三維GIS平臺的地面沉降地質災害信息系統研究

焦道振，謝榮安，楊賢偉

(廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800)

三維GIS平臺的地面沉降地質災害信息系統研究

焦道振，謝榮安，楊賢偉

(廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800)

依托三維仿真技術和地理信息系統，全面整合了地面沉降監測資料和相關信息，建立了地面沉降地質災害監測信息管理系統，實現了地面沉降調查監測海量信息的數據庫管理，為政府部門制定地質災害防治措施和保證重點大型工程項目的建設提供了技術支持。

三維GIS；地面沉降；地質災害

一、引 言

珠江三角洲地區覆蓋面積約11 681 km2，是我國經濟最發達的地區之一。改革開放以來，隨著該區域經濟的快速增長、人口的迅猛增加、城市化水平的日益提高，人類經濟、工程活動、大量開采地下水等所引發的地質環境問題對人類生存和社會經濟可持續發展的影響也越來越突出，尤其是作為地質環境問題之一的地面沉降問題，已直接給區域經濟社會發展帶來了嚴重的危害和阻礙。為了保障珠江三角洲地區國民經濟建設的地質環境安全，保障廣大人民群眾的生命財產安全，保持珠江三角洲地區的經濟可持續發展，避免因地面沉降帶來的更多災害，迫切需要建立采集、管理與分析系統，從而準確把握地面沉降動態，為政府制定防治措施和保證重點大型工程項目的建設提供決策性保障和技術支持。

三維GIS技術的誕生使得城市管理的技術手段變得越來越豐富[1]，三維GIS平臺在陸地三維場景構建和可視化技術方面比較成熟[2]。地理信息技術的發展為建設地面沉降地質災害信息系統提供了支撐。為了達到該項目標，需要以地面沉降監測資料為依托，建立地面沉降地質災害監測信息管理系統，實現地面沉降調查監測海量信息的數據庫管理，對沉降監測點及其相關資料進行查詢、統計分析、沉降預測、信息發布功能等。通過全面收集本項目涉及的地質資料，筆者進行了地面沉降現狀調查、監測網絡建設、首期系統的地面沉降監測，利用獲得的地面沉降監測數據及地質資料數據，建立了地面沉降監測信息管理系統。

二、系統總體架構

本系統需要建立不同數據之間的聯系，集成不同的軟件平臺，因此，在系統總體結構建設上采用多層分布式架構，通過統一的數據管理，將不同的應用模塊集成在同一個框架下，建設完成后的系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

標準與規范體系和安全保障體系縱向貫穿框架體系的各個層次。框架體系分別有運行支撐層、數據層、服務層、應用層。

1.運行支撐層

運行支撐層是系統和數據的載體，依托現有的基礎設施軟硬件環境建設，包括網絡系統、網絡監控設備、服務器系統、存儲備份系統等環境，以及專用計算機機房環境等。

2.數據層

數據層包含遙感數據、三維數據、采集數據、運維數據、其他數據5大類專題業務數據和運維的管理類數據，采用一個分布式的、開放的數據庫系統進行數據的存儲[3]。

3.服務層

服務層是平臺建設的核心內容。服務層將數據層的各種數據發布成服務，以提供給應用層調用、顯示，并執行各種操作。

4.應用層

應用層是基于數據和服務建立起來的多個應用系統的集合。

三、系統功能模塊設計

本系統主要功能模塊包括信息采集子系統、信息管理子系統、決策分析子系統和后臺維護子系統等。

1.信息采集子系統

該系統定期自動讀取沉降監測設備的動態信息；同時把實時監測信息定期發回數據中心；數據中心對接收的監測信息進行監理、分類、入庫等操作；對于異常數據通知系統重點關注；可以自定義采集的時間和采集點。

主要功能包括采集計劃、數據下載、數據讀取、數據監理、數據入庫等。

2.信息管理子系統

該系統維護和管理沉降監測的各種設備和其相應的屬性信息維護。

主要功能包括監測站管理、監測信息維護、查詢瀏覽、圖層管理等。

3.決策分析子系統

該系統形象直觀地管理監測設備和瀏覽監測信息，并且能對動態的監測信息進行數據分析、三維空間分析、監測報表統計、成果輸出、監測專題圖管理等輔助決策分析。

主要功能包括監測設備瀏覽、信息查詢、三維漫游、三維空間分析、三維控制、地面沉降監測數據分析、專題圖管理、沉降預測、報表統計，成果輸出等。

4.后臺維護子系統

該系統主要的功能是保證系統正常運行和信息安全可靠，包括用戶管理、權限分配管理、性能分析、日志監控、監控、數據備份、恢復等。

主要功能包括用戶管理、狀態檢測、數據備份、數據恢復和屬性維護等。

四、關鍵技術

1.面向服務架構的SOA技術

本系統采用SOA技術，將面向地面沉降地質災害監測管理的不同應用與服務統一封裝起來，并將其通過不同的表現形式表現出來(包括C/S、Web表現)，通過統一的登錄門戶進行管理。SOA技術的敏捷性和靈活性有巨大的好處，標準化的服務通過協同工作，使分散的服務能夠快速、輕松地連接起來。

面向服務的架構SOA技術是一種架構方法，可以創建互操作的、松耦合的業務服務體系，這些服務能夠方便地在地面沉降信息管理系統內部和外部共享。面向服務體系SOA技術結構有如下特征：模塊化和包含、松散耦合、互操作性、接口的明確定義、位置透明的可組合性。

