浙江省突发性地质灾害应急空间辅助决策支持系统设计与实现

张 磊，陈张建，夏跃珍，黄元卉

(1.浙江省地质环境监测院，浙江杭州 310007;2.浙江省测绘科学技术研究院，浙江杭州 310012)

浙江省是东南沿海经济较发达的一个省份。全省陆域面积10.18×104km2(其中突发性地质灾害易发区面积约6.67×104km2，占全省陆域面积的65.5%)，占全国的1%，常住人口4900万，占全国的3.8%，人口密度为全国之最。近年来，随着“康庄工程”的完成和“新农村建设”不断深入，全省农村道路和居住环境大为改善。与此同时，由于许多不规范的建设活动，对地质环境的破坏也愈加严重［1-2］，加之近年来气候异常，降雨较多，地质灾害已成为浙江省仅次于交通、水灾和火灾的第四大灾害。截至到2014年1月，全省已查明的滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害及隐患点6465处，威胁着16万多人的生命与近36×108元财产安全。

随着我省经济建设规模的日益扩大和人民生活水平的不断提高，由滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害造成的人员伤亡、经济损失及环境恶化日益突出，越来越受到省委省政府和浙江省国土资源厅领导的高度重视。尤其是在汛期，全省各级行政管理部门的地质灾害应急工作面临着前所未有的挑战。

灾害应急工作的重点是临灾应急决策的制定，要求突出“快、准”的特点［3］。“快”是指应急体系反应速度快、掌握第一手资料快、做出决策快;“准”是指在快速反应、及时掌握决策分析相关资料的前提下，能够准确做出灾害发展趋势的判断，做出准确的临灾指挥决策。

本文以空间数据库作为技术基础，以WebGIS技术［4］作为技术支撑，以浙江省电子政务外网作为运行网络环境，构建了浙江省突发性地质灾害应急空间辅助决策支持系统。主要实现了海量数据的存储与更新和多元异构数据的融合与集成;在此基础上，对临灾状态下的灾害应急工作进行空间辅助决策支持，辅助应急会商领导和专家做出快速准确的临灾处置决策，从而提高我省临灾处置能力，达到防灾减灾的目的。

1 系统总体设计

1.1 系统结构设计

本系统总体框架采用B/S(Browser/Server)结构的三层架构体系，分别是:数据层、业务逻辑层和表现层。数据层实现地质灾害基础地理数据、三维地形与遥感数据、地质灾害调查数据、地质灾害易发区分布图与防治规划图、实时雨量数据与预报雨量数据等多元异构数据的有效融合、传输、存储、共享、管理。业务逻辑层在分析应急空间辅助决策支持业务需求的基础上，将地质灾害应急决策过程与空间信息服务集成，形成系统核心技术框架，为地质灾害应急决策提供依据;表现层是对逻辑层处理结果的展示，实现系统与用户的交互。系统总体结构与流程如图1所示。

图1 系统结构与流程图Fig.1 The structure and flow diagram of the system

1.2 系统运行和开发环境

系统运行在浙江省政务外网环境下，由数据库服务器、应用服务器、WebGIS服务器以及相应的网络硬件设备构成。采用SqlServer2008作为数据库平台，ArcSDE10为空间数据库引擎;分别以 ArcGIS Server 10和SkyLine 6.1为二维和三维空间应用服务平台;Windows IIS 7为Web服务器;Windows 2008 server为服务器操作系统;C#为开发语言，.Net为开发框架，采用 Microsoft Visual Studio 2010为开发平台。

1.3 数据库设计

Microsoft SqlServer 2008为新一代大型关系型数据库，作为商用数据库被广泛应用。ArcSDE为ESRI公司提供的空间数据引擎，它是在关系数据库管理系统中存储和管理多用户空间数据库的通路。本系统采用“SqlServer+ArcSDE”的模式对数据进行存储和管理，有效的实现了海量空间数据的存储和多用户的并发访问支持。部分数据库中表及字段设计如表1所示。

表1 部分数据库表及其字段设计表Table 1 Part of design of the database table and table field

1.4 人机交互设计

人机交互设计主要遵循以下原则:

