基于Virtual Globes的绵竹山洪监控系统研制★

黄永威 杜 胜 郎少林

(1.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731； 2.四川省蜀通岩土工程公司，四川 成都 610081)

0 引言

山洪灾害是由降雨作用在特定地形地质条件下的沟谷而产生的自然灾害，具有突发性、季节性强、冲刷破坏力大、点面广等特点，其诱发的滑坡、泥石流等灾害，往往对局部地区的人民生命财产和基础设施造成重大危害[1]。近年来，我国山洪灾害问题日益突出，每年都造成大量人员伤亡和财产损失。绵竹市地形陡峻，水系发育，多斜坡冲沟地形，区内岩体风化破碎，松散堆积体大量堆积，导致该市地质灾害和水患多发。本文结合绵竹市国土资源局历年来对重大山洪灾害点汛期排查资料，将清平乡等8个主要山洪灾害点纳入山洪灾害远程监控系统，并对其灾害信息进行监测，分析其变化趋势。

山洪灾害远程监测的核心是基于3S技术和网络通讯技术,实现对监测数据(异地分布的时态数据)、多源空间数据和属性数据的有效集成[2,3]。本文基于Virtual Globes技术[4,5],实现了三维地理信息数据、地质灾害数据、监测数据无缝集成，并调用移动的MAS平台,通过短信实现灾害信息的实时自动报警,为山洪防汛决策提供及时、准确、可靠的依据，为实现预警决策自动化和防汛会商现代化提供有力支持[6]。

1 系统设计

1.1 平台选型

在山洪灾害的数据模型、业务需求和功能需求等充分调研分析的基础上,本系统选用三维GIS平台iTelluro作为开发平台,系统开发环境概述见表1。

表1 系统平台和开发环境概述

Virtual Globes为数字地球的可视化软件平台，用户可通过鼠标或键盘在三维空间尺度对整个地球进行缩放、漫游。相比传统的二维GIS平台，Virtual Globes具备网络海量数据的集成管理、空间数据的实时可视化、与其他信息系统的集成和互操作等优势，更便于山洪灾害监控数据的统一集成管理和可视化表达。

1.2 系统设计

整个监控系统架构为传统的三层架构，即客户端、服务器端和数据库(见图1)。客户端是一个基于Virtual Globes技术的三维可视化程序，该部分基于iTelluro GlobeEngine和相关功能组件，使用VS的WinForm技术构建，提供GIS地图数据的查询、浏览、量算等基本功能，以此为基础，实现项目的功能需求，满足工作区内山洪监测点的监测数据的实时预览、查询、统计分析、管理等功能。

客户端本身不保存数据,所有数据都由服务器端提供,客户端通过高级空间索引技术和空间数据流技术从服务器获取所需的部分，以实现海量空间数据的支持。客户端可以选择是否保存缓存数据,保存了缓存数据的客户端可以在网络断开状态下查看缓存于本地的部分数据。

服务器端是基于ASP.net开发，通过web服务与客户端进行交互，并通过http协议返回客户端的请求，经服务器端的iTelluro Server提供空间数据、空间分析、空间应用服务等功能组件。数据层通过subsonic组件库来进行数据库访问和数据调度。

数据库采用SQL Server 2008，主要是用来存取一些标注等属性数据。三维空间数据采用三维引擎iTelluro Fusion来导入、存取和预处理。而监测数据，包括雨量、水位、视频数据，采用PostgreSQL数据库存储，通过适配器，连接其他的GIS系统或数据库相联系，并调用其接口进行读取。

2 功能设计与实现

2.1 系统功能模块

绵竹山洪灾害远程监控系统采用模块化设计的技术路线，主要包括三维GIS模块、监测管理模块、信息查询模块、业务系统模块和短信报警模块(见图2)。

1)三维地理信息模块。主要包括一些基本的GIS功能：POI信息点的信息查询与定位，图层管理、距离测量、面积测量、视图漫游等空间测量功能，飞行定位和路线录制，视图上任意两点间的剖面分析，以及坡面和坡度信息。同时,该模块还将基础地理、基础地质、灾害易发分区、防治规划等数据与WMS，ArcGIS Server等数据源相结合,为地质灾害的防治、管理和决策提供了基础数据。

