3S技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的新應(yīng)用

倪恒　劉翔宇　謝謨文

摘 要：隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，3S技術(shù)也迎來了飛速發(fā)展時期。各行各業(yè)也都引入3S技術(shù)以推動本領(lǐng)域的技術(shù)變革。地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查是工程設(shè)計、地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃等工作的基礎(chǔ)，文章針對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中遇到的問題，引入了3S（RS、GIS、GPS）技術(shù)，并且提出了一種基于3S技術(shù)的綜合解決方案，發(fā)揮3S的各自優(yōu)勢，讓現(xiàn)場作業(yè)人員時刻知道“我”當(dāng)前在什么位置，“我”周圍的環(huán)境是怎樣的，以及回到辦公室整理資料時能快速知道“我”在哪個地方，記錄了什么以及“我”拍攝照片的位置，目的是為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查現(xiàn)場工作和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查后的室內(nèi)工作提供支持和便利。

關(guān)鍵詞：3S；地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查；GPS照片；三維GIS；地理信息系統(tǒng)

遙感（RS，Remote Sensing）技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的對地觀測綜合性技術(shù)，是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而識別、測量并分析目標(biāo)物性質(zhì)的技術(shù)，可在全球?qū)用娼沂镜厍虮砻娓饕氐目臻g分布特征與時空變化規(guī)律。遙感技術(shù)讓大面積的同步觀測成為現(xiàn)實，可以在短時間內(nèi)對同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)監(jiān)測，其數(shù)據(jù)具有很強的綜合性、可比性和經(jīng)濟(jì)性。

20世紀(jì)90年代以來，遙感技術(shù)已深入到環(huán)境評價與監(jiān)測、地球資源勘探及動態(tài)監(jiān)測、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件研究及作物估產(chǎn)、水災(zāi)和火災(zāi)監(jiān)測、森林和作物病蟲害研究以及軍事偵察等諸多領(lǐng)域，從室內(nèi)的工業(yè)測量到大范圍的陸地、海洋、大氣信息的采集以至全球范圍環(huán)境變化的監(jiān)測。經(jīng)過半個世紀(jì)的探索和嘗試，現(xiàn)在已經(jīng)在實用化的方向上邁出重要的一步。近年來遙感技術(shù)越來越受到各國的普遍重視，世界遙感技術(shù)面臨著突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新的傳感器將使遙感技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬，監(jiān)測精度不斷提高，新的遙感處理軟件將使科技人員的工作效率大大提高，綜合使用各種遙感資料變成可能，人們對遙感技術(shù)的重視加密后進(jìn)一步提高，遙感技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）產(chǎn)生于70年代中期。隨著其自身的不斷發(fā)展和應(yīng)用的日趨廣泛，GIS的定義也各種各樣，其中比較準(zhǔn)確且被廣泛接受的表述為：GIS是一個能用于進(jìn)行有效的搜集、儲存、更新、處理、分析和顯示所有形式之地理信息的計算機硬件、軟件、地理數(shù)據(jù)和有關(guān)人員（用戶）的有機集合。由此定義可知，GIS是一種工具，但不僅僅是一個制作地圖的工具，而且它可以按不同的比例尺、用不同的顏色繪制地圖。在GIS中，計算機硬件部分是骨架，沒有硬件，其它部分就無從依附；GIS的軟件部分是其精髓，沒有軟件，就不成其為GIS；地理數(shù)據(jù)則如血液一樣，沒有了地理數(shù)據(jù)，地理信息系統(tǒng)就成了空殼。我國GPS技術(shù)研究起步于80年代，進(jìn)入90年代以后，GPS技術(shù)研究、開發(fā)和應(yīng)用取得了長足進(jìn)展。GPS具有定位的高度靈活性和高精度、快速度、提供三維坐標(biāo)、全天候作業(yè)、操作簡便以及全球連續(xù)覆蓋等特點，已成為獲取現(xiàn)實空間數(shù)據(jù)的重要手段，也廣泛的應(yīng)用到了地質(zhì)工作中。它作為野外定位的最佳工具正逐步成為現(xiàn)代測量的主要手段，大幅度地提高了野外工作效率。

