基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息管理監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用

孫志華，侯恩兵,2，陳 韜,2，趙 超,2

（1.安徽省基礎(chǔ)測(cè)繪信息中心，安徽 合肥 230031；2.安徽省智慧城市與地理國(guó)情監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息管理監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用

孫志華1，侯恩兵1,2，陳 韜1,2，趙 超1,2

（1.安徽省基礎(chǔ)測(cè)繪信息中心，安徽 合肥 230031；2.安徽省智慧城市與地理國(guó)情監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

討論了將GIS技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)建設(shè)中的可行性，給出了建立地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)的方法；同時(shí)研究了地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息管理監(jiān)控系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)；地質(zhì)災(zāi)害；監(jiān)控預(yù)警

近些年來(lái)，崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，已嚴(yán)重威脅到民眾生命財(cái)產(chǎn)安全，影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制約了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。為了降低地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的影響，國(guó)家已開(kāi)展了大量工作來(lái)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和監(jiān)控[3]；并充分利用現(xiàn)代科技，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)情速報(bào)、信息發(fā)布等研發(fā)了高水平管理工作軟件。但目前我國(guó)仍沒(méi)有建立地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范，調(diào)查結(jié)果多以Excel文檔和紙質(zhì)文檔形式存儲(chǔ)，不利于調(diào)查數(shù)據(jù)的分析使用。另外，很多現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)因缺乏詳細(xì)地圖的參考，無(wú)法以空間位置為出發(fā)點(diǎn)展示和分析地質(zhì)災(zāi)害的變化趨勢(shì)；未能對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)實(shí)施有效監(jiān)控和預(yù)警。

空間位置是地質(zhì)災(zāi)害的重要屬性特征，而GIS是展現(xiàn)和分析空間信息屬性特征的重要技術(shù)手段之一[4-5]。隨著GIS技術(shù)的日益成熟,其強(qiáng)大的空間信息管理和分析功能可為地質(zhì)災(zāi)害研究提供有力工具,使對(duì)地質(zhì)災(zāi)害信息的管理和監(jiān)控進(jìn)入一個(gè)新的空間信息化時(shí)代[6-7]。綜上所述，有必要將GIS技術(shù)引入到地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的建設(shè)當(dāng)中去[8]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用B/S分布式架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和客戶(hù)層，結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)著重加強(qiáng)客戶(hù)端的用戶(hù)體驗(yàn)，利用ArcGIS API for JavaScript以及ExtJs開(kāi)發(fā)富客戶(hù)端應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的用戶(hù)操作邏輯并具有較高的性能，無(wú)需安裝任何客戶(hù)端軟件或?yàn)g覽器插件，直接打開(kāi)瀏覽器即可。

1）數(shù)據(jù)層，包括3個(gè)部分：對(duì)地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)題屬性信息和系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的管理；對(duì)背景地圖數(shù)據(jù)如矢量、影像等地圖服務(wù)的訪問(wèn)；對(duì)如氣象、水文等相關(guān)部門(mén)發(fā)布的氣象、水文等影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的專(zhuān)題數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2）應(yīng)用層，細(xì)分為控制層、業(yè)務(wù)邏輯層和基本服務(wù)層。業(yè)務(wù)邏輯層是承載系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)的層次，采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。在業(yè)務(wù)邏輯層完成對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的瀏覽、管理、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)及預(yù)警的邏輯建模和對(duì)象封裝。系統(tǒng)使用SOA技術(shù)進(jìn)行服務(wù)封裝和發(fā)布，空間數(shù)據(jù)和功能使用ArcGIS Server封裝和發(fā)布。控制層面向客戶(hù)端提供各種http接口。基本服務(wù)層主要完成系統(tǒng)內(nèi)部的日志記錄、消息傳遞等縱向業(yè)務(wù)邏輯。

3）客戶(hù)層。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，客戶(hù)端的硬件性能越來(lái)越好，因此在設(shè)計(jì)客戶(hù)層架構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)采用JavaScript和Html5表現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防監(jiān)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)和邏輯控制。向下通過(guò)調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層提供的各類(lèi)服務(wù)接口完成各模塊設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)功能，將查詢(xún)、結(jié)果表現(xiàn)等操作分布到客戶(hù)層執(zhí)行。此方案既可降低服務(wù)器的壓力，又可減少客戶(hù)端與服務(wù)器端的交互次數(shù)，提高了客戶(hù)端瀏覽與查詢(xún)的速度。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

