基于WebGIS的地面沉降监测预警信息系统构建的研究

刘 钊，李 敏，韩 征，张 雪，罗 勇

（1.北京市地勘局信息中心，北京 100195；2.北京市水文地质工程地质大队，北京100195）

0 前言

城市地质工作是城市规划建设和经济社会发展的重要基础支撑（卫万顺等，2016）。为了城市建设和经济社会的协调，需要加快“智慧型”地质资源环境承载能力监测预警平台建设步伐。城市规划建设对城市地质数据的要求不断提高，城市地质资源环境承载能力监测预警平台正向着“智能化”转变。GIS是以计算机为基础的新兴技术，是一门多学科综合的边缘学科（王刚等，2001），如今大量WebGIS系统平台涌现到人们的生活中，不断推进了GIS二次开发技术的发展和成长（赵文昌等，2006）。WebGIS是地理信息系统和互联网技术相结合产生的一种新技术方法，人们通过互联网就可以获取所需各种地理空间数据和图形图像信息，并可以根据不同的需求，进行与地理空间信息相关的处理和应用分析。WebGIS是构建地质资源环境承载能力监测预警信息平台、实现平台互联互通、交换共享的关键技术。借助WebGIS的简易性和直观性，可将各种地质成果数据进行展示，也可对各种地质模型的模拟计算过程进行松散耦合（Nyerges，1992）；通过互联网，可以将模拟结果进行多元化动态展示，从而降低了模型的使用门槛，提高了模型的决策分析能力。

“地面沉降”其实最早是一种地质现象，逐渐演变为一种灾害（罗勇等，2013）。北京是我国地面沉降发育较为严重的地区之一，目前依旧处于地面沉降快速发展时期，沉降速率居全国首位，地面沉降造成的经济损失和社会影响日趋明显（叶晓宾等，2006；贾三满等，2007；杨惠等，2011）。目前我国在地面沉降监测网络的建设、地面沉降的数值模拟、地面沉降机理的研究等方面均取得了大量的成果，但对于地面沉降成果信息化的应用，尤其是预警产品与多平台的数据融合，尚处于探索阶段。

1 WebGIS在地质资源环境领域的应用

许多优秀的WebGIS软件产品的涌现，让WebGIS应用有了极大的发展空间，就目前而言，开发WebGIS软件所采用的产品原则、开发手段、技术路线等都大体相同。在技术思路上基本集中于分布式体系结构、空间数据结构、网络环境下空间信息的组织和管理、对空间数据模型、空间数据传输协议等方面。在技术手段上也大多采用的B/S结构。应用Web技术，使用分布式对象技术，例如JAVA、CORB、ASP.NET、DCOM/ActiveX，或综合使用多种技术等。

国内外一些优秀的企业和生产商相继推出了多款空间地理信息服务系统，比较有代表性的包括ESRI公 司 的ArcGIS Server；MapInfo公 司 的MapXtreme；Autodesk公 司 的 MapGuide；Intergraph公司的GeoMedia Web Map；武汉中地数码公司的MapGIS Internet GIS Server；遥感应用工程技术中心的GeoBeans；武汉吉奥的GeoSurf等。其中以中国地质调查局大力推进的地质信息化建设的“地质云1.0”为例，使用WebGIS的方式，通过混合云技术架构，构建了分布式节点体系，集成了现有的基础设施层、数据层、平台层的资源与能力。采用WebGIS技术将各个节点的地质数据分布储存、统一发布、集中服务，满足了不同需求方面的地质工作人员。

当前通过WebGIS技术可实现对地质数据分布式处理功能、开放的地理数据交换体系、处理海量数据的功能、对图像图形数据融合处理的功能、空间分析的功能、网络地质三维的可视化功能以及搭建移动终端的地理信息系统功能等，WebGIS技术在地质领域发展十分迅速。

2 地质资源环境承载能力评价与监测预警方法

2016年7月，国土资源部颁布了《国土资源环境承载力评价技术要求》，《方法》和《技术要求》均为地质资源环境承载能力监测预警平台的建设提供了理论方法和技术依据（图1）。

对地质资源环境承载能力的评价与监测预警方法需要建立评价指标体系，选择相应的评价因子，构建评价指标体系的框架，构建差别化的承载能力评价指标体系。

首先针对当前北京市地质环境、地下水资源、矿产资源等调查评价成果，需结合资源环境现状特征及演化分析，形成逐级细化的、多级多层次的地质要素单元，作为承载能力评价的基本单元；其次，综合北京市各种资源环境要素的空间分布格局，确定不同区域的资源环境短板因素和面临的主要问题；第三，结合北京市经济发展和生态文明建设的需求面，对不同评价区域划分不同类型地区，以此来合理确定评价指标阈值，根据指标阈值来对地质环境承载能力做出评价。对于地面沉降的评价与预警设置不同地面沉降速率控制阈值，计算得到各层位达到控制阈值时所对应的地下水位，对分析预测典型地区地面沉降发展趋势及防控具有重要意义（姜媛等，2015）。因此，《国土资源环境承载力评价技术要求》及其监测预警的技术路线为地面沉降的监测、评价、预警、预报工作奠定了方法基础，也为信息化建设指明了方向。

