基于InfoEarth iTelluro的地质灾害群测群防三维GIS系统设计与实现

任 涛，吴 悦，郝文杰

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

1 研究背景

近年来，伴随着全球气候变化异常，我国的极端气候事件也频繁发生，给地质灾害防治工作带来了巨大的挑战。突发性地质灾害中，滑坡、崩塌、泥石流灾害由于其成灾时间短，隐蔽性强，作用凶猛，破坏力大，而往往造成重大损失，故为防治及研究之重点。地质灾害的危害，除了造成人员的伤亡，毁坏基础设施，恶化人类生存环境外，还往往引发次生灾害，造成更大的经济损失，同时增加了民众的心理负担［1－2］。

为预防可能发生的地质灾害，国土资源部和相关部门采取了多项措施，健全群测群防体系;全国共安装了10万余套裂缝报警器和滑坡预警伸缩仪，监测效率和预警水平明显提高;笔者所在的项目组承担了云南省昭通市整个区域的地质灾害群测群防监测仪器的示范工作。为满足地方监测人员和管理人员对群测群防预警信息的管理功能需求，项目组相继开发了群测群防预警信息管里系统的B/S(Browser/Server)版本和C/S(Client/Server)版本，本文所介绍的三维GIS(Geographic Information System)系统就是基于InfoEarth iTelluro平台及其组件开发的C/S版本。

2 系统概述

2.1 系统整体概述

地质灾害群测群防三维GIS系统为C/S架构，系统所需地图、影像数据和系统数据库均部署在服务器端，客户端只需下载相应的软件文件，用户安装完系统运行所需的运行环境文件后，点击exe运行文件即可启动客户端运行程序进入系统。

系统包含首页三维地图展示模块、地质灾害信息浏览及统计模块、群测群防信息模块、动态监测模块、人文经济管理模块、系统管理模块6个核心功能模块，满足了地质灾害群测群防预警信息的日常管理需求。结合专业监测仪器的数据管理功能，可以更好的反应地区群测群防工作的实际部署情况。通过对仪器监测数据的分析，结合地质灾害体的基本信息和三维地图的展示可以对灾害体某一时间段下的状态进行更加深入直观的分析，从而辅助监测管理人员对于群测群防监测工作的日常信息管理和分析总结的工作需求。

2.2 GIS平台概述

iTelluro是一款高效、稳定的网络三维地理信息系统平台，它采用面向Internet的分布式计算技术和三维可视化技术，支持跨区域、跨网络的复杂大型网络三维应用系统集成。iTelluro为海量三维空间数据的发布提供了可扩展的开发平台，开发者可以方便、灵活地实现网络空间数据的共享和三维可视化。

iTelluro基于主流技术平台.NET开发，产品开放性好、架构灵活、三维功能和GIS功能强大、支持TB级海量、多源(包括高程数据、三维模型数据和其它专题数据)数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，可与常规GIS软件集成，提供全球范围基础影像资料，方便快速构建三维空间信息服务系统，亦可快速在二维GIS系统完成向三维的扩展［3］。

在系统需求分析的基础上，项目组采用了三维地理信息系统平台iTelluro(网图)进行客户端的开发。系统选型和开发平台如表1所示。

表1 系统平台和开发环境Table 1 System platform and development environment

2.3 系统软件架构

系统采用了客户端/服务器端的体系架构(见图1)。系统服务器端选用ArcGIS Server和iTelluro Server作为系统GIS应用服务器，二者可以实现无缝整合。客户端混使用iTelluro GlobeEngine开发，可以实现基于网络的三维空间信息应用与可视化。系统数据库使用大型数据库SQL SERVER 2008，并将结果数据整合进入信息中心建立的数据仓库中。系统数据存储，主要有业务数据和空间数据2个方面。空间数据库采用SQL SERVER+ArcSDE技术。

图1 系统软件架构示意图Fig.1 Structure of the system software

按照系统的开发思路，iTelluro GlobeEngine在线调用iTelluro Server数据服务，而数据层包括业务数据库，业务数据库中的数据包含从监测仪器传感器上传的监测数据。系统可以调用县市调查数据库和详查数据库。结合三维GIS等各种功能插件，前台用户界面UI就可以进行各种功能的检索和查询了。