1）基礎(chǔ)GIS功能，主要包括矢量/影像/三維地圖的瀏覽切換、地圖的放縮工具、長(zhǎng)度和面積量測(cè)、地圖標(biāo)注及打印、隱患點(diǎn)查詢(xún)結(jié)果在地圖中的展示以及地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)專(zhuān)題數(shù)據(jù)的疊加。其通過(guò)二三維地圖，結(jié)合GIS和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)專(zhuān)題數(shù)據(jù)展現(xiàn)空間信息特征，使得各地質(zhì)災(zāi)害的分布和屬性信息在地圖上一覽無(wú)余。

2）地質(zhì)災(zāi)害信息管理功能。普通用戶(hù)可對(duì)地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行更新、新增、核銷(xiāo)等操作，但這些操作必須通過(guò)管理員審核確認(rèn)后才會(huì)生效。管理員有直接操作隱患點(diǎn)信息和審核的權(quán)限。

3）地質(zhì)災(zāi)害信息統(tǒng)計(jì)分析功能。為了能客觀反映地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域性分布情況、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的核銷(xiāo)治理情況以及各災(zāi)種和災(zāi)情大小的分布情況，系統(tǒng)還需對(duì)各類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害作不同側(cè)重點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，以協(xié)助管理員發(fā)現(xiàn)一定的分布規(guī)律，為隱患點(diǎn)的治理提供輔助決策支持。

4）地質(zhì)災(zāi)害信息實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。本系統(tǒng)還嘗試在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)搭建實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控人員無(wú)需去現(xiàn)場(chǎng)即可觀察周邊環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的環(huán)境變化情況，既能保證監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，又能保證觀察人員的人身安全。為了能進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)充，系統(tǒng)需提供監(jiān)控設(shè)備的接口，方便后期監(jiān)控設(shè)備的動(dòng)態(tài)接入；還需要提供監(jiān)控畫(huà)面的截圖、歷史錄像的查詢(xún)和云臺(tái)的控制功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

2.1 監(jiān)控環(huán)境搭建與接入

系統(tǒng)通過(guò)野外搭建高清紅外攝像頭，鋪設(shè)光纖寬帶的方式，將地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻接入到互聯(lián)網(wǎng)中，使得地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)部門(mén)能夠?qū)Ρ浪?、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的宏觀變形跡象和與其有關(guān)的各種異?，F(xiàn)象進(jìn)行定期觀測(cè)和記錄，以便隨時(shí)掌握崩塌、滑坡的變形動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。該方法具有直觀性、動(dòng)態(tài)性、適應(yīng)性和實(shí)用性的特點(diǎn)。

由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的周邊環(huán)境一般都較為復(fù)雜，系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備由專(zhuān)業(yè)的監(jiān)控公司負(fù)責(zé)施工。網(wǎng)絡(luò)和電源管道采用地下走線的方式，使用立桿的分離式監(jiān)控?cái)z像頭，保障監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行壽命。系統(tǒng)基于3S技術(shù)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控設(shè)備，以一定范圍（區(qū)域）的滑坡、泥石流及崩塌等地質(zhì)災(zāi)變體為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)其在時(shí)空域的變形破壞信息和災(zāi)變誘發(fā)因素信息實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（側(cè)重于時(shí)間域動(dòng)態(tài)信息的獲?。？紤]到監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)品的多樣性以及未來(lái)接入監(jiān)控設(shè)備的可擴(kuò)充性，系統(tǒng)基于Windows的ActiveX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供主流Web監(jiān)控?cái)z像頭的接入功能。

2.2 非插件式富客戶(hù)端開(kāi)發(fā)

