社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 浩,蔣明浪,鄭美霞,袁正平,劉凌佳*,鄭 宇,陳 棋

(1.江西省應(yīng)急管理科學(xué)研究院,330103,南昌;2.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,330022,南昌;3.江西省減災(zāi)備災(zāi)中心,330030,南昌)

0 引言

隨著社會發(fā)展進(jìn)程的不斷加快,人口密度和流動性增加以及土地利用變化等因素,使得人們面臨著越來越多的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。江西省位于長江中下游南岸,以鄱陽湖為底,形成了南窄北寬的盆狀地形,全省水系發(fā)達(dá),雨量充沛,邊緣群山環(huán)繞,中部丘陵起伏,北部平原坦蕩,森林覆蓋率穩(wěn)定在63.1%[1]。獨(dú)特氣候條件、地理環(huán)境、作物分布、江湖關(guān)系等因素導(dǎo)致江西省頻繁發(fā)生自然災(zāi)害,尤其在多雨季節(jié),山丘區(qū)常見山洪災(zāi)害、山體滑坡和泥石流。由于境內(nèi)山地和丘陵植被豐富,加上高溫少雨天氣,導(dǎo)致森林火災(zāi)也極易發(fā)生[2]。此外,還存在安全生產(chǎn)、消防安全、公共安全等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),這些災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)對人民的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。因此,如何有效地管理和減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),成為了綜合減災(zāi)管理的重要問題。

社區(qū)作為當(dāng)前最小行政單元,也是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的主要發(fā)生地。因此,如何在基層社區(qū)建立起有效的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理體系,提高基層社區(qū)的綜合減災(zāi)水平和管理能力,已經(jīng)成為當(dāng)前綜合減災(zāi)管理的重要任務(wù)。

近年來,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖在綜合減災(zāi)示范社區(qū)創(chuàng)建過程中越來越被重視,江西省在減災(zāi)示范單位創(chuàng)建工作創(chuàng)新性地提出了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控的“一牌兩圖三清單”。其中,要求基層制作基于統(tǒng)一電子地理信息底圖的自然災(zāi)害、安全生產(chǎn)及城鎮(zhèn)消防等分類和多圖疊加的風(fēng)險(xiǎn)隱患分布圖,并將多個(gè)圖層疊加制圖。此外,還要結(jié)合本地應(yīng)急避難場所建設(shè)情況和主要災(zāi)害類型,制作不同災(zāi)種的避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移路線圖,這兩圖也是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖的具體表現(xiàn)形式。它可以幫助政府和居民了解社區(qū)所面臨的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),提高對災(zāi)害的防范意識和應(yīng)對能力。目前,市場上已經(jīng)有一些災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具,如科立爾繪畫(CorelDraw)、地理信息系統(tǒng)(MapGIS[3]、ArcGIS[4]、QGIS[5])、谷歌地球(Google Earth[6])等。盡管這些工具可以幫助用戶制作災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖[7],但也存在一些問題。首先,使用這些工具需要用戶具備一定的地理信息系統(tǒng)(GIS)和計(jì)算機(jī)科學(xué)知識,因此對于普通基層工作人員而言,操作難度較高;其次,由于缺乏GIS和設(shè)計(jì)專業(yè)知識的支持,社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖的制作主要依靠廣告公司完成,導(dǎo)致制圖不規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)難統(tǒng)一和不專業(yè)等問題[8]。由此,使得災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖的使用率并不高。

針對上述問題,亟需研發(fā)一種能夠覆蓋自然災(zāi)害、安全生產(chǎn)、消防安全、公共安全4種災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)類型的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖快速制圖軟件[9],以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)直觀化和規(guī)范化[10],并提升社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制作的水平,為基層社區(qū)的綜合減災(zāi)示范創(chuàng)建工作提供技術(shù)支撐。

綜上所述,本文設(shè)計(jì)一種高效、精準(zhǔn)、全面的社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具,有望提高基層災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖效率和質(zhì)量,為基層防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力的支持。

1 相關(guān)技術(shù)選擇

1.1 “天地圖”地圖API

天地圖是中國測繪地理信息局開發(fā)的地圖服務(wù)平臺,提供豐富的地圖數(shù)據(jù)和地圖服務(wù),包括底圖服務(wù)、影像服務(wù)、地名服務(wù)、地理編碼服務(wù)等。其中,天地圖地圖API[11](Application Programming Interface)是一組基于WebGIS(Web Geographical Information System)技術(shù)的地圖應(yīng)用程序接口,可以在WebGIS應(yīng)用程序中使用,提供了多種地圖展示和交互功能,同時(shí)天地圖地圖API的數(shù)據(jù)更新頻率較高,可以及時(shí)反映地圖數(shù)據(jù)的變化。