3 业务流程分析和数据库设计

3.1 业务流程分析

群测群防的主要工作方法是监测员对各自负责的地质灾害隐患点进行日常巡查，观测隐患点有无变形异常［4］，结合项目组安装的群测群防监测仪器进行灾情的及时预报预警，监测员将信息上报上一级主管部门。由政府部门组织受威胁群众按撤离路线向既定安全区域撤离。

根据职责和功能，群测群防三维GIS系统工作流程具体可分为基础数据的采集录入、监测仪器数据采集、数据审计、数据发布和系统应用共5个过程。

系统的工作业务流程可概况为图2所示。

图2 工作业务流程图Fig.2 Flowchart of the operation

3.1.1 基础数据的采集录入

基础数据的采集录入过程分为日常采集维护(重点是专业监测和群测群防信息，由地方地质灾害监测管理人员进行录入和维护工作)以及由国家统一安排实施的地质调查(主要针对地质灾害数据，一般由中国地质调查局统一部署)。这一部分是最基础但也是工作量较大的部分。

3.1.2 监测仪器数据采集

项目所涉及的群测群防监测仪器分为实地监测和远程数据传输2种，前者一般为简易仪器，只负责险情的预警，而后者兼具数据传输功能，对于长期固定监测比较常用，用来获取长时间的固定监测数值。对于后者的仪器数据项目通过GPRS(General Packet Radio Service)、3G网络等手段进行数据的传输和接受，在数据服务器进行数据的获取和解析工作并将解析后的数据上传到数据库中，并由系统进行前端的数据展示。

3.1.3 数据审计

指对已经调查、获取的数据进行修改、维护、合并时需要做的步骤。例如:对于数据库中某滑坡的信息需要修改灾害信息时，可以通过审计系统保留修改内容，然后由专业进行审计确认最终生成新的数据库中某滑坡信息数据。这一部分的功能主要由高级监测管理员进行维护，根据项目组目前的应用，最高一级的管理权限为市一级的监测管理人员。

3.1.4 数据发布

经过审计的数据可以在服务器的数据库上进行数据的对外发布。例如，县市调查、详查得到的灾害点数据，需要通过严格的审计，才能统一入库，对外发布。

3.1.5 系统应用(检索、浏览、查询、管理)

所有经过审核和接收到的数据都可以应用到地质灾害群测群防三维GIS系统中，以满足系统用户对群测群防预警信息(空间地理信息、灾害体信息、监测点信息、群测群防两卡一表、监测仪器野外监测数据等)的检索、浏览、查询及管理等一系列功能。

3.2 系统数据库设计

系统的数据库设计根据系统功能模块可以大致划分为以下6类数据。

(1)自然地理数据。包括人文经济图层在内的系统涉及到的所有空间地理信息数据。包括各类矢量地形图、DEM格式高程信息及影像图。

(2)地质灾害数据。包括斜坡、滑坡、崩塌、地面沉降、地面塌陷、地裂缝、泥石流7种主要的地质灾害类型在内的多种基础信息表。

(3)示范监测点数据。包括示范点的施工、监测点范围、仪器安装情况、仪器维修日志等基本信息。

(4)监测仪器基本信息及监测数据。项目组的监测仪器包括自行研发的和采购的2种渠道。所有仪器有统一的类型统计表，另外针对不同类型的监测仪器有对应的监测数据信息表。

(5)群测群防信息表数据。群测群防监测体系基础信息表，包括国家群测群防体系的防灾预案表、工作明白卡、避灾明白卡3类主表的基础数据以及群测群防体系监测人员和管理人员的信息表。

(6)综合文档及系统管理表。系统涉及到的其他各类综合文档，如钻孔信息表等。系统管理表包括系统用户及权限设定等信息表。

系统数据库采用Powerdesigner软件建模，SQL Server 2008作为数据库管理软件。

4 系统核心功能模块分析与设计

地质灾害群测群防三维GIS系统的核心功能是基于三维GIS模块的系统数据可视化管理和分析应用功能，其中，根据业务重心和开发难点，项目组在设计研发过程中对以下4个系统核心模块进行了设计开发。