图1 资源环境承载能力评价与监测预警技术路线图Fig.1 Resource and environmental carrying capacity evaluation and monitoring and early warning technology roadmap

3 建设思路

地面沉降监测预警系统建设目的是通过水准仪、GPS点、基岩标、分层标、地下水位监测仪等终端物联网设备，提供分层沉降量、分层压缩量、地下水位、孔隙水压力、水准等数据的采集、整理、传输，完成对地面沉降的数据汇聚和信息资源建设，实现对区域地面沉降的分析、评价、预测和预警。

3.1 系统架构

地面沉降监测预警系统框架分为物联网、云平台和地面沉降监测预警信息系统。地面沉降监测预警信息系统实现地面沉降监测预警的主体功能，包含沉降监测数据的处理、分析、评估、预测，以及实现对地面沉降的专业分析、预警预报、分析成果管理和资源共享。整个应用系统构建在政务云平台上，同时通过一体化平台的服务总线、数据交换中间件实现应用集成、数据交换。

地面沉降监测预警信息系统分为数据层、服务层、应用层和展示层（图2）。

图2 地面沉降监测预警架构图Fig.2 land subsidence monitoring and early warning framework

数据层主要对系统各类数据统一存储和管理，通过建设地面沉降监测库、分析成果库、预警库和基础库，完成数据的存取服务；

服务层提供GIS地图服务、消息服务、接口服务、数据存储等基础功能，向上提供支撑服务；

应用层为功能层，包括监测数据的收集、管理、分析等功能，主要借助地面沉降评价模型库和GIS空间分析模块，实现对地面沉降的评价和评价结果的信息发布；借助地图服务模块，对成果图件、三维动画、智能报表等进行展现；

展示层也可称为客户层，提供面向工作站和移动终端多样的访问方式，实现用户与应用系统便捷、友好的交互，也是最终实现地面沉降监测预警系统的输出。用户可对预警预报信息进行浏览和查询。

3.2 系统功能

地面沉降监测预警信息系统主要包括监测数据管理子系统、数据处理子系统、成果管理子系统、预测子系统、发育程度分区评价子系统、数值模拟子系统和预警子系统，这些系统相互配合，实现地面沉降业务的全流程管理（图3）。

图3 地面沉降监测预警信息系统功能图Fig.3 Function map of land subsidence monitoring and early warning information system

其中地面沉降预警子系统主要实现根据地面沉降分析结果，结合地区发展规划与水资源供需状况及其地质背景条件等制约因素，进行地面沉降预测预警。依照地区经济不同的发展阶段及其对地面沉降灾害的防御与承受能力，确定相应的地面沉降预警线。地面沉降预测子系统主要实现提供地面沉降数理统计预测、神经网络预测、灰色系统预测等模型，实现对区域地面沉降量进行有效预测。地面沉降发育程度分区评价子系统主要实现对地下水位、土体力学特征、孔隙水压力等分析功能模块。

4 关键技术

地面沉降综合评价模块是系统的核心模块，建立地面沉降评价模型库又是它的核心。当前地面沉降模型大致可分为水流模型、土力学模型、生命旋回模型(宰金珉等，2000)、随机介质模型（阳军生等，1999）、神经网络模型（金爱善，2000）等，其中水流模型又可进一步分为准水流模型，如上海和天津所采用的多层含水层心痛水流模型（陈崇希等，2001；李勤奋等，2000）和济宁模型（魏加华等，2000）等。这些相关模型借助计算机技术，基于面向对象思想，可将各种地面沉降模型封装到不同组件中，并将这些组件部署到应用服务器中，用户可通过各种服务，实现与系统的信息交互 。

4.1 基于物联网的监测数据同步机制

物联网（Internet of Things，IoT）作为一种新兴的网络技术和产业模式（朱洪波，2010），是“智慧城市”建设中不可或缺的关键技术。物联网的体系架构一般包含3个部分，分别是传感器端的感知层、融合化网络通信基础设施的网络层和终端的业务应用程序的应用层。感知层主要包括传感器等类型的数据采集设备，包括数据接入到网关之前的传感器网络，感知层是物联网发展和应用的基础；物联网的网络层是建立在现有移动通信网和互联网基础上的，以数据为中心实现网络层中的感知数据管理和处理技术是物联网的核心技术，云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，是物联网网络层的重要组成部分。物联网的应用层利用经过分析处理的感知数据可为用户提供丰富的特定服务。

