基于數(shù)字天水地理空間框架的地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)建設(shè)研究

薛蘭格，郭振華，張可心，石恩恩

(北京新興華安智慧科技有限公司，北京 100071)

1 引 言

我國是一個地質(zhì)災(zāi)害十分頻繁且災(zāi)害損失極為嚴(yán)重的國家，尤其是西部地區(qū)，每年因地質(zhì)災(zāi)害死亡人數(shù)達(dá)近上千人，直接經(jīng)濟損失近百億元。2018年10月，習(xí)近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第三次會議，專門研究提高我國自然災(zāi)害防治能力問題，提出加強自然災(zāi)害防治關(guān)系國計民生，建立高效科學(xué)的自然災(zāi)害防治體系，提高全社會自然災(zāi)害防治能力。自然資源部部長陸昊也提出地質(zhì)災(zāi)害防治“四步走”方針：研究原理，發(fā)現(xiàn)隱患，監(jiān)測隱患，發(fā)布預(yù)警。

數(shù)字天水地理空間框架是“數(shù)字天水”建設(shè)的核心內(nèi)容，其目的是為“數(shù)字天水”提供統(tǒng)一的、權(quán)威的地理空間信息公共服務(wù)平臺，以此為基礎(chǔ)建立和擴展典型應(yīng)用示范系統(tǒng)，發(fā)揮應(yīng)用效益，探索應(yīng)用機制，起到以點帶面，逐步將各部門的應(yīng)用統(tǒng)一到地理信息公共平臺上，在全市各部門推廣地理信息服務(wù)應(yīng)用。其中完成的地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)示范應(yīng)用結(jié)合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)，以強降水、冰雹、雷電等為重點監(jiān)測預(yù)警預(yù)報，同時實時自動監(jiān)測分析甘肅省中小河流洪水和山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的氣象風(fēng)險。自建成后在各類突發(fā)性災(zāi)害救災(zāi)、災(zāi)害評估、搶險救援和災(zāi)后重建中發(fā)揮了重要作用，開展科學(xué)預(yù)警，在災(zāi)害真正發(fā)生前發(fā)出預(yù)警信息對危險區(qū)居民進行疏散避讓，保障其生命財產(chǎn)安全，管防治救成效明顯。對于非突發(fā)性災(zāi)害，從理論和技術(shù)上均可實現(xiàn)提前預(yù)警，但需要進一步推廣應(yīng)用，使地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作逐步進入業(yè)務(wù)化運行階段。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)結(jié)合“管防治救”四大功能分6個模塊實現(xiàn)，為天水市地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急中心提供了集災(zāi)害點管理、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)管理、應(yīng)急指揮車輛管理、應(yīng)急預(yù)案管理等三維一體化的解決方案。用戶還可通過監(jiān)控攝像頭察看現(xiàn)場情況，同時與天水市氣象示范應(yīng)用系統(tǒng)接入，與氣象局實現(xiàn)資源共享。

2.1 技術(shù)路線

根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范化處理不同類型基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的多尺度基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)集，存儲于基礎(chǔ)地理信息空間數(shù)據(jù)庫；標(biāo)準(zhǔn)化處理地質(zhì)災(zāi)害專題數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型劃分空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，分別存儲于地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫中。

采用C/S結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)信息的管理、維護和信息發(fā)布，基于系統(tǒng)建設(shè)的實際需要，有針對性地選擇不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、二維和三維GIS軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件，取長補短、優(yōu)勢互補，綜合應(yīng)用，提高地質(zhì)災(zāi)害信息和地理信息的整合信息服務(wù)能力，滿足地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

對用戶屏蔽數(shù)據(jù)存儲位置，關(guān)閉數(shù)據(jù)庫級數(shù)據(jù)直接調(diào)用接口，將圖層級數(shù)據(jù)組織進行封裝，從服務(wù)級整合基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和災(zāi)害專題空間數(shù)據(jù)，支持用戶并發(fā)訪問和遠(yuǎn)程調(diào)用。提高空間數(shù)據(jù)的利用效率，增強空間數(shù)據(jù)的使用安全性，保障空間數(shù)據(jù)擁有單位的版權(quán)效益，降低空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用成本和技術(shù)門檻，拓展空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，挖掘空間數(shù)據(jù)的增值服務(wù)，快速建設(shè)天水市地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)，總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架