在地質(zhì)調(diào)查方面，地質(zhì)調(diào)查是一項綜合性的地質(zhì)工作，是各項地質(zhì)工作的先行步驟，是運用地質(zhì)理論和各種技術(shù)手段在一定區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的進(jìn)行綜合性調(diào)查工作在地質(zhì)填圖中的應(yīng)用，利用GPS手持儀方便進(jìn)行地質(zhì)填圖的數(shù)據(jù)采集，可以減少野外工作量，縮短成圖周期，克服了傳統(tǒng)方法中的一些缺點。增強了數(shù)據(jù)的共享性，有利于數(shù)據(jù)的二次開發(fā)與利用。GPS的單點絕對定位精度能夠滿足平原、山區(qū)、高山區(qū)等遮擋少的地區(qū)的地質(zhì)填圖及地質(zhì)工程測量在小比例尺地質(zhì)測量工作，用手持式GPS單點絕對定位技術(shù)測定地質(zhì)點，減少了控制測量環(huán)節(jié)，降低了成本，大大提高了工作效率和減輕了地質(zhì)、測繪人員的勞動強度。

地質(zhì)災(zāi)害是指在地球的發(fā)展演化過程中，由自然地質(zhì)作用和人類活動所形成的災(zāi)害性地質(zhì)事件，主要有崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、巖溶塌陷及地面沉降等。各類地質(zhì)災(zāi)害體在時間和空間上的分布及變化規(guī)模，既受制于自然地形地質(zhì)環(huán)境，又與人類活動密切相關(guān)，即各類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，有其特定的地形、地質(zhì)因素，且必然影響到工程建設(shè)及居民的正常生活。

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的目的就是為了調(diào)查清楚調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害情況，從而為工程設(shè)計、地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃等提供依據(jù)。以傳統(tǒng)的工作方法進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時，因調(diào)查路線、調(diào)查范圍及個人經(jīng)驗的局域性和時限性，一些被自然或人類活動改造過的地質(zhì)災(zāi)害遺跡，尤其是一些規(guī)模較大的地質(zhì)災(zāi)害體，在常規(guī)路線調(diào)查中也往往不易發(fā)現(xiàn)，使部分重要的地質(zhì)信息被遺漏的現(xiàn)象不可避免，尤其當(dāng)勘察工作周期短、人員緊張時，此種現(xiàn)象尤為突出。因此，在地質(zhì)調(diào)查及測繪工作中，如何以最省時的工作、最省力的辦法，以獲取最多的地質(zhì)信息、達(dá)到最理想的調(diào)查效果，歷來為廣大工程地質(zhì)人員所重視。

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查現(xiàn)場工作的過程中，由于是野外工作，工作中充滿了危險因素，加上天氣等因素的影響，從而使野外調(diào)查工作進(jìn)展緩慢。由于工程人員對現(xiàn)場環(huán)境不熟悉，導(dǎo)致調(diào)研出現(xiàn)盲區(qū)，而即使對現(xiàn)場環(huán)境十分熟悉，由于人的本身能力的限制，在大自然中仍然是十分的渺小，視野不能無限開闊，視角不能任意選擇，從而導(dǎo)致現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查是一項十分艱苦的工作?，F(xiàn)場拍攝一系列照片的過程中，要逐一記錄下拍攝照片的位置，記錄的過程無疑又消耗了寶貴的現(xiàn)場調(diào)研時間。即使目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)GPS數(shù)碼相機，由于它的原理是向照片的元數(shù)據(jù)信息中加入了坐標(biāo)信息，但是由于有泄密的隱患，故此未能快速普及。

目前地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作已經(jīng)引入了部分3S技術(shù)，比如借助手持GPS定位儀進(jìn)行定位，遙感圖紙的應(yīng)用等。但是目前還沒有一套完整的系統(tǒng)來整合這些資源，為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作進(jìn)行全面的技術(shù)升級、進(jìn)行提速。