(1)简洁、方便、友好、实用，尽量减少打开关闭对话框的次数。

(2)易于学习、容易掌握，提供详细的在线帮助内容。

(3)最大限度地汉化，包括菜单名称、窗口提示信息等。

图2为系统主界面。

图2 系统主界面Fig.2 The main interface of the system

2 系统功能设计

本系统在深入分析突发性地质灾害应急辅助决策支持工作需求的基础上，将系统核心功能划分为基础数据获取与融合、灾(险)情定位、辅助决策分析和决策成果表达四大部分。

2.1 基础数据获取与融合

基础数据是空间辅助决策支持系统的基础，其具有多源、异构、海量等特点。如图1所示，地质灾害点数据、地质灾害易发区分布图及地质灾害防治规划图是从浙江省地质资料档案馆收集的电子光盘资料;地质灾害实时监测点数据是通过GPRS无线网络实时接收的数据;二维地理底图和三维DEM及遥感影像图均以Web Services的形式从浙江省测绘与地理信息局获取;实时降雨数据通过网络共享的形式从浙江省水利局获取;预报雨量数据通过气象专网从浙江省气象局获取。

在分析灾害点数据内容的基础上，制定我省地质灾害数据标准，整合收集到的现有资料并入库。将图形数据进行格式转换，将MapGIS和MapInfo等格式的数据转换成ArcGIS格式。所有数据的空间参考均采用浙江省国土资源“一张图”工程规定的西安80经纬度标准。

通过面向第三方应用系统提供标准的Web Service、WMS、WFS等数据交换与访问接口，采用XML(可扩展标记语言)、SOAP(简单对象方位协议)、WSDL(Web服务描述语言)等协议和技术，C#作为代码实现语言，面向多部门、多平台空间数据、属性数据、结构化数据与非结构化数据等信息资源，按其类型、逻辑关系进行层次化组织，通过位置配准、格式转换、语义转换、属性数据映射等技术处理，提供相应规范和可行方法，实现跨平台、跨部门的多源异构数据资源有效融合和集成［5-7］。

2.2 灾(险)情定位

根据地质灾害应急工作的实际情况，将灾(险)情速报分为两大类，根据不同类型的速报，将灾害点定位方法细分为四种(表2)。

表2 速报点类型及定位方法Table 2 Types and locating method of the quick report geological hazard

其中新增灾害点大类中灾(险)情速报信息只包含地名的情况最为常见。为了解决这一类型的灾(险)情定位问题，本系统采用了浙江省测绘与地理信息局提供的地名搜索与定位服务，该服务具有地名模糊匹配查询功能，地名库中有全省近27万个地名数据。

2.3 灾(险)情辅助决策分析

2.3.1 已知隐患点辅助决策分析

查询隐患点数据库，迅速在各类地图及三维虚拟地球上定位灾(险)情发生地点，进而查询相关信息。

查询隐患点的详细调查信息，全面深入了解灾(险)情点基础背景信息。

在二维地图上定位灾(险)情发生地点，查询其所处的地理位置，了解其交通状况。

在地质灾害易发区分布图上定位灾(险)情发生地点，查询其所处易发区位置、周围地质构造及地层岩性等地质背景信息。

在由三维DEM及高分辨率遥感影像图构建的虚拟地球上定位灾(险)情发生地点，查看其附近地形地貌情况、实时降雨量和预报雨量情况(图3)。

根据对上述信息的查询与分析，结合浙江省地质灾害应急会商系统中野外单兵通过卫星信号传回的灾(险)情现场情况，辅助应急会商领导和专家做出临灾处置决策。

2.3.2 新增点辅助决策分析

图3 灾(险)情点附近实时雨量及预报雨量情况Fig.3 The real-time rainfall and forecast rainfall nearby the geological hazard

对于灾(险)情点是新增点的情况，利用本系统提供的灾(险)情定位方法，定位灾(险)情位置后，利用灾害点空间查询功能中的点缓冲区分析功能，查询灾(险)情所处位置附近一定范围内的已知调查点，通过这些调查点的调查信息，间接了解新增点的背景信息(图4)。

图4 灾(险)情点3公里半径范围内已知灾害点查询Fig.4 The geological hazard buffer query of 3 km

其他辅助决策信息的获取及分析与上一节中已知隐患点辅助决策信息的获取分析方式一致，这里不再赘述。

2.4 辅助决策信息及决策成果表达

辅助决策信息及决策成果的表达方式包括屏幕表达、报表表达和图片表达三大类。屏幕表达供应急会商室内人员进行决策分析使用，该方式可以表达几乎全部本系统能够提供的信息，是辅助决策信息及决策成果表达的主要方式;报表表达是指将查询出的灾害点调查表、速报情况表、灾(险)情统计表等数据表格进行导出表达的方式;图片表达包括屏幕打印、灾(险)情示意图输出及防灾避险图输出等决策成果的表达方式。报表表达和图片表达可以用来指导灾(险)情现场的救灾避险工作，也可以用来向上级部门做灾(险)情情况汇报。如图5，是本系统制作的防灾避险图示例。