2.2 支撐環(huán)境

(1)數(shù)據(jù)庫：SQL Server

(2)二維平臺：ArcGIS Server

(3)三維平臺：SkylineGlobe系列軟件

(4)開發(fā)框架：.NET Framework與Web Services

(5)開發(fā)語言：C#.NET

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)項目定位與建設(shè)目標(biāo)，系統(tǒng)功能應(yīng)用緊緊圍繞災(zāi)害信息管理、監(jiān)控信息管理、災(zāi)害評價、災(zāi)害防治以及應(yīng)急處置等地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)進行了開發(fā)實現(xiàn)，公共模塊提供基礎(chǔ)功能服務(wù)。為保證數(shù)據(jù)安全，設(shè)計用戶管理模塊，根據(jù)用戶身份，給其分配功能權(quán)限。系統(tǒng)設(shè)計的功能模塊以及主要功能如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計圖

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

該示范應(yīng)用在技術(shù)創(chuàng)新性和實用性層次圍繞災(zāi)害隱患檢查、動態(tài)傳感器接入、應(yīng)急指揮預(yù)案定制、展現(xiàn)效果四個方面引入、開發(fā)多項關(guān)鍵技術(shù)，確保應(yīng)用成果的典型性、示范性，如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵技術(shù)

3 信息系統(tǒng)構(gòu)建與實施

系統(tǒng)登錄界面如圖4所示，下面分6個模塊詳細(xì)介紹系統(tǒng)建設(shè)成果：

圖4 系統(tǒng)登錄界面

3.1 災(zāi)害信息管理

在完成全市地質(zhì)災(zāi)害專題數(shù)據(jù)整理整合、地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基礎(chǔ)上，利用地理信息技術(shù)，建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害專題信息“一張圖”，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害專題數(shù)據(jù)的信息化，著重解決紙質(zhì)資料查閱不方便、展示不直觀的問題。該模塊包括隱患點分布、重要隱患點分布、災(zāi)害影響范圍、災(zāi)害信息查詢、災(zāi)害信息編輯、災(zāi)害信息統(tǒng)計、導(dǎo)入速報表、輸出月報表等功能(圖5)。

圖5 災(zāi)害信息管理系統(tǒng)

3.2 監(jiān)控信息管理

該功能模塊主要對當(dāng)前天水市各類處地質(zhì)災(zāi)害點的主要監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行管理。當(dāng)監(jiān)控數(shù)值超過預(yù)設(shè)域值時，根據(jù)超出程度對監(jiān)控設(shè)備分以不同顏色，系統(tǒng)會自動發(fā)送短信預(yù)警提示相關(guān)人員。系統(tǒng)管理員也可通過預(yù)警信息發(fā)布模塊對相關(guān)人員短信通知。該模塊包括監(jiān)控點分布、監(jiān)控信息查詢、監(jiān)控信息編輯、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、預(yù)警信息提示以及預(yù)警信息發(fā)布6個功能(圖6)。其中“監(jiān)控信息查詢”支持關(guān)鍵字自動對監(jiān)控設(shè)備信息進行模糊匹配，將所有滿足條件的信息都按照類型分級分節(jié)點顯示在查詢結(jié)果列表中，點擊結(jié)果列表中的條目可以實現(xiàn)三維定位和詳細(xì)信息查看?！邦A(yù)警信息發(fā)布”實現(xiàn)擁有權(quán)限的用戶可通過該功能模塊編輯短信，并通過短信平臺和相關(guān)硬件發(fā)布預(yù)警信息。系統(tǒng)自動記錄短信內(nèi)容、發(fā)送時間及接收人，并在預(yù)警信息提示中顯示。

圖6 監(jiān)控信息管理

3.3 災(zāi)害評價

該功能模塊包含易發(fā)性分區(qū)、防治規(guī)劃分區(qū)、災(zāi)害評估管理以及坡度分析和影像對比等子模塊(圖7)。通過這些子模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)以空間圖形化的形式在三維地圖上展現(xiàn)，為災(zāi)害評價提供數(shù)據(jù)與分析服務(wù)，同時配合影像對比能更好地展示災(zāi)害前后發(fā)生的變化。

圖7 災(zāi)害評價

3.4 災(zāi)害防治

地質(zhì)災(zāi)害防治是各方關(guān)注的一個焦點。此模塊分為兩個部分，一部分是防治工程的管理，一部分是應(yīng)急預(yù)案的管理(圖8)。

圖8 應(yīng)急預(yù)案

3.5 應(yīng)急處置

應(yīng)急處置是一項綜合而復(fù)雜的工程，涉及范圍廣，單位眾多。系統(tǒng)通過整合應(yīng)急有關(guān)的空間和屬性信息，并提供空間分析功能，為應(yīng)急處置提供保障服務(wù)。主要包括：

(1)路徑分析

用戶通過輸入起始地址，系統(tǒng)能夠自動計算出最優(yōu)路徑，路徑結(jié)果數(shù)據(jù)在三維場景中描繪出來，可直觀看出地形地貌對路徑的影響，幫助用戶快速查找到進行路線，便于決策指揮者選擇用于管制的路段，確保救援通道的暢通。