1 總體方案設(shè)計

本方案結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的實際情況而提出的總體設(shè)計方案共分為硬件部分、軟件部分、數(shù)據(jù)處理三大部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.1 硬件部分

硬件部分主要有三部分組成：野外筆記本、GPS模塊、數(shù)碼相機。野外筆記本主要承載總體方案的軟件運行部分；GPS模塊主要給系統(tǒng)提供GPS坐標(biāo)，便于系統(tǒng)顯示和記錄當(dāng)前的坐標(biāo)信息；數(shù)碼相機主要是拍攝調(diào)查現(xiàn)場實際情況的照片。

1.2 數(shù)據(jù)及處理部分

該部分主要是GIS數(shù)據(jù)和RS數(shù)據(jù)的整理、轉(zhuǎn)換并制作成三維GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的過程。

1.3 軟件部分

軟件部分主要有三部分組成：數(shù)據(jù)顯示部分、GPS數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)庫部分。

數(shù)據(jù)顯示部分主要是顯示調(diào)查現(xiàn)場的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（比如居民點、道路、河流、行政區(qū)劃等）、GPS數(shù)據(jù)（當(dāng)前坐標(biāo)和已經(jīng)走過的路徑）和RS數(shù)據(jù)等，以及現(xiàn)場照片的拍攝地點和時間等；GPS數(shù)據(jù)處理部分主要包括GPS數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)庫的讀寫、現(xiàn)場路徑的更新、現(xiàn)場照片的自動加入等部分；數(shù)據(jù)庫主要是負(fù)責(zé)記錄現(xiàn)場的路徑。

1.4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的主要由如下功能組成：

（1）實現(xiàn)基本的點線面的創(chuàng)建與編輯操作，便于現(xiàn)場的災(zāi)害點的描述和記錄；

（2）三維場景的任意角度和距離的視角和全屏功能，方便現(xiàn)場參考；

（3）實現(xiàn)GPS當(dāng)前點的實時顯示功能，讓現(xiàn)場作業(yè)人員知道自己的位置；

（4）實現(xiàn)路徑記錄功能，便于現(xiàn)場調(diào)整調(diào)研計劃等；

（5）現(xiàn)場照片自動配置到場景的功能，便于后期資料的整理、報告和會議討論；

（6）數(shù)據(jù)庫操作功能，方便記錄現(xiàn)場的信息。

2 總體方案的實現(xiàn)

系統(tǒng)的總體方案的實現(xiàn)如圖2所示。

2.1 硬件部分

當(dāng)前市面上的筆記本理論上都可以用于本系統(tǒng)，但是由于是野外現(xiàn)場工作，選擇的時候需要考慮電池的續(xù)航問題和野外光線強的問題。因此易選用續(xù)航時間長的筆記本，必要時備用一塊電池，筆記本屏幕的明流度也是一個主要標(biāo)準(zhǔn)，野外光線強如果是明流度低的話，系統(tǒng)在強日光下很難看清楚。

GPS模塊目前市面上主要有獨立GPS導(dǎo)航器、藍(lán)牙GPS模塊、USBGPS模塊和筆記本內(nèi)置模塊，但是考慮到經(jīng)濟(jì)和易用方面，推薦采用usbGPS模塊。

數(shù)碼相機使用平時野外調(diào)查用的普通數(shù)碼相機即可。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分主要是由四個任務(wù)組成，如圖3所示。

從多源的等高線數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為GIS的等高線矢量數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)；

將遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、融合和調(diào)色等工作，使遙感圖像色彩更接近真實；

