空天地多源數(shù)據(jù)地表形變分級監(jiān)測平臺構(gòu)建

何原榮，李棟坤，余德清，宋永飛，蔡小櫻，崔城瑋

（1.廈門理工學(xué)院 數(shù)字福建自然災(zāi)害監(jiān)測大數(shù)據(jù)研究所，福建 廈門 361024；2.洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410007；3.寧夏國土資源勘測監(jiān)測研究院，寧夏 銀川 750002）

地面沉降是一種地面下沉或地陷現(xiàn)象。聯(lián)合國教科文有關(guān)組織預(yù)測，到2040年，世界地面沉降潛在面積將增長8%，其中地面沉降風(fēng)險(xiǎn)最嚴(yán)重的區(qū)域集中于亞洲［1］?？焖匍_展地表形變監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)排查安全隱患，提高防范能力與水平，尤為重要。

傳統(tǒng)的地表形變監(jiān)測存在點(diǎn)觀測、成本高、受天氣影響大等不足［2-4］。而差分雷達(dá)干涉測量技術(shù)不受天氣、光照條件限制，具有全天時(shí)、全天候地對地觀測能力［5］，被廣泛應(yīng)用于形變監(jiān)測。多時(shí)相InSAR 技術(shù)進(jìn)一步克服D-InSAR 技術(shù)失相干、大氣延遲等影響，成為近年來研究熱點(diǎn)［7-10］。利用多時(shí)相InSAR 技術(shù)進(jìn)行大范圍、高精度形變監(jiān)測，在時(shí)空上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足。近年來，國內(nèi)學(xué)者［11-12］構(gòu)建了“空天地”一體化監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域掃面性形變普查、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)安全排查、隱患點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

實(shí)景三維中國建設(shè)，推動(dòng)了實(shí)景三維在災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用和三維可視化平臺的構(gòu)建，克服了傳統(tǒng)二維數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像的信息缺乏、片面、抽象等不足，為民眾提供了直觀的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有多維展示、沉浸感強(qiáng)、直觀等優(yōu)點(diǎn)［13-14］。

本文提出了構(gòu)建“空天地”一體化地表形變分級監(jiān)測體系，并基于Cesium、Spring Boot、MySQL數(shù)據(jù)庫構(gòu)建三維可視化平臺，探測地表形變情況，排查安全隱患，實(shí)現(xiàn)多源形變監(jiān)測數(shù)據(jù)三維展示、動(dòng)態(tài)查詢，進(jìn)行形變監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)，提升主動(dòng)防范能力和水平，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 空天地多源數(shù)據(jù)形變分級監(jiān)測體系及系統(tǒng)框架

1.1 地表形變分級監(jiān)測體系

基于“空天地”多源監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建地表形變分級監(jiān)測體系，開展大范圍動(dòng)態(tài)普查—局部安全排查—定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)高精度、全方位、立體探測地表形變，排查安全隱患，減少經(jīng)濟(jì)損失。圖1 為地表形變分級監(jiān)測體系框架圖，具體方案如下。一級大范圍動(dòng)態(tài)普查：借助多時(shí)序高分辨率光學(xué)影像和PS-InSAR技術(shù)初步識別、探測地表形變，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性、掃面性動(dòng)態(tài)普查，并篩選出形變漏斗，視為安全隱患區(qū)域。二級安全隱患排查：基于無人機(jī)遙感技術(shù)對隱患區(qū)域定期航拍，構(gòu)建多時(shí)序傾斜模型、正射影像、三維點(diǎn)云，立體探測，分析區(qū)域時(shí)空變化；并基于VUE 框架構(gòu)建地表形變外業(yè)核查軟件客戶端（App），開展隱患區(qū)域信息采集并拍照記錄，排查隱患點(diǎn)。三級定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測：針對隱患點(diǎn)，構(gòu)建高精度實(shí)景三維模型，提取建筑物測繪信息，并數(shù)字化存檔；對隱患點(diǎn)架設(shè)GNSS 監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 “空天地”多源數(shù)據(jù)地表形變分級監(jiān)測體系Fig.1 Hierarchical monitoring system for surface deformation with multi-source data of air-space and earth

1.2 三維可視化系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)基于Cesium、Spring Boot、MySQL 數(shù)據(jù)庫，以二維地圖為底圖，疊加實(shí)景三維模型，并通過Node.Js 橋接后端，訪問PS 點(diǎn)、GNSS 監(jiān)測站、外業(yè)核查表數(shù)據(jù)庫，將形變監(jiān)測數(shù)據(jù)以曲線、表格形式表征，提供更直觀的形變監(jiān)測信息。圖2 為三維可視化系統(tǒng)框架。