1.2Cesium

Cesium是一款基于WebGL技術(shù),用于構(gòu)建高性能、高質(zhì)量三維地球應(yīng)用的開源虛擬地球軟件開發(fā)包。Cesium提供了豐富的地球數(shù)據(jù)、地圖服務(wù)和地理信息處理功能,支持多種數(shù)據(jù)格式,包括3D模型、點(diǎn)云、衛(wèi)星影像等。Cesium還具有高度的可定制性和可擴(kuò)展性,可以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

1.3WebGIS

WebGIS是一種基于Web技術(shù)的地理信息系統(tǒng),它將地圖、數(shù)據(jù)、分析和可視化功能集成到一個(gè)統(tǒng)一的Web應(yīng)用中,用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問,支持多種設(shè)備和平臺,方便用戶獲取、分析和共享地理信息。同時(shí),WebGIS還具有空間分析和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新等特點(diǎn),可以幫助用戶進(jìn)行地理信息分析和保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

1.4Electron

Electron是一個(gè)開源的跨平臺框架,可以使用HTML、CSS和JavaScript等Web技術(shù)構(gòu)建桌面應(yīng)用程序[12]。Electron基于Chromium和Node.js,可以將Web應(yīng)用打包成本地應(yīng)用,在Windows、macOS和Linux等多個(gè)平臺上運(yùn)行。Electron具有易于開發(fā)、快速迭代、跨平臺等優(yōu)點(diǎn),可以幫助開發(fā)者快速構(gòu)建出高效、可靠的桌面應(yīng)用。

1.5ArcGISEngine

ArcGIS Engine是一種基于ArcGIS技術(shù)的開發(fā)平臺,可以用于開發(fā)桌面GIS應(yīng)用程序[12]。它具有豐富的GIS功能,可以定制化地開發(fā)出符合用戶需求的應(yīng)用程序。在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具開發(fā)中,ArcGIS Engine可以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能,支持多種數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)源,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的地圖制作和分析任務(wù)。但是,ArcGIS Engine需要購買許可證,開發(fā)和調(diào)試時(shí)間長,需要專業(yè)的開發(fā)技能和經(jīng)驗(yàn)。

表1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式對比

通過上述關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析以及從基層實(shí)際需求考慮[14-15],最后采用WebGIS+Electron的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。基于Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)桌面應(yīng)用程序開發(fā),使用Electron框架將Web應(yīng)用程序打包成本地桌面應(yīng)用程序。由于使用的是Electron框架,可以使用HTML、CSS和JavaScript等Web技術(shù)來開發(fā)應(yīng)用程序,這使得開發(fā)更加容易和靈活。同時(shí)保持Web應(yīng)用程序的跨平臺特性,同時(shí)可以提供良好的用戶體驗(yàn)和高效的地圖制作能力,同時(shí)也可以提供高質(zhì)量的地圖輸出[16]。

2 制圖工具設(shè)計(jì)

2.1 功能需求分析

該工具旨在為用戶提供一個(gè)簡單易用的制圖軟件,以便快速制作災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖。根據(jù)基層制圖現(xiàn)狀分析,工具需要滿足以下功能需求。

1)地圖瀏覽功能:制圖人員可以在地圖上瀏覽不同地區(qū)的地圖信息。

2)地圖標(biāo)繪功能:制圖人員可以根據(jù)自己的需求,標(biāo)繪不同的自然災(zāi)害、安全生產(chǎn)、消防安全、公共安全等風(fēng)險(xiǎn)隱患信息;避難場所、醫(yī)院、超市等減災(zāi)資源信息。

3)風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)繪功能:制圖人員可以對地圖上風(fēng)險(xiǎn)隱患區(qū)域的等級進(jìn)行區(qū)別標(biāo)繪,以便更好地了解風(fēng)險(xiǎn)隱患信息。

4)數(shù)據(jù)編輯功能:制圖人員可以對地圖上的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯,以便更好地展示地圖信息。

5)數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能:制圖人員可以對制圖數(shù)據(jù)進(jìn)行保存成文件,方便多人之間協(xié)同制作。

6)地圖導(dǎo)出功能:用戶可以將地圖導(dǎo)出成大尺寸的圖片,進(jìn)行打印,以便更好地進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)宣傳教育工作。

2.2 總體架構(gòu)