因此，在地面沉降监测预警信息系统的建设过程中，必须遵循物联网的三层结构，实现对包括分层标监测数据、GPS监测信息、地下水位监测信息、孔隙水压力监测信息的物联网进行一体化设计（图4），建立物联网感知端的标准化接口协议，建立基于北斗卫星、GPRS无线网络、CDMA无线网、政务网等的通讯网络，实现地面沉降各种监测数据的安全、准确、及时、稳定传输，从而为前端的专业分析管理和预警预报奠定数据基础。

4.2 地面沉降多源数据库建设技术

地面沉降监测预警系统未来将通过统一的物联网传输协议实现分层标、地下水位、孔隙水压力监测数据的传输，其涉及的传感器类型种类较多，类型较为复杂，不同种类型的传感器具备多样化的数据结构。另外，为了沉降预警预报和综合分析，系统还将集成以非结构化数据为主的钻探数据、影像数据、三维数据、基础数据，因此如何将这些多类型、多结构、多尺度的沉降数据进行有效集成，是地面沉降监测预警信息系统建设的关键技术之一。

目前国内部分城市已相应地建立了一些相关的专业数据库（王丽瑛等，1998；陆衍等，2002；张周平等，2003）。在此系统中，首先，数据库具体实施过程中，将在前期各类监测数据、成果图件、基础信息、三维模型等资料的收集、整理、分类的基础上，将地面沉降数据按照数据结构分为结构化、空间和非结构化数据。其中结构化数据采用SQL Server 2008R2数据库进行存储，空间数据采用ArcSDE+SQL Server进行存储和管理，非结构化数据将采用MongoDB数据库进行存储，中间按照统一的方式实现数据的交互。ArcSDE作为空间数据管理平台，是在关系数据库管理系统（RDBMS）中存储和管理多用户空间数据库的通路，它提供了高性能的DBMS通道，ArcSDE不但灵活地支持了每个DBMS提供的独特功能，而且能为底层DBMS提供它们所不具备的功能的支持。

图4 地面沉降监测预警系统逻辑架构图Fig.4 Logical framework diagram of land subsidence monitoring and early warning system

其次，将实现基于多源异构的数据库管理系统的建设，从而对关系型和非关系型数据库进行统一的调度和管理，如图4所示。功能将实现对结构化数据、空间数据和非结构化数据进行统一管理，同时具备数据的ETL功能，包括导入导出、数据清洗、数据标准化等功能。

最后，在前期地面沉降数据库设计和异构数据库数据交换技术标准研究的基础上，对各类数据进行标准化处理，建立异构数据库数据交换软件系统，实现数据自动化的抽取、转换、上载，确保数据的正确性、完整性、一致性、完备性、有效性、时效性和可获取性。

4.3 基于WebGIS的应用服务技术

地面沉降预警预报模块主要基于WebGIS技术实现，WebGIS的核心即地图服务器，主要用于负责响应地图请求，并返回处理结构。当前系统主要基于ESRI公司的ArcGIS for Server。具体发布流程如下：

（1）配置用于发布地面沉降预警预报图等专题图，以MXD格式配置文件。

（2）使用ArcGIS for Server将MXD文件发布，并作为地图服务。

（3）客户请求传递到Web服务器，通过相应接口后传至空间服务器。

（4）空间服务器提供GIS服务功能，并在Web界面进行响应。

4.4 基于WebGIS的预警指标及多平台数据融合研究

北京地面沉降监测预警预报系统是复杂的综合化、智能化系统，是地面沉降监测数据管理、地面沉降机理研究、数值模拟、预警预报、信息化服务的大集成。而北京地面沉降监测预警预报系统指标体系的建立则是构建预警预报系统的前提条件，为此开展地面沉降预警指标研究，确定预警指标内容、临界值、服务对象、影响及危害程度等内容，为后期的预警模型建设奠定基础。

地面沉降监测预警系统获取信息手段多、方法新、数据量大，建成的沉降分平台应可以满足多个平台数据融合。开展多平台数据融合，一方面可以纳入北京市地面沉降监测预警预报系统，同区域网一同运行维护，另一方面应可以纳入首都地质资环境承载能力监测预警平台中，满足区域地质环境预警预报能力的建设。

5 结语

地面沉降监测预警系统的建立，将有益于适应新的城市建设特征，通过开展地面沉降实时监测，对地理研究、影响因素分析、模型研究、防治研究等工作具有推动作用；减缓地面沉降对城市建设和居民生活的危害，为社会安定和经济发展提供保障，减少地面沉降造成的社会经济损失，优化城市建设规划和布局，并为其他相关研究工作提供基础资料。

通过系统的构建及实际应用的表明，基于WebGIS的地面沉降监测预警系统，可实现较为准确的地面沉降监测预警评价，能够比较直观和方便的实现地面沉降的空间定位、图层叠加分析、多级别显示、水准点和地下水位监测点属性信息查询、实时数据查询等丰富的WebGIS功能。为地面沉降预警的防灾减灾工作提供了科学的辅助决策手段。