圖2 三維可視化系統(tǒng)框架圖Fig.2 3D visualization platform frame diagram

2 關(guān)鍵技術(shù)原理

2.1 一級形變普查

2.1.1 基于PSI 技術(shù)與高分辨率影像的地表形變大范圍動(dòng)態(tài)普查

PS-InSAR 技術(shù)由Ferretti［15］首次正式提出，并在2003年Fringe大會上被確認(rèn)為InSAR領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一。自此PS-InSAR 技術(shù)逐漸成為國際相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市地表形變監(jiān)測［16-18］。PS-InSAR 技術(shù)通過提取具有穩(wěn)定散射特性的高相干點(diǎn)（PS 點(diǎn)）目標(biāo)上的時(shí)序相位信號進(jìn)行分析，反映區(qū)域地表形變平均速率和時(shí)間序列形變信息，形變測量精度能夠達(dá)到厘米級甚至毫米級［15］；根據(jù)PSInSAR 技術(shù)提取的形變速率結(jié)果篩查沉降漏斗，結(jié)合高分辨率光學(xué)影像對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行核驗(yàn)，確認(rèn)安全隱患區(qū)域，其技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 PS-InSAR與遙感影像地表形變初識別流程Fig.3 PS-InSAR and remote sensing image surface deformation identification process

2.2 二級安全排查

2.2.1 基于無人機(jī)遙感技術(shù)安全排查

針對安全隱患區(qū)域，利用無人機(jī)搭載相機(jī)、LiDAR傳感器航飛采集數(shù)據(jù)，并使用大疆制圖軟件，生產(chǎn)多時(shí)序正射影像、傾斜模型、三維激光點(diǎn)云，通過多時(shí)序?qū)Ρ确治龊Y查安全隱患點(diǎn)，可為人工巡查縮小調(diào)查范圍。圖4為無人機(jī)遙感技術(shù)安全排查流程。

圖4 基于無人機(jī)遙感技術(shù)安全排查Fig.4 Security investigation based on UAV remote sensing technology

2.2.2 基于外業(yè)核查App人工巡檢安全排查

根據(jù)初步提取的安全隱患區(qū)域，開展人工巡檢，采集環(huán)境信息并拍照記錄，可為相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)支撐。為提高外業(yè)采集的效率，保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，本實(shí)驗(yàn)還基于Vue 框架構(gòu)建外業(yè)核查App，該App 是三維可視化平臺配套的外業(yè)實(shí)地核查客戶端，根據(jù)核查信息采集需求，軟件設(shè)計(jì)功能如圖5所示。

圖5 外業(yè)核查App功能構(gòu)架Fig.5 Field verification App functional architecture

2.3 三級定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測

2.3.1 基于高精度實(shí)景三維建筑信息提取

針對安全隱患點(diǎn)，利用無人機(jī)航拍建模生成傾斜模型，結(jié)合機(jī)載LiDAR 和架站式三維激光掃描獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，融合傾斜模型與三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建高精度實(shí)景三維模型，進(jìn)一步對存在安全隱患的建筑物進(jìn)行安全排查，提取區(qū)域總平面圖，繪制建筑物的分層平面圖、立面圖、剖面圖，并數(shù)字化存檔，可為制定相應(yīng)的防范措施提供數(shù)據(jù)參考，也可作為定責(zé)的重要依據(jù)。高精度實(shí)景三維建筑信息提取技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 建筑物數(shù)字化建檔Fig.6 Building digital documentation

2.3.2 基于GNSS技術(shù)的隱患點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測

本實(shí)驗(yàn)基于太陽能，自主設(shè)計(jì)電能與電源管理電路，使監(jiān)測站點(diǎn)供電自給自足，再集成GNSS 定位系統(tǒng)采集地表沉降數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)毫米級監(jiān)測，最后基于互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行解譯，獲取高精度經(jīng)緯度及高程。圖7 為GNSS 高精度定位監(jiān)測。

圖7 GNSS高精度定位監(jiān)測Fig.7 GNSS high-precision positioning monitoring

3 “空天地”形變監(jiān)測三維可視化平臺構(gòu)建

構(gòu)建“空天地”形變監(jiān)測三維可視化平臺，平臺采用前后端分離開發(fā)，采用Node.Js 作為橋梁架接服務(wù)器端API 輸出的JSON。前端采用Vue、Cesium 框架設(shè)計(jì)構(gòu)建網(wǎng)頁界面和功能；后端采用Spring Boot+tomact進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)布、數(shù)據(jù)發(fā)布、處理請求、數(shù)據(jù)庫操作等；數(shù)據(jù)庫采用MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建InSAR、外業(yè)核查、GNSS監(jiān)測站數(shù)據(jù)庫表，如表1-3所示。

