基于Virtual Globes的綿竹山洪監(jiān)控系統(tǒng)研制★

黃永威 杜 勝 郎少林

(1.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731； 2.四川省蜀通巖土工程公司，四川 成都 610081)

0 引言

山洪災害是由降雨作用在特定地形地質(zhì)條件下的溝谷而產(chǎn)生的自然災害，具有突發(fā)性、季節(jié)性強、沖刷破壞力大、點面廣等特點，其誘發(fā)的滑坡、泥石流等災害，往往對局部地區(qū)的人民生命財產(chǎn)和基礎(chǔ)設施造成重大危害[1]。近年來，我國山洪災害問題日益突出，每年都造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。綿竹市地形陡峻，水系發(fā)育，多斜坡沖溝地形，區(qū)內(nèi)巖體風化破碎，松散堆積體大量堆積，導致該市地質(zhì)災害和水患多發(fā)。本文結(jié)合綿竹市國土資源局歷年來對重大山洪災害點汛期排查資料，將清平鄉(xiāng)等8個主要山洪災害點納入山洪災害遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并對其災害信息進行監(jiān)測，分析其變化趨勢。

山洪災害遠程監(jiān)測的核心是基于3S技術(shù)和網(wǎng)絡通訊技術(shù),實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)(異地分布的時態(tài)數(shù)據(jù))、多源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的有效集成[2,3]。本文基于Virtual Globes技術(shù)[4,5],實現(xiàn)了三維地理信息數(shù)據(jù)、地質(zhì)災害數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)無縫集成，并調(diào)用移動的MAS平臺,通過短信實現(xiàn)災害信息的實時自動報警,為山洪防汛決策提供及時、準確、可靠的依據(jù)，為實現(xiàn)預警決策自動化和防汛會商現(xiàn)代化提供有力支持[6]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 平臺選型

在山洪災害的數(shù)據(jù)模型、業(yè)務需求和功能需求等充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)上,本系統(tǒng)選用三維GIS平臺iTelluro作為開發(fā)平臺,系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境概述見表1。

表1 系統(tǒng)平臺和開發(fā)環(huán)境概述

Virtual Globes為數(shù)字地球的可視化軟件平臺，用戶可通過鼠標或鍵盤在三維空間尺度對整個地球進行縮放、漫游。相比傳統(tǒng)的二維GIS平臺，Virtual Globes具備網(wǎng)絡海量數(shù)據(jù)的集成管理、空間數(shù)據(jù)的實時可視化、與其他信息系統(tǒng)的集成和互操作等優(yōu)勢，更便于山洪災害監(jiān)控數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成管理和可視化表達。

1.2 系統(tǒng)設計

整個監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)為傳統(tǒng)的三層架構(gòu)，即客戶端、服務器端和數(shù)據(jù)庫(見圖1)?？蛻舳耸且粋€基于Virtual Globes技術(shù)的三維可視化程序，該部分基于iTelluro GlobeEngine和相關(guān)功能組件，使用VS的WinForm技術(shù)構(gòu)建，提供GIS地圖數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽、量算等基本功能，以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)項目的功能需求，滿足工作區(qū)內(nèi)山洪監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時預覽、查詢、統(tǒng)計分析、管理等功能。

客戶端本身不保存數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)都由服務器端提供,客戶端通過高級空間索引技術(shù)和空間數(shù)據(jù)流技術(shù)從服務器獲取所需的部分，以實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的支持?？蛻舳丝梢赃x擇是否保存緩存數(shù)據(jù),保存了緩存數(shù)據(jù)的客戶端可以在網(wǎng)絡斷開狀態(tài)下查看緩存于本地的部分數(shù)據(jù)。

服務器端是基于ASP.net開發(fā)，通過web服務與客戶端進行交互，并通過http協(xié)議返回客戶端的請求，經(jīng)服務器端的iTelluro Server提供空間數(shù)據(jù)、空間分析、空間應用服務等功能組件。數(shù)據(jù)層通過subsonic組件庫來進行數(shù)據(jù)庫訪問和數(shù)據(jù)調(diào)度。

數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008，主要是用來存取一些標注等屬性數(shù)據(jù)。三維空間數(shù)據(jù)采用三維引擎iTelluro Fusion來導入、存取和預處理。而監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括雨量、水位、視頻數(shù)據(jù)，采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫存儲，通過適配器，連接其他的GIS系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫相聯(lián)系，并調(diào)用其接口進行讀取。

2 功能設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

綿竹山洪災害遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計的技術(shù)路線，主要包括三維GIS模塊、監(jiān)測管理模塊、信息查詢模塊、業(yè)務系統(tǒng)模塊和短信報警模塊(見圖2)。

1)三維地理信息模塊。主要包括一些基本的GIS功能：POI信息點的信息查詢與定位，圖層管理、距離測量、面積測量、視圖漫游等空間測量功能，飛行定位和路線錄制，視圖上任意兩點間的剖面分析，以及坡面和坡度信息。同時,該模塊還將基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、災害易發(fā)分區(qū)、防治規(guī)劃等數(shù)據(jù)與WMS，ArcGIS Server等數(shù)據(jù)源相結(jié)合,為地質(zhì)災害的防治、管理和決策提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)災害數(shù)據(jù)管理模塊。針對監(jiān)控區(qū)主要的8個山洪災害點，建立其屬性數(shù)據(jù)表,并將其與空間地理信息相關(guān)聯(lián),實現(xiàn)三維視圖的查詢和編輯。監(jiān)測點管理主要實現(xiàn)對監(jiān)測點的空間位置信息、屬性數(shù)據(jù)信息以及設備信息(設備的編號、檢核信息以及數(shù)據(jù)異常信息等)的統(tǒng)一管理。