4.1 三维地图展示模块

系统首页三维地图展示模块采用DEM(Digital Elevation Model)叠加影像图的模式对三维地貌进行展示和刻画。用户在地图界面内可以浏览到人文经济信息(居民住宅、学校、医院、企业、政府等)、地质灾害信息(地裂缝、地面塌陷、地面沉降、泥石流、崩塌、滑坡、斜坡等)、地名(国家、省、市、县、乡镇等)。三维地图窗体模块包含有常用的地理信息要素，如指北针、坐标信息、高程、比例尺、公里网格等。地图模块的基本功能包括:地形信息查看、地形剖面生成、体积量算;打印试图、保存截图、飞行及路线管理、飞行录像、查询定位。地理信息要素勾选显示、全屏、漫游。

系统集成了基础地理、基础地质、灾害易发性分区以及单位遥感室对于重点监测区域的无人汽艇航拍遥感数据等丰富的各类空间地理数据，所以在对重点监测区域的三维建模过程中拥有数据优势。结合InfoEarth iTelluro软件对于海量多源数据良好的一体化管理和快速三维实时漫游功能，项目组对于重点监测区域的地形地貌进行了面状建模。由于灾害体的监测不同于小范围监测，要想实现空间地层的三维建模需要很多钻孔数据，而项目组在监测区域的钻孔主要是用于监测仪器的监测使用，所以，系统暂时弱化了iTelluro的地层建模这一功能。

如图3框架所示，系统基于三维地理信息系统平台iTelluro建立三维模型库。其数据组织采用了业界标准的全球离散层次格网的数据组织方式，可以使用自定义工具将空间数据转换为iTelluro支持的数据格式。经过数据预处理，建立无缝的DEM、DOM、地理、地质等空间数据库，即可应用iTelluro Tools生成基于全球离散层次格网的三维模型数据库。基于前面建设的三维空间数据库(模型库)，基于iTelluro Server，经过入库、配置、分层，即可生成三维仿真数据集［5］。

图3 iTelluro三维建模流程图Fig.3 Flowchart of 3-D modeling by using iTelluro

图4是系统中以云南省昭通市水富县某灾害点为例进行的三维展示效果图。

图4 灾害体多角度三维视图Fig.4 Multi-angle view of the disaster body

4.2 地质灾害信息浏览及统计模块

地质灾害信息浏览包括灾害点主表的信息展示。根据灾害点的类型不同，这部分内容包括斜坡调查表、滑坡调查表(见图5)、崩塌调查表、地面沉降调查表、地面塌陷调查表、地裂缝调查表、泥石流调查表7个主表。用户可以根据类别选择查询所关注的灾害体基本信息，也可以通过三维地图窗体中的灾害体图标直接链接到对应的灾害体信息表，便于将三维地理信息要素和基本属性表相关联。

在设计灾害点主表的填写方式时，充分考虑了字段要素的特性，通过对专家的调研和国家标准的查阅理解，对系统的录入部分做了以下设定:

(1)将灾害点信息中的一部分字段设计成选择模式，即相关信息只可通过下拉列表的形式进行选择。一般这样的信息可选择，且内容固定，在设计时将内容作为字典信息录入到字典表中。这种设计首先是方便了录入人员，其次是避免了因为认为手动录入产生错误的机率，另外在统计功能中，这样的输入模式也便于精确统计。以其中地下水类型为例，提供了孔隙水、裂隙水、岩溶水、潜水、承压水、上层带水几种类型供录入人员直接选择调用信息。

(2)坐标信息既可以手动录入，也可以通过地图选择的模式进行点选。这样2种方式同时使用，保证了信息的准确性，同时也便于录入人员发现录入点是否出现偏差，以及时纠正数据。同时，提供了大地坐标和经纬度坐标2种坐标输入模式，使各种类型坐标信息都可以录入到系统中。

图5 滑坡调查表(部分)Fig.5 Table of landslide survey(partial)