將DEM和遙感圖像進(jìn)行整合處理，制作出三維GIS數(shù)據(jù)庫；

將其他矢量數(shù)據(jù)（如道路、居民點、河流、行政邊界等）進(jìn)行整理，加入到場景中，便于現(xiàn)場參考。

2.3 軟件部分

軟件部分的開發(fā)有如下兩大原則：（1）產(chǎn)品模塊化：將產(chǎn)品按照功能進(jìn)行拆分，拆分成多個模塊，每個模塊制作成一個類，拆分原則是輸入?yún)?shù)簡單明了，功能獨立。（2）參數(shù)靈活化：不能將一些關(guān)鍵參數(shù)寫死，比如GPS端口號等，方便后期擴(kuò)展和調(diào)整。

軟件部分主要是采用C#為開發(fā)語言，采用商用三維GIS進(jìn)行二次開發(fā)，作為系統(tǒng)的顯示部分，設(shè)計了照片加入坐標(biāo)的模塊、GPS當(dāng)前位置實時顯示部分和歷史路徑部分的功能

部分模塊詳細(xì)設(shè)計：

GPS解析模塊：

輸入?yún)?shù)：從程序目錄的GPSparameters .ini讀取GPS參數(shù)（數(shù)據(jù)位長度、波特率、端口號）；

輸出參數(shù)：通過公共變量，返回如下參數(shù)X，Y，Z，速度，衛(wèi)星數(shù)，方向，水平精度，當(dāng)前時間；

public方法：GPSStart（）、GPSStop（）；

3Dlabel模塊：

輸入?yún)?shù)：GPS解析模塊-GPSClass，3DGIS窗口對象，程序目錄下的PictureParameters.ini文件提供Label名稱，label文件名，圖片縮放大小三個參數(shù)，isFoucus和isWrite2DB；

輸出參數(shù)：在3DGIS窗口創(chuàng)建Label，時時控制label的坐標(biāo)；

public方法：Start（）、Stop（）。

路徑記錄模塊：

輸入?yún)?shù)：時間間隔-POI2DBparameters.ini，GPS解析模塊-GPSClass，Access數(shù)據(jù)庫文件-自動復(fù)制模板文件；

輸出參數(shù)：無，直接向數(shù)據(jù)庫中插入記錄；

public方法：Start（）Stop（）；

另外還有POI照片自動處理模塊、數(shù)據(jù)庫讀寫模塊、基本點線面描繪模塊等在此不再贅述。

軟件的數(shù)據(jù)庫部分，因為需要記錄的資料主要是GPS采集的信息，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，因此選用Microsoft Office Access的數(shù)據(jù)庫文件（*.mdb）作為數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)。

3 方案展示

為了方便現(xiàn)場的操作，系統(tǒng)主要以工具欄形式操作，如圖4所示。系統(tǒng)實時路徑及當(dāng)前位置功能展示，如圖5所示。現(xiàn)場照片自動加入效果展示，如圖6所示。

4 結(jié)語

文章以解決地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中遇到的實際問題為出發(fā)點，提出了一套方便現(xiàn)場作業(yè)人員野外調(diào)查工作和室內(nèi)資料整理的3S解決方案。方案不但解決了現(xiàn)場調(diào)查人員頻繁對照手持GPS和圖紙查找自己位置的繁瑣而費時的事務(wù)，而且還解決了現(xiàn)場“一葉障目，不見泰山”的困窘，使現(xiàn)場作業(yè)人員能夠清楚地從三維GIS系統(tǒng)中看到自己所處位置周圍的環(huán)境，甚至從多視角觀察自己視野之外的情況，從而對現(xiàn)場的判定提供了有力的支持；同時提出了一種后期快速定位現(xiàn)場拍攝照片的方法，從而解決了室內(nèi)作業(yè)中對于照片的位置辨識和定位的。因此系統(tǒng)以其“實時場景定位、大范圍多角度視野、帶坐標(biāo)的現(xiàn)場圖片及現(xiàn)場記錄”的特點，必將在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮巨大的作用。

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作者簡介：倪恒（1977.02- ），男，湖北天門人，碩士，高級工程師，研究方向：核電廠及電力工程的巖土工程勘察、設(shè)計及地基處理。