該工具的后端技術(shù)采用Node.js,使用Express框架實(shí)現(xiàn)。前端技術(shù)包括HTML、CSS和JavaScript,同時(shí)使用開源的Cesium三維地圖引擎作為地圖展示和交互的主要工具。桌面客戶端打包工具為Electron,可將前端代碼打包成可執(zhí)行文件,方便用戶在本地運(yùn)行和使用。數(shù)據(jù)庫采用JSON文本形式進(jìn)行存儲,方便數(shù)據(jù)的讀取和修改。影像底圖方面,該系統(tǒng)調(diào)用了天地圖和谷歌地圖影像,可根據(jù)用戶需求進(jìn)行切換。前端、后端和數(shù)據(jù)庫之間通過HTTP協(xié)議進(jìn)行通信。同時(shí),該系統(tǒng)還依賴一些第三方庫和工具,如Bootstrap框架、jQuery庫、Layui前端UI組件庫等?？傮w架構(gòu)分為三層:表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層,三層架構(gòu)便于軟件的維護(hù)和管理,軟件總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具總體架構(gòu)圖

表現(xiàn)層通過Http-Server搭建本地Web服務(wù),使得WebGIS應(yīng)用程序可以在本地運(yùn)行,再通過Electron框架將應(yīng)用程序打包成桌面客戶端。借助天地圖地圖底圖對社區(qū)建筑物、道路、河流、水庫等基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行展示,制圖人員通過在基礎(chǔ)地圖底圖上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)隱患、減災(zāi)資源等信息的標(biāo)繪,完成災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制作。

邏輯層通過天地圖API For JavaScript完成對天地圖地圖底圖的調(diào)取,通過Cesium三維地圖引擎完成對二三維地圖的交互功能開發(fā),通過Html/Css/JavaScript前端技術(shù)完成制圖操作及數(shù)據(jù)交互功能的開發(fā)。

數(shù)據(jù)層將天地圖圖層數(shù)據(jù)與高德地圖地名接口數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)源,通過瀏覽器緩存數(shù)據(jù)庫與GeoJson文本數(shù)據(jù)對制圖過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和交互。

2.3 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在整個(gè)制圖工具中處于核心地位,數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。根據(jù)工具開發(fā)的目的和編程要求,社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制作過程中需要采集的數(shù)據(jù)主要有社區(qū)基本信息數(shù)據(jù)、建筑設(shè)施數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)隱患數(shù)據(jù)、減災(zāi)資源數(shù)據(jù)、歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)等,具體數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式,見表2。

表2 數(shù)據(jù)采集類型

該工具數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)源:天地圖圖層數(shù)據(jù)和高德地圖地名接口數(shù)據(jù)。這2個(gè)數(shù)據(jù)源提供了豐富的地理信息數(shù)據(jù),包括地圖圖層、地名、地理坐標(biāo)等,可以滿足地圖制圖工具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求。同時(shí),該工具通過瀏覽器緩存數(shù)據(jù)庫和GeoJson文本數(shù)據(jù)對制圖過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和交互,可以提高數(shù)據(jù)的讀寫效率和響應(yīng)速度以及更加高效地處理和管理地理信息數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的地圖制作。

2.4 功能設(shè)計(jì)

本工具使用Visual Studio Code為開發(fā)工具,采用Javascript、Css、Html等前端語言進(jìn)行編程。通過Javascript實(shí)現(xiàn)地圖操作、信息標(biāo)繪、整飾編輯、地圖導(dǎo)出等相關(guān)模塊功能開發(fā),具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具功能結(jié)構(gòu)圖

1)地圖基本操作:包括地圖加載、kml矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、地圖拖動/縮放/旋轉(zhuǎn)、指北針、比例尺等功能。

2)空間量測:包括多點(diǎn)之間距離量測、區(qū)域面積量測。

3)底圖切換:包括天地圖衛(wèi)星圖、天地圖道路標(biāo)識、天地圖矢量地圖等WMTS服務(wù)類地圖加載和切換。

4)二三維切換:30M高程地形切片數(shù)據(jù)加載支持地圖二三維切換。

5)地名搜索:對接高德地圖API實(shí)現(xiàn)地名快速搜索功能。

6)點(diǎn)線面標(biāo)繪:通過內(nèi)置的符號庫快速地對風(fēng)險(xiǎn)隱患、建筑設(shè)施、減災(zāi)資源等點(diǎn)線面信息進(jìn)行標(biāo)繪。

7)標(biāo)繪編輯:對已標(biāo)繪的信息進(jìn)行編輯、刪除操作。支持區(qū)域、線條、點(diǎn)、文字和圖標(biāo)等標(biāo)繪內(nèi)容的大小、邊框?qū)傩浴⑻畛漕愋?、透明度、備注信息等?nèi)容進(jìn)行編輯。

8)標(biāo)繪分組:對標(biāo)繪內(nèi)容進(jìn)行分組管理,不同專題的地圖如社區(qū)風(fēng)險(xiǎn)隱患分布圖、避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移路線圖可以分組管理。