(3)添加了变形活动历史信息，包括名称、部位、特征、初现时间等基本信息。这样，用户在浏览时可以更直观地了解该灾害点的历史，便于分析其形成机理和变化趋势。

(4)添加了平面示意图、剖面图、视频资料等多媒体录入形式，丰富灾害点的信息，使监测和管理人员能够通过更直观的方式了解灾害点的特性。

灾害体查询和统计。通过行政区划逐级选择、地图框选、灾害体名称检索、灾害体类型判断等多种方式组合查询，更加准确地获得关注灾害体的信息。另外提供了“飞行”功能，可以通过选择灾害体，直接定位到三维地图窗体的对应地理位置，更加快捷直观地浏览灾害体三维地理信息。通过地域范围查询到灾害体后可以根据地域进行统计，并将统计结果生成报表。

数据审计功能。灾害体的信息录入工作是由基层地质工作人员来进行的，而主管监测人员负责对提交上来的地质灾害体信息进行审计，并确定是否在系统中进行展示，发现问题未通过审核的数据可以退回，要求相应的录入人员进行信息的修改。

4.3 群测群防信息模块

在群测群防信息模块部分设计之时，根据国家地质环境监测院和地方国土局监测群测群防监测体系所使用的“两卡一表”标准提交格式作为系统设计的核心内容。共有防灾预案表、工作明白卡、避灾明白卡3类信息表，对这3类信息表可以进行统一的查询、管理和统计。

根据需求调研发现，在群测群防日常管理和应急响应中，行政体系责任人管理是很重要的。按照行政区划对监测示范区域的群测群防行政体系的责任人进行统一的管理。设计时，根据树状结构进行层级录入，内容包括层级名称(省、市、县区的名称)，责任人名称、电话、手机、工作单位等基本信息。手机的预留为下一步的短信群发预警提供了数据基础。

4.4 动态监测模块

仪器监测是项目在地方的工作重心，因此，对于示范监测仪器的统一管理和信息浏览就显得尤为重要。在动态监测部分不仅包含了项目组自行研发的裂缝报警器、拉杆位移计、雨量计等监测仪器，还集成了综合多参数采集传输仪、红外线、卫星监测预警、电台、地面塌陷监测仪器等正在测试中的新型仪器。同时将国外先进的仪器设备信息也集成到数据库中，便于监测人员和仪器研发人员，通过对比不同监测仪器的监测效果判断监测仪器的优劣。系统对监测示范区域昭通市各县区的监测点进行统一的管理，并对示范区内所安装仪器的基本信息进行管理和维护，包括设备编号、设备名称、设备类型、安装监测点、安装时间等。通过行政区划逐级选择、地图框选、监测点名称检索等查询方式统计监测点、钻孔的信息，并可以通过“飞行”功能进行定位。

5 系统应用

地质灾害群测群防三维GIS系统对于地质灾害群测群防市、县、乡3级的管理工作还是非常具有帮助的。目前在云南省昭通市的水富县、大关县、盐津县、彝良县等多个主要县区进行了监测仪器的示范安装和应用，并将地质灾害三维GIS系统的使用进行了基础培训，在测试过程中收到了良好的反响。目前系统还在逐步改进和完善过程中，图6是系统的主界面截图。

图6 系统截图Fig.6 System screenshot

6 结语

地质灾害群测群防三维GIS系统目前已经在云南省昭通市各县市及乡镇一级的地质灾害监测机构进行推广应用，对于地质灾害群测群防日常管理信息的归档和管理工作起到了良好的示范作用。但是使用过程发现的一些问题仍然有待于下一阶段的研发工作中进行改进和完善。具体总结如下:

(1)由于地理底图数据量较大，在初次加载时需要经过一些等待，因此在如何快速加载DEM及影像数据等图形要素资料是下一步要解决的问题。

(2)市、县、乡3级的权限划分，目前系统的审核只是建立了高级的管理员，并没有根据地域进行权限的划分，下一步计划针对相应地域的管理员赋以对应的角色权限。

(3)计划增加短信群发模块，针对群测群防监测的特点，计划针对中国移动MAS短信服务器进行灾情预警的短信群发研究，这对于系统的功能完善是很有必要的。

总结不足，持续改进，相信地质灾害群测群防三维GIS系统能够在地方的群测群访监测工作中发挥应有的作用，为群测群防临灾预报提供可靠依据，逐步建立市、县、乡、村4级地质灾害群测群防体系和群专结合的地质灾害预警系统。

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