2)灾害数据管理模块。针对监控区主要的8个山洪灾害点，建立其属性数据表,并将其与空间地理信息相关联,实现三维视图的查询和编辑。监测点管理主要实现对监测点的空间位置信息、属性数据信息以及设备信息(设备的编号、检核信息以及数据异常信息等)的统一管理。

3)信息查询浏览模块。在三维球体上，用户可以通过选择相应的监测点进行监测信息的查询浏览，或通过关键词搜索定位查找区域灾害信息。其中，雨量计监测数据以24 h降雨量、6 h降雨量和1 h降雨量为单位进行降雨时序曲线统计，并以柱状图展示；水位计监测数据以具体时间段内的水位量变化进行统计成图，以折线图展示；监控视频能进行监测点的实时图像传输展示，以便在中控中心全面、直观的呈现监控点的现场详细灾情，便于决策。此外，还可以查看监测仪器的实时和历史数据。

4)业务系统模块。主要是实时水雨情监控子系统，主要包括雨情监控、水位监控和发布系统。雨情监控(水位监控)通过在监测点附近搭设雨量计(水位计)采集数据并实时存放在监测数据库中，然后客户端向服务器请求调用雨量的统计图表页面，进而显示监测信息。发布系统则采用ArcGIS Server和WMS发布服务，服务中包括基础地理和基础地质数据信息以及一些监测数据信息。

5)短信报警模块。首先设置目标联系人和报警阀值，然后系统用户基于移动的通信服务器，将短信内容发送到目标联系人。通过Windows的后台服务，实时查看监测数据库的雨量和水位数据，一旦这些数据超过报警阈值，短信自动报警模块将短时间内的实时监控和报警数据发送到预先设定的目标联系人的手机终端。这样既提高了预警的时效性和准确性，同时，报警信息可以在Virtual Globes的三维视图中显示为不同颜色的闪烁图标，并通过文字和信息窗口显示其具体的报警内容。

2.2 MAS功能及短信报警

系统可以根据监测设备实时采集的数据实现面向防汛人员自动报警，过程如下:系统预先设置不同监测设备4个不同级别(红色、橙色、黄色、绿色)的报警阈值;然后，通过服务器Windows服务对监测数据库进行实时监控扫描；经过专业报警模型进行报警计算，一旦达到阀值，就以短信的形式发送预警信息到已设置好的不同报警级别的目标联系人，进行山洪灾害的自动分级预警。

如图3所示，山洪灾害短信报警流程分为六个步骤：

1)按照各类型监测设备的不同预警级别来设置阀值和相应的目标联系人；2)创建Timer对象，读取报警时间间隔，进而创建报警器控件；3)达到设定的时间间隔就从监测数据库中读取最近的数据，并判断最近一次报警后是否存在新数据，如果有就进行报警计算，否则就直接进入下一次报警流程；4)进行报警计算，即计算一定日期和时间的降雨量和水位量；5)如果报警计算结果超过阀值，就发送短信到移动的MAS服务器，进行灾害自动报警并保存报警信息到数据库中，否则就进入下一次报警流程；6)进入下一步报警流程，当达到用户设定的报警时间间隔，就进入下一轮报警。

2.3 系统集成与实现

在每个监测点附近，监测设备用于采集数据，并通过宽带、光纤或无线GPRS等通信方式将数据传输到中控中心服务器，并及时存储到监测数据库。当客户端向服务器端请求监测数据时，服务器端通过数据服务远程访问监测数据库，及时查询检索监测信息，并进行监测图表的实时绘制，并在三维GIS平台上实现与基础地理数据、地质数据以及预警信息的无缝集成显示(见图4,图5)。

3 结语

1)绵竹市山洪灾害远程监控系统基于Virtual Globes技术，融合了地理信息数据、地质灾害数据、监测数据以及移动的短信平台，实现了监测数据、灾害点数据以及三维空间数据的无缝集成，大大提高了预警系统的直观性、实时性和有效性。

2)基于移动MAS平台的短信报警模块和基于Windows服务的后台实现，可即时动态的展现监测数据的最新情况，向用户第一时间发布信息，便于对山洪灾害及时指挥决策。

3)基于光纤和GPRS的数据传输，保证了数据的可靠性，基于系统对海量数据的支持，也就保证了数据的稳定。

4)由于采用的短信报警计算模型和报警等级的划分并不能完全符合山洪预警的实际需求，可能导致一些偏差，这些都要求对报警模型进行优化，以便能更好的对山洪地质灾害进行预测预报。