(2)最近設(shè)施查找

輸入要搜索的設(shè)施，在三維地圖上手工繪制一個搜索范圍，系統(tǒng)可以搜索到范圍距離中心點最近的興趣點，并標(biāo)繪在三維地圖上。查詢的結(jié)果同時在左側(cè)面板中列表展示，點擊可快速定位。

(3)土方量分析

用戶可以通過繪制地形工具在三維地圖中根據(jù)需要模擬修改地形，然后通過土方量計算功能可自動計算出本次地形修改所需的土方填挖方量并標(biāo)注顯示。

(4)應(yīng)急工程布設(shè)

應(yīng)急工程布設(shè)是應(yīng)急處置工作不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)，此功能模塊可直觀地展示出應(yīng)急工程的布設(shè)情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供幫助。用戶可在三維地圖中任意添加三維模型、繪制箭頭、添加圖片、添加文本注記等信息，并可以對這些要素進行樣式編輯，從而在三維地圖中表現(xiàn)出應(yīng)急工程布設(shè)預(yù)計的效果。

(5)應(yīng)急車輛監(jiān)控

應(yīng)急車輛上安裝的GNSS定位模塊，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸位置信息至系統(tǒng)，在工作底圖上描繪出行駛軌跡。應(yīng)急車輛顯示符號由其車輛類型決定。

(6)視頻監(jiān)控

該功能模塊可在系統(tǒng)中查看通過監(jiān)控攝像頭傳輸?shù)默F(xiàn)場情況，并可以與二維數(shù)據(jù)監(jiān)控聯(lián)合，輔助分析和快速決策(圖9)。

圖9 視頻監(jiān)控

3.6 用戶管理

考慮部分?jǐn)?shù)據(jù)的安全性及更新維護，系統(tǒng)提供用戶管理模塊(圖10)，根據(jù)用戶身份，給其分配功能權(quán)限。系統(tǒng)管理員具有系統(tǒng)最高權(quán)限，可以審核用戶注冊、賦予用戶功能權(quán)限、查看用戶操作日志并對預(yù)警信息進行配置管理。

圖10 用戶管理

4 結(jié) 語

“天水市地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)”不僅將全市地災(zāi)隱患點信息在三維地圖上進行展示、查詢、統(tǒng)計和分析，并對防治工程等信息進行了文檔式管理，使得過程信息可查詢、可追溯、可統(tǒng)計。一期平臺引入了34處災(zāi)害點6類共118個監(jiān)控設(shè)備，當(dāng)監(jiān)控值達(dá)到域值時可自動預(yù)警，提醒相關(guān)人員，極大提高了數(shù)據(jù)的時效性，同時也可通過現(xiàn)場的攝像頭實時查看現(xiàn)場畫面，為應(yīng)急指揮和領(lǐng)導(dǎo)決策提供了不可估量的作用，并實現(xiàn)與甘肅省氣象風(fēng)險預(yù)警服務(wù)平臺接入(圖11)，實現(xiàn)以強降水、冰雹、雷電等為重點監(jiān)測預(yù)警預(yù)報功能，實時自動監(jiān)測分析甘肅省中小河流洪水和山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的氣象風(fēng)險。

圖11 甘肅省氣象風(fēng)險預(yù)警服務(wù)平臺接入

在天水娘娘壩突發(fā)性泥石流災(zāi)害救災(zāi)中，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了預(yù)警評價防治功能，對泥石流和山體滑坡區(qū)域預(yù)測、分析堰塞湖水位漲落情況和路基損毀情況，基于監(jiān)測預(yù)警服務(wù)數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)控等?，F(xiàn)場領(lǐng)導(dǎo)第一時間決策部署組織清淤排障，緊急轉(zhuǎn)移群眾，設(shè)置了十余個集中安置點對受災(zāi)群眾進行安置，強化后勤保障，隨時開展應(yīng)急處置，確保災(zāi)情在最短時間內(nèi)得以控制。該系統(tǒng)利用信息化手段實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急救治服務(wù)得到當(dāng)?shù)刂鞴懿块T的高度認(rèn)可。隨著時代進步、技術(shù)發(fā)展，應(yīng)結(jié)合各類調(diào)查監(jiān)測，積極開展物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能化等新技術(shù)、新方法和新手段的實踐與應(yīng)用，逐步實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和智能化管理，加強應(yīng)急防災(zāi)能力建設(shè)，全面提升防治水平，做到科學(xué)預(yù)警，快速、高效應(yīng)急保障。