9)標(biāo)繪保存:對標(biāo)繪內(nèi)容以GeoJson文件形式保存,多人協(xié)作時(shí)可直接導(dǎo)入文件進(jìn)行編輯。

10)圖名/落款編輯:設(shè)置災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖的圖名和制圖單位等落款信息。

11)指北針編輯:設(shè)置災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖的指北針樣式。

12)比例尺編輯:設(shè)置災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖的比例尺樣式。

13)圖例編輯:設(shè)置災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖圖例,支持圖例排版以及圖例圖標(biāo)的增加、刪除、排序。

14)圖幅設(shè)置:根據(jù)社區(qū)邊界形狀設(shè)置災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖是橫版或豎版圖幅。

15)DPI設(shè)置:設(shè)置災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖導(dǎo)出圖片的分辨率,默認(rèn)300DPI。

16)地圖導(dǎo)出:將編輯好的地圖導(dǎo)出為圖片,便于分享和打印。

3 制圖工具功能實(shí)現(xiàn)

通過JavaScript編程語言實(shí)現(xiàn)制圖工具相關(guān)功能模塊,包括地圖操作模塊、信息標(biāo)繪模塊、整飾編輯模塊和地圖出圖模塊4部分。地圖操作模塊實(shí)現(xiàn)基本地圖操作如地圖縮放、旋轉(zhuǎn)、底圖切換、二三維切換、地名搜索、矢量文件加載和空間量測等功能,如圖3所示。信息標(biāo)繪模塊實(shí)現(xiàn)制圖主圖信息的點(diǎn)、線、面要素標(biāo)繪功能,如圖4所示。整飾編輯模塊實(shí)現(xiàn)地圖圖幅設(shè)置以及圖名、落款信息、比例尺、指北針、圖例等整飾編輯功能,如圖5所示。地圖出圖模塊實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)出成打印圖件的功能,成果圖如圖6所示。

圖3 社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具地圖操作界面

圖4 社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具信息標(biāo)繪界面

圖5 社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具整飾編輯界面

圖6 社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具成果圖件

為了更方便基層工作人員使用,在實(shí)現(xiàn)制圖功能的基礎(chǔ)上,內(nèi)置了紅、橙、黃、藍(lán)4分等級的自然災(zāi)害、安全生產(chǎn)、消防安全、公共安全各類災(zāi)害類型常見的風(fēng)險(xiǎn)隱患類標(biāo)繪圖標(biāo)104個(gè);學(xué)校、加油站、高層建筑等公共服務(wù)設(shè)施標(biāo)繪圖標(biāo)10個(gè);避難場所、物資倉庫、消防站等減災(zāi)資源類標(biāo)繪圖標(biāo)13個(gè),同時(shí)為方便地圖的排版編輯,內(nèi)置了包含指北針、比例尺、圖例等默認(rèn)設(shè)置的橫版和豎版圖幅的整飾模板,實(shí)現(xiàn)一鍵出圖。提高了風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害地圖的制圖質(zhì)量和效率。

4 結(jié)語

社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具是專為解決現(xiàn)有社區(qū)災(zāi)害類地圖制作方面存在的不足而設(shè)計(jì)開發(fā)的一款便捷的地圖快速制圖工具,以解決現(xiàn)有社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖存在的問題,提高地圖制作的效率和質(zhì)量。相比于傳統(tǒng)的地圖制圖軟件,其主要有如下優(yōu)勢。

1)良好的用戶體驗(yàn):通過優(yōu)化地圖制作的交互過程,使用戶無需具有專業(yè)的地理信息知識,便能夠輕松準(zhǔn)確完成地圖制作,且對地圖的編輯和修改更加直觀。

2)高效的地圖制作能力:通過優(yōu)化地圖制作的流程,簡化了數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、錄入等環(huán)節(jié),同時(shí)內(nèi)置了常用的標(biāo)繪符號庫和地圖模板,提高了地圖制作的效率。

3)高質(zhì)量的地圖制作能力:通過對地圖制作的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范化、流程化,使普通用戶具備專業(yè)的地圖制作能力,保證地圖制作的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

在下一步研究中,將持續(xù)完善該工具的功能,進(jìn)一步優(yōu)化其性能和用戶體驗(yàn)。同時(shí),還將探索更便捷規(guī)范的地圖制作方法,以滿足縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)等不同創(chuàng)建單位的需求。通過持續(xù)的努力和創(chuàng)新,社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地圖制圖工具將成為更多的基層綜合減災(zāi)示范創(chuàng)建單位的制圖利器,為社區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供更好的支持。