目前主流B/S架構(gòu)的信息管理系統(tǒng)客戶(hù)端的解決方案有：①基于Ajax+JavaScript的非插件式客戶(hù)端開(kāi)發(fā)，②Adobe的Flex插件式客戶(hù)端開(kāi)發(fā)，③基于Siverlight的插件式富客戶(hù)端開(kāi)發(fā)。本項(xiàng)目使用了基于Ajax的非插件式富客戶(hù)端進(jìn)行前臺(tái)業(yè)務(wù)功能的展現(xiàn)和用戶(hù)的交互，Ajax框架的ExtJs可以很好地完成頁(yè)面展現(xiàn)功能并帶來(lái)良好的用戶(hù)體驗(yàn)。

2.3 基于事務(wù)的系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)

由于系統(tǒng)涉及到很多較為復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用基于事務(wù)的開(kāi)發(fā)方式完成業(yè)務(wù)邏輯的組織。采用基于ASP.NET MVC的3層體系構(gòu)架，將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為表示層（UI）、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（DAO）和業(yè)務(wù)邏輯層（Service）。把一個(gè)應(yīng)用的輸入、處理、流程按照Model、View、Controller的方式進(jìn)行分離，這樣有利于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)、部署輸出和擴(kuò)展。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和業(yè)務(wù)邏輯層分別定義一簇接口。業(yè)務(wù)邏輯層不依賴(lài)具體的數(shù)據(jù)訪問(wèn)層而僅依賴(lài)數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的接口；表示層依賴(lài)業(yè)務(wù)邏輯層的接口族。當(dāng)系統(tǒng)更換數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)時(shí)，不必改寫(xiě)整個(gè)業(yè)務(wù)邏輯層，因?yàn)闃I(yè)務(wù)邏輯層里沒(méi)有任何數(shù)據(jù)訪問(wèn)層中的具體類(lèi)而全部通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述的技術(shù)路線，結(jié)合六安市的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)專(zhuān)題數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了六安地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)管理與監(jiān)控系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文提出的關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害信息管理和預(yù)警的思想，同時(shí)為數(shù)字六安地理空間框架建設(shè)提供了的典型行業(yè)應(yīng)用示范案例。

圖3為基礎(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)信息管理面板，在管理員用戶(hù)和普通用戶(hù)系統(tǒng)界面均可打開(kāi)，主要提供多條件組合查詢(xún)隱患點(diǎn)，在地圖中顯示查詢(xún)結(jié)果，新增、修改、核銷(xiāo)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)和導(dǎo)出查詢(xún)結(jié)果等功能。

圖3 系統(tǒng)主界面

實(shí)時(shí)監(jiān)控：選中監(jiān)控列表下某行記錄后，點(diǎn)擊面板頂部工具欄內(nèi)“實(shí)時(shí)監(jiān)控”按鈕，出現(xiàn)隱患點(diǎn)監(jiān)控畫(huà)面（圖4），可通過(guò)點(diǎn)擊窗口內(nèi)“步長(zhǎng)”、“向上”、“向左”、“向右”、“向下”、“變倍”、“焦距”、“光圈”來(lái)調(diào)節(jié)畫(huà)面的角度和質(zhì)量。

歷史監(jiān)控：選中監(jiān)控列表下某行記錄后，點(diǎn)擊面板頂部工具欄內(nèi)“歷史監(jiān)控”按鈕，然后選擇監(jiān)控時(shí)間段，得到時(shí)間段內(nèi)的視頻監(jiān)控錄像文件；選擇某條記錄，點(diǎn)擊“播放”進(jìn)行歷史監(jiān)控錄像查看。

圖4 地災(zāi)隱患點(diǎn)監(jiān)控窗口

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)GIS、實(shí)時(shí)監(jiān)控等多種技術(shù)的應(yīng)用，成功設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了六安地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)管理與監(jiān)控系統(tǒng),通過(guò)系統(tǒng)強(qiáng)大的空間信息管理和分析功能為地質(zhì)災(zāi)害研究提供了有力的工具。同時(shí)，該系統(tǒng)也給地質(zhì)災(zāi)害部門(mén)管理、決策帶來(lái)了多方面的便利，將大大提高地質(zhì)災(zāi)害信息管理和監(jiān)控的工作效率，加強(qiáng)了地質(zhì)災(zāi)害各相關(guān)部門(mén)之間的信息共享。

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P208

B

1672-4623（2016）07-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.012

孫志華，工程師，主要從事GIS的應(yīng)用與研究。

2016-04-05。