表1 PSI解算數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)Tab.1 Database table design for PSI solution

表2 GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)Tab.2 Database table design of GNSS monitoring

表3 外業(yè)核查App數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)Tab.3 Field verification App database table design

3.1 三維可視化平臺功能實(shí)現(xiàn)

3.1.1 三維可視化平臺搭建

系統(tǒng)前端基于Vue、Cesium 框架設(shè)計(jì)、構(gòu)建網(wǎng)頁界面和功能；后端基于Spring Boot+tomact 進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)布、數(shù)據(jù)發(fā)布、處理請求。瀏覽器請求服務(wù)器端的Node.Js；Node.Js再發(fā)起HTTP去請求JSP；JSP依然原樣API 輸出JSON 給Node.Js；Node.Js 收到JSON 后再渲染出HTML頁面，將HTML頁面Flash到瀏覽器。

3.1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）底圖管理模塊。Cesium 框架支持各種地圖底圖的顯示，包含天地圖、谷歌等標(biāo)準(zhǔn)影像加載接口，不同類型的地圖有相應(yīng)的加載類及在線地圖服務(wù)URL，選擇不同的地圖，加載底圖顯示。

（2）數(shù)據(jù)圖層管理模塊。數(shù)據(jù)圖層管理模塊主要管理遙感影像、InSAR圖層、實(shí)景三維模型及三維激光點(diǎn)云等數(shù)據(jù)的加載與刪除。

（3）InSAR 監(jiān)測模塊。InSAR 監(jiān)測模塊用于展示InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)，功能包含色域顯示調(diào)整、監(jiān)測圖層選擇、監(jiān)測點(diǎn)三維渲染、形變速率變化曲線。圖8 為InSAR 監(jiān)測功能模塊。InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過配置本地MySQL 數(shù)據(jù)庫代理，前端借助Node.Js 訪問后端數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù)的點(diǎn)位坐標(biāo)、年平均形變速率及時(shí)間節(jié)點(diǎn)形變量。PS 點(diǎn)加載顯示主要依據(jù)經(jīng)緯度與系統(tǒng)二維地圖匹配疊加，依據(jù)年平均形變速率調(diào)整色域顯示范圍，并以不同顏色展示。

圖8 InSAR監(jiān)測功能模塊Fig.8 InSAR monitoring module

監(jiān)測點(diǎn)三維渲染模塊主要依據(jù)該區(qū)域的實(shí)景三維模型坐標(biāo)與PS 點(diǎn)坐標(biāo)匹配算法，通過PS 點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)值（B1，L1）與三維模型經(jīng)緯度（B2，L2）匹配，當(dāng)PS點(diǎn)坐標(biāo)與模型坐標(biāo)相一致時(shí)，獲取三維模型的高度值（H2），將H2暫存于PS 點(diǎn)（B1，L1，H2），再次加載PS點(diǎn)，根據(jù)（B1，L1，H2）實(shí)現(xiàn)三維渲染。

形變速率變化曲線模塊依據(jù)PS 點(diǎn)時(shí)間序列形變速率繪制形變速率變化曲線，其中以時(shí)間序列為X軸，形變速率為Y軸。點(diǎn)擊PS點(diǎn)，前端調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的形變量，所繪制的形變速率曲線如圖9所示。

圖9 形變速率變化曲線Fig.9 Deformation rate change curve

（4）GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊。GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)以點(diǎn)號、名稱、經(jīng)緯度、高程數(shù)據(jù)類型存儲于數(shù)據(jù)庫中，GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊主要通過后端實(shí)時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)，不斷迭代更新數(shù)據(jù)，X軸表示實(shí)時(shí)時(shí)間，Y軸表示高程數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)高程數(shù)據(jù)繪制GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖如圖10所示。

圖10 GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.10 GNSS monitoring data curve

（5）外業(yè)核查數(shù)據(jù)展示模塊。外業(yè)核查數(shù)據(jù)展示模塊，以PS 點(diǎn)ID 唯一值作為信息錄入、數(shù)據(jù)調(diào)用的匹配標(biāo)準(zhǔn)，保障前端數(shù)據(jù)調(diào)取展示。前端開啟外業(yè)核查數(shù)據(jù)模塊，用戶通過點(diǎn)擊PS點(diǎn)，系統(tǒng)調(diào)取核查數(shù)據(jù)，并以表格形式表征采集信息。