3)信息查詢?yōu)g覽模塊。在三維球體上，用戶可以通過選擇相應的監(jiān)測點進行監(jiān)測信息的查詢?yōu)g覽，或通過關(guān)鍵詞搜索定位查找區(qū)域災害信息。其中，雨量計監(jiān)測數(shù)據(jù)以24 h降雨量、6 h降雨量和1 h降雨量為單位進行降雨時序曲線統(tǒng)計，并以柱狀圖展示；水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)以具體時間段內(nèi)的水位量變化進行統(tǒng)計成圖，以折線圖展示；監(jiān)控視頻能進行監(jiān)測點的實時圖像傳輸展示，以便在中控中心全面、直觀的呈現(xiàn)監(jiān)控點的現(xiàn)場詳細災情，便于決策。此外，還可以查看監(jiān)測儀器的實時和歷史數(shù)據(jù)。

4)業(yè)務系統(tǒng)模塊。主要是實時水雨情監(jiān)控子系統(tǒng)，主要包括雨情監(jiān)控、水位監(jiān)控和發(fā)布系統(tǒng)。雨情監(jiān)控(水位監(jiān)控)通過在監(jiān)測點附近搭設雨量計(水位計)采集數(shù)據(jù)并實時存放在監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中，然后客戶端向服務器請求調(diào)用雨量的統(tǒng)計圖表頁面，進而顯示監(jiān)測信息。發(fā)布系統(tǒng)則采用ArcGIS Server和WMS發(fā)布服務，服務中包括基礎(chǔ)地理和基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)信息以及一些監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

5)短信報警模塊。首先設置目標聯(lián)系人和報警閥值，然后系統(tǒng)用戶基于移動的通信服務器，將短信內(nèi)容發(fā)送到目標聯(lián)系人。通過Windows的后臺服務，實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的雨量和水位數(shù)據(jù)，一旦這些數(shù)據(jù)超過報警閾值，短信自動報警模塊將短時間內(nèi)的實時監(jiān)控和報警數(shù)據(jù)發(fā)送到預先設定的目標聯(lián)系人的手機終端。這樣既提高了預警的時效性和準確性，同時，報警信息可以在Virtual Globes的三維視圖中顯示為不同顏色的閃爍圖標，并通過文字和信息窗口顯示其具體的報警內(nèi)容。

2.2 MAS功能及短信報警

系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測設備實時采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)面向防汛人員自動報警，過程如下:系統(tǒng)預先設置不同監(jiān)測設備4個不同級別(紅色、橙色、黃色、綠色)的報警閾值;然后，通過服務器Windows服務對監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進行實時監(jiān)控掃描；經(jīng)過專業(yè)報警模型進行報警計算，一旦達到閥值，就以短信的形式發(fā)送預警信息到已設置好的不同報警級別的目標聯(lián)系人，進行山洪災害的自動分級預警。

如圖3所示，山洪災害短信報警流程分為六個步驟：

1)按照各類型監(jiān)測設備的不同預警級別來設置閥值和相應的目標聯(lián)系人；2)創(chuàng)建Timer對象，讀取報警時間間隔，進而創(chuàng)建報警器控件；3)達到設定的時間間隔就從監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中讀取最近的數(shù)據(jù)，并判斷最近一次報警后是否存在新數(shù)據(jù)，如果有就進行報警計算，否則就直接進入下一次報警流程；4)進行報警計算，即計算一定日期和時間的降雨量和水位量；5)如果報警計算結(jié)果超過閥值，就發(fā)送短信到移動的MAS服務器，進行災害自動報警并保存報警信息到數(shù)據(jù)庫中，否則就進入下一次報警流程；6)進入下一步報警流程，當達到用戶設定的報警時間間隔，就進入下一輪報警。

2.3 系統(tǒng)集成與實現(xiàn)

在每個監(jiān)測點附近，監(jiān)測設備用于采集數(shù)據(jù)，并通過寬帶、光纖或無線GPRS等通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌刂行姆掌?，并及時存儲到監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。當客戶端向服務器端請求監(jiān)測數(shù)據(jù)時，服務器端通過數(shù)據(jù)服務遠程訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，及時查詢檢索監(jiān)測信息，并進行監(jiān)測圖表的實時繪制，并在三維GIS平臺上實現(xiàn)與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)以及預警信息的無縫集成顯示(見圖4,圖5)。

3 結(jié)語

1)綿竹市山洪災害遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于Virtual Globes技術(shù)，融合了地理信息數(shù)據(jù)、地質(zhì)災害數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及移動的短信平臺，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)、災害點數(shù)據(jù)以及三維空間數(shù)據(jù)的無縫集成，大大提高了預警系統(tǒng)的直觀性、實時性和有效性。

2)基于移動MAS平臺的短信報警模塊和基于Windows服務的后臺實現(xiàn)，可即時動態(tài)的展現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的最新情況，向用戶第一時間發(fā)布信息，便于對山洪災害及時指揮決策。

3)基于光纖和GPRS的數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)的可靠性，基于系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)的支持，也就保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

4)由于采用的短信報警計算模型和報警等級的劃分并不能完全符合山洪預警的實際需求，可能導致一些偏差，這些都要求對報警模型進行優(yōu)化，以便能更好的對山洪地質(zhì)災害進行預測預報。