图5 防灾避险图绘制与表达Fig.5 Drawing and expression of the geological hazard prevention map

3 系统实现的关键技术

3.1 面向服务的多源异构数据融合集成技术

SOA是一种组件模型，它通过称为服务之间定义完善的接口和契约来联系应用程序中的不同服务。多源异构空间数据通过分布式GIS服务器发布为符合开放地理信息联盟(OGC)互操作规范的网络地图瓦片服务(WMTS)、网络地图服务(WMS)、网络覆盖服务(WCS)、网络要素服务(WFS)、KML形成服务来实现网络环境下的跨平台跨浏览器访问和调用。多源异构的非空间数据通过IIS REST Web Services发布为REST服务，将非空间数据资源转化为带有唯一标识符号的网络资源，通过统一服务接口对资源进行操作，实现网络环境跨组织的分布式信息集成和应用开发。降雨量分析等地理处理功能模型通过ArcGIS Server发布为网络地理处理服务(WPS)来实现“一次开发、重复操作”和跨系统平台集成。

本文采用面向服务的架构、OGC规范和REST服务，构建面向地质灾害应急空间辅助决策的服务模型，将MapGIS结构、ShapeFile结构、SQL Server空间数据库、KML结构或Geodatabase结构等分布式存储的地理数据，通过分布式GIS服务器，发布为符合OGC规范的数据服务和功能服务。

利用Web Services技术、Ajax技术和JavaScript在客户端实现各种空间信息资源的注册，对各种格式(XML或JSON)的服务资源进行分类组合、聚合，加工提取面向突发性地质灾害应急主题服务的更高级信息，提供更高智能化的聚合服务，如地质灾害易发区分布图、地质灾害点、群策群防信息、预报雨量站、实时雨量站、预报雨量等值线等临灾处置中多源异构信息的有机融合展示和二三维联动。

3.2 地名地址匹配技术

地名地址匹配技术是根据文字性的地名地址与其空间的地理位置坐标建立起对应关系的过程。主要由空间参照数据库、分词库、地名地址拆分及标准化、地址匹配规则配置及地名地址匹配引擎部分组成，其核心是地名地址匹配引擎，可以满足单、批量地名地址匹配以及交互匹配的需求，提供了一种将非空间信息空间化的手段。地质灾害应急灾(险)情速报中经常遇到文字性的速报地名，可通过地名地址匹配技术快速转换成空间数据，满足速报快速定位需要。

3.3 地质灾害应急态势标绘技术

地质灾害应急态势标绘是在二维、三维地理信息融合基础上，对地质灾害应急救援现场随时间变化的应急态势进行标注分析，使用图形符号标绘应急指挥部署、应急处置方案、救护、抢险行进路线和救援经过等，形成专业的态势图。该体系将突发性地质灾害应急态势信息分为灾情标绘点、灾区地理环境、危险区、撤退方向态势标绘等四类态势标绘元素。

TerraExplorer API(TE API)是Skyline提供的三维应用开发接口，支持C/S和B/S两种开发模式，提供点、线、面、体等地图图形要素制图与可视化接口。本文基于TerraExplorer API进行浏览器客户端二次开发，实现三维地质灾害应急场景中态势标绘元素的可视化显示、无级缩放和有效融合。在态势标绘基础上进行三维空间分析，使分析人员对突发性地质灾害所处地理环境认识更深入和全面，是用于应急处置分析的重要手段。

4 结论

本系统是网络技术、空间信息技术及地理信息系统等现代化信息技术运用于突发性地质灾害应急空间辅助决策方面工作的良好实践。本次工作提出了地质灾害应急决策所涉及到的多源异构数据融合的技术方法，实现了跨平台、跨部门的多源异构数据融合与集成;总结归纳了地质灾害应急实际工作中遇到的所有灾(险)情速报情况，并分别提出了处理办法;在临灾状态下，本系统能够快速的为应急会商领导及专家提供灾(险)情发生地的地理位置、交通情况、地质背景、实时雨量、预报雨量及地形地貌情况，辅助应急会商专家和领导快速准确的做出临灾处置决策。

目前国内鲜有这样的突发性地质灾害应急空间辅助决策支持系统的实践工作，本系统的设计与开发，将促进我省地质灾害应急辅助决策信息化水平的提高，从而达到制定临灾处置决策迅速准确，最大限度的减少人员伤亡和财产损失的目的;同时对其他兄弟省份的突发性地质灾害应急空间辅助决策支持系统的建设具有一定的借鉴意义。

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