kuò)展標(biāo)識語言(extensible markup language，XML)和Web Service技術(shù)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所制訂的通用語言標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)(standard generalized markup language，SGML)的一個(gè)精簡集。它是用于定義其他標(biāo)識語言的一種元語言，用于描述信息的各種標(biāo)識都可以由設(shè)計(jì)者自行建立，以強(qiáng)化特定專業(yè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)。Web服務(wù)是使應(yīng)用程序可以采用與平臺無關(guān)和與編程語言無關(guān)的方式進(jìn)行相互通信的一項(xiàng)技術(shù)，它使用基于XML語言的協(xié)議來描述要執(zhí)行的操作或要與另一個(gè)Web服務(wù)交換的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對外提供服務(wù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)布與共享可采用Web Service技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和異構(gòu)系統(tǒng)的整合。

另外，AJAX技術(shù)可大幅降低頁面刷新次數(shù)，提高數(shù)據(jù)訪問效率，優(yōu)化用戶使用體驗(yàn)，如在地面沉降系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫交互、數(shù)據(jù)傳輸中大量采用XML語言來描述信息，并作為數(shù)據(jù)交換的基本格式。由于XML具有數(shù)據(jù)來源的多樣性和多種應(yīng)用的靈活性、柔韌性和適應(yīng)性，以及內(nèi)容與形式的分離性，它具有開放的標(biāo)準(zhǔn)，有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化[4]。

3.海量數(shù)據(jù)快速發(fā)布技術(shù)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型多樣，特別是各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)資料數(shù)據(jù)均為海量數(shù)據(jù)，且有許多為柵格數(shù)據(jù)，需采用先進(jìn)的海量數(shù)據(jù)快速發(fā)布技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和優(yōu)化。

數(shù)據(jù)的索引組織模型分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量采用多尺度及多級網(wǎng)格化分塊復(fù)合索引，建立多個(gè)尺度的行政區(qū)劃索引，到一定比例尺顯示定量的數(shù)據(jù)，按年度、區(qū)域、比例尺對數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度合理劃分，目的是減少每個(gè)獨(dú)立表的數(shù)據(jù)量。柵格數(shù)據(jù)也采用按年、區(qū)域的金字塔組織模型，建立數(shù)據(jù)倉庫時(shí)建立多維數(shù)據(jù)集，進(jìn)行OLAP多維分析，利用多維數(shù)據(jù)集進(jìn)行監(jiān)測業(yè)務(wù)報(bào)表展現(xiàn)和地質(zhì)三維監(jiān)測隱患點(diǎn)的數(shù)據(jù)挖掘等。

數(shù)據(jù)檢索使用網(wǎng)格索引、要素索引和屬性多級等；建立起全系統(tǒng)的多級元數(shù)據(jù)庫(矢量、柵格數(shù)據(jù))服務(wù)器，將柵格的瓦片數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)分別集中到多個(gè)高性能服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。柵格的索引元數(shù)據(jù)和矢量元數(shù)據(jù)在樹形節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)下的嵌入式數(shù)據(jù)庫文件中，實(shí)現(xiàn)柵格和矢量分布式存儲(chǔ)的功能。數(shù)據(jù)調(diào)度使用多級cache、多線程、多任務(wù)范圍快速調(diào)度。

4.空間信息服務(wù)技術(shù)

目前多數(shù)三維地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用還局限于數(shù)據(jù)庫型層面上，GIS的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的空間分析和海量的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。數(shù)據(jù)型GIS一般都實(shí)現(xiàn)了簡單的空間分析功能，如查詢統(tǒng)計(jì)、疊加分析等。本系統(tǒng)采用空間信息服務(wù)技術(shù)，在信息采集子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、決策分析子系統(tǒng)通過此技術(shù)對地質(zhì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析、預(yù)測預(yù)報(bào)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害、決策支持等方面的應(yīng)用要求。目前建立完善的空間數(shù)據(jù)分析理論和方法體系，集成先進(jìn)的空間數(shù)據(jù)分析工具，增強(qiáng)GIS的空間分析能力，使數(shù)據(jù)型GIS上升為分析型GIS，是GIS技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展目標(biāo)和趨勢[6]。

五、結(jié)束語

珠江三角洲及周邊地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息管理系統(tǒng)是一個(gè)針對地面沉降地質(zhì)災(zāi)害綜合管理服務(wù)專業(yè)信息管理平臺，是以地面沉降監(jiān)測資料為依托，實(shí)現(xiàn)了地面沉降調(diào)查監(jiān)測海量信息的數(shù)據(jù)庫管理，可對地面沉降監(jiān)測點(diǎn)及其相關(guān)資料進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析、地面沉降災(zāi)害預(yù)測、信息發(fā)布功能等的綜合管理分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為珠江三角洲及其周邊地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的管理及研究提供現(xiàn)代化的技術(shù)管理方法；為提高地面沉降地質(zhì)災(zāi)害防治的各部門應(yīng)急反應(yīng)能力奠定基礎(chǔ)；為政府部門控制或防治地面沉降地質(zhì)災(zāi)害、合理開發(fā)和利用地下資源、科學(xué)地進(jìn)行區(qū)域經(jīng)濟(jì)規(guī)劃與建設(shè)提供規(guī)劃和決策依據(jù)；向全社會(huì)提供地面沉降監(jiān)測的信息服務(wù)，為國家減輕地面沉降災(zāi)害損失提供技術(shù)支撐；為實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供可靠的依據(jù)。

[1] 唐楨，張新長，曹凱濱.基于Skyline的三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].測繪通報(bào)，2010(5)：10-12.

[2] 徐勝華，劉紀(jì)平，王想紅，等.基于三維GIS的海洋標(biāo)量場數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化[J].測繪通報(bào)，2013(10)：50-53.

[3] 田黨生.西安地質(zhì)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與實(shí)現(xiàn)[N].國土資源信息化，2010-02-20(04).

[4] 孫曉生，苗前軍，丁明柱.基于Web Service的空間信息服務(wù)技術(shù)探討[J].測繪科學(xué)，2004，29(B12)：120-122.

[5] 羅俊彪，陳穎彪，郭冠華，等.基于GIS技術(shù)的影像數(shù)據(jù)庫建立與設(shè)計(jì)方法研究——以增城市為例[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，10(5)：76-82.

[6] 劉湘南，黃方，王平.GIS空間分析原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

Research on Ground Settlement Geological Hazard Information System Based on 3D GIS Platform

JIAO Daozhen，XIE Rongan，YANG Xianwei

P208

B

0494-0911(2014)11-0120-03

2014-02-12

焦道振(1977—)，男，安徽碭山人，助理工程師，主要從事數(shù)據(jù)建庫及基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的工作。

焦道振，謝榮安，楊賢偉.三維GIS平臺的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)研究[J].測繪通報(bào)，2014(11)：120-122.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0379