（6）空間分析工具模塊?？臻g分析工具包含空間距離測量、面積測量、高度差測量及方量計(jì)算等。

4 應(yīng)用案例

根據(jù)“空天地”多源數(shù)據(jù)地表形變分級監(jiān)測體系，以廈門市為研究對象，開展全天候、全區(qū)域、全要素的立體監(jiān)測，構(gòu)建地表形變監(jiān)測三維數(shù)字大屏，實(shí)現(xiàn)多源形變監(jiān)測數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)展示、實(shí)時(shí)查詢。

利用PSI技術(shù)提取2018—2021年實(shí)驗(yàn)區(qū)地表形變速率，結(jié)合高分辨率遙感影像對比分析，開展一級形變大范圍普查，初步識別監(jiān)測時(shí)段內(nèi)沉降漏斗，顯示整體形變速率主要集中在-1.60～1.37 mm/y，部分地方沉降速率較大，為-4.35～-2.64 mm/y，包含有6個(gè)沉降漏斗，圖11 為PSI 沉降監(jiān)測圖。對比多時(shí)序高分辨率影像，分析沉降漏斗區(qū)影像紋理特征、顏色變化，發(fā)現(xiàn)某區(qū)域存在地標(biāo)硬化、自建新房、屋頂加蓋等現(xiàn)象。這些可能是沉降漏斗形成的重要原因之一。

圖11 2018-2021年廈門島內(nèi)及周邊地表沉降監(jiān)測專題圖Fig.11 Thematic map of surface subsidence monitoring in and around Xiamen Island from 2018 to 2021

針對某安全隱患區(qū)，利用外業(yè)核查App 對隱患點(diǎn)開展人工巡檢，記錄地理位置、地形地貌并拍照記錄。該區(qū)域地處商業(yè)街，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，建筑物密布且以自建房為主。因此，可能由于增建房屋，導(dǎo)致地面沉降；還可能由于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)加劇，地下水開發(fā)利用導(dǎo)致地面沉降。

針對安全隱患點(diǎn)，結(jié)合“一級、二級”形變篩查，利用無人機(jī)與三維激光掃描技術(shù)獲取高精度實(shí)景三維模型，繪制建筑物總平面圖、立面圖，并數(shù)字化存檔，形成一棟一表，為決策管理服務(wù)提供真實(shí)數(shù)據(jù)。

針對高樓、橋基、地災(zāi)隱患體布設(shè)GNSS 監(jiān)測站，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)庫。GNSS 監(jiān)測站點(diǎn)選址部署及監(jiān)測數(shù)據(jù)接收如圖12 所示，并繪制3 個(gè)監(jiān)測站高程監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖如圖13所示。由圖13 可知，監(jiān)測站的擬合曲線趨于直線，說明在短時(shí)間內(nèi)幾乎沒有發(fā)生形變，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由于外界的環(huán)境干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)。因此，需要對監(jiān)測點(diǎn)做更長時(shí)間的監(jiān)測。

圖13 GNSS監(jiān)測站高程曲線Fig.13 GNSS monitoring station elevation curve

最終構(gòu)建地面沉降監(jiān)測數(shù)字大屏，以廈門市高分辨率遙感影像為二維底圖，融合與集成實(shí)景三維數(shù)據(jù)體、監(jiān)測體、多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)三維實(shí)時(shí)展示、動(dòng)態(tài)查詢。監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字大屏展示如圖14所示。

圖14 監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字大屏展示Fig.14 Digital large screen display for monitoring data

5 結(jié)論與展望

本文基于衛(wèi)星遙感測繪、無人機(jī)遙感、三維激光掃描、GNSS 等現(xiàn)代測繪技術(shù)，提出“空天地”一體化地表形變分級監(jiān)測體系，并基于Cesium 框架、Spring Boot框架、MySQL 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建三維可視化平臺，實(shí)現(xiàn)多源形變監(jiān)測數(shù)據(jù)三維、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)展示，探測城市地表基礎(chǔ)設(shè)施形變情況，排查安全隱患，進(jìn)行形變監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)，提升主動(dòng)防范能力和水平。

后續(xù)將集成更多源監(jiān)測技術(shù)，挖掘地面沉降數(shù)據(jù)，結(jié)合空天地一體化監(jiān)測模式，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害智能化、現(xiàn)代化監(jiān)測，為災(zāi)害預(yù)警與災(zāi)損評估提供技術(shù)支撐，減少災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失，保障人民群眾安全，進(jìn)一步推動(dòng)社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。將地面沉降災(zāi)害監(jiān)測模式延伸至滑坡監(jiān)測、水庫堤壩監(jiān)測、危房監(jiān)測等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。將多方面資源整合利用起來，全面提高監(jiān)測能力和服務(wù)水平，為全方位推動(dòng)全國地質(zhì)災(zāi)害智能化監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報(bào)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。