2.采用可擴展標識語言(XML)和Web Service技術

本系統采用可擴展標識語言(extensible markup language，XML)和Web Service技術，國際標準化組織(ISO)所制訂的通用語言標識標準(standard generalized markup language，SGML)的一個精簡集。它是用于定義其他標識語言的一種元語言，用于描述信息的各種標識都可以由設計者自行建立，以強化特定專業數據的結構和關聯。Web服務是使應用程序可以采用與平臺無關和與編程語言無關的方式進行相互通信的一項技術，它使用基于XML語言的協議來描述要執行的操作或要與另一個Web服務交換的數據。系統對外提供服務、系統數據的發布與共享可采用Web Service技術，實現數據的共享和異構系統的整合。

另外，AJAX技術可大幅降低頁面刷新次數，提高數據訪問效率，優化用戶使用體驗，如在地面沉降系統的數據庫交互、數據傳輸中大量采用XML語言來描述信息，并作為數據交換的基本格式。由于XML具有數據來源的多樣性和多種應用的靈活性、柔韌性和適應性，以及內容與形式的分離性，它具有開放的標準，有助于實現數據的標準化、結構化[4]。

3.海量數據快速發布技術

本系統的數據類型多樣，特別是各種監測數據、基礎地質資料數據均為海量數據，且有許多為柵格數據，需采用先進的海量數據快速發布技術進行數據組織和優化。

數據的索引組織模型分為矢量數據和柵格數據。矢量采用多尺度及多級網格化分塊復合索引，建立多個尺度的行政區劃索引，到一定比例尺顯示定量的數據，按年度、區域、比例尺對數據進行尺度合理劃分，目的是減少每個獨立表的數據量。柵格數據也采用按年、區域的金字塔組織模型，建立數據倉庫時建立多維數據集，進行OLAP多維分析，利用多維數據集進行監測業務報表展現和地質三維監測隱患點的數據挖掘等。

數據檢索使用網格索引、要素索引和屬性多級等；建立起全系統的多級元數據庫(矢量、柵格數據)服務器，將柵格的瓦片數據和矢量數據分別集中到多個高性能服務器進行存儲。柵格的索引元數據和矢量元數據在樹形節點存儲結構下的嵌入式數據庫文件中，實現柵格和矢量分布式存儲的功能。數據調度使用多級cache、多線程、多任務范圍快速調度。

4.空間信息服務技術

目前多數三維地理信息系統的應用還局限于數據庫型層面上，GIS的優勢在于數據的空間分析和海量的空間數據存儲管理。數據型GIS一般都實現了簡單的空間分析功能，如查詢統計、疊加分析等。本系統采用空間信息服務技術，在信息采集子系統、信息管理子系統、決策分析子系統通過此技術對地質三維數據進行空間分析、預測預報地面沉降地質災害、決策支持等方面的應用要求。目前建立完善的空間數據分析理論和方法體系，集成先進的空間數據分析工具，增強GIS的空間分析能力，使數據型GIS上升為分析型GIS，是GIS技術與應用的發展目標和趨勢[6]。

五、結束語

珠江三角洲及周邊地區地面沉降地質災害監測信息管理系統是一個針對地面沉降地質災害綜合管理服務專業信息管理平臺，是以地面沉降監測資料為依托，實現了地面沉降調查監測海量信息的數據庫管理，可對地面沉降監測點及其相關資料進行查詢、統計分析、空間分析、地面沉降災害預測、信息發布功能等的綜合管理分析系統。該系統可為珠江三角洲及其周邊地區地面沉降地質災害的管理及研究提供現代化的技術管理方法；為提高地面沉降地質災害防治的各部門應急反應能力奠定基礎；為政府部門控制或防治地面沉降地質災害、合理開發和利用地下資源、科學地進行區域經濟規劃與建設提供規劃和決策依據；向全社會提供地面沉降監測的信息服務，為國家減輕地面沉降災害損失提供技術支撐；為實現資源與環境協調、經濟與社會的可持續發展提供可靠的依據。

[1] 唐楨，張新長，曹凱濱.基于Skyline的三維技術在城市規劃中的應用研究[J].測繪通報，2010(5)：10-12.

[2] 徐勝華，劉紀平，王想紅，等.基于三維GIS的海洋標量場數據動態可視化[J].測繪通報，2013(10)：50-53.

[3] 田黨生.西安地質災害管理信息系統研究現狀與實現[N].國土資源信息化，2010-02-20(04).

[4] 孫曉生，苗前軍，丁明柱.基于Web Service的空間信息服務技術探討[J].測繪科學，2004，29(B12)：120-122.

[5] 羅俊彪，陳穎彪，郭冠華，等.基于GIS技術的影像數據庫建立與設計方法研究——以增城市為例[J].廣州大學學報：自然科學版，2011，10(5)：76-82.

[6] 劉湘南，黃方，王平.GIS空間分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2008.

Research on Ground Settlement Geological Hazard Information System Based on 3D GIS Platform

JIAO Daozhen，XIE Rongan，YANG Xianwei

P208

B

0494-0911(2014)11-0120-03

2014-02-12

焦道振(1977—)，男，安徽碭山人，助理工程師，主要從事數據建庫及基礎地理信息系統應用開發的工作。

焦道振，謝榮安，楊賢偉.三維GIS平臺的地面沉降地質災害信息系統研究[J].測繪通報，2014(11)：120-122.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0379