二三維聯動應急測繪指揮系統實現

范娟利

(中測新圖(北京)遙感技術有限責任公司,北京 100039)

0 引 言

我國地域遼闊,地質條件和地理條件十分復雜,自然災害分布廣泛,種類繁多,各種自然災害如塌方、地震、泥石流、不穩定斜坡等等時有發生。據民政部門相關統計文件,近15年來,我國平均每年因各類自然災害造成約3億人(次)受災,倒塌房屋約300萬間,緊急轉移安置人口約800萬人,直接經濟損失近2 000億元[1]。由于頻發的自然災害破壞,我國每年因為災害而產生的直接經濟損失逐年增加,已成為嚴重制約我國經濟發展和公共安全的重要因素之一[2]。為了有效降低自然災害損失,急需建立應急測繪指揮系統,而系統的建立對于災害的預警及其之后的救援和重建工作有著積極的意義。

地理信息系統(GIS)以它成熟的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的空間查詢、統計、輸出功能,特別適合于建立應急測繪指揮系統。近年來,二維地理信息系統數據模型與數據結構理論和技術不斷完善和成熟,基于二維GIS的應急測繪指揮系統能夠實現日常災情數據的高效管理、分析,災情發生時災情范圍快速鎖定及實現災情信息提取、分析評估、成果導出,為應急測繪指揮工作提供有力輔助決策。但二維系統在可視化表達方面存在不足,不能準確表達多源災情信息,災情模擬展示效果不佳,因而不能完全滿足應急測繪指揮系統應用需求,人們越來越多地要求結合3維空間來觀察和處理相關問題[3]。國內諸多學者針對二、三維GIS在災害應急指揮方面的應用進行了大量研究。其中鐘海東等提出基于三維GIS與視頻監控的綠化和市容應急指揮系統,利用Skyline三維平臺實現市容環衛應急事件的可視化調度指揮[4]。王其富,秦瑤等提出基于Web和GIS的災害預警信息管理系統,結合WebGIS技術實現災情發布[5]。

當前的應急指揮系統大多注重災情數據空間管理及災情模擬演示,缺乏實時災情信息獲取以及完整救援方案制定。本文利用ArcGIS Engine技術,設計一種二三維聯動應急指揮系統,重點研究實時災情信息提取、災情分析處理和快速救援方案制定,為應急指揮工作提供輔助決策支持。

1 系統總體設計

1.1 設計思想

系統面向測繪應急指揮,針對滑坡、泥石流及崩塌等地質災害隱患點數據管理、展示、分析評估展開多角度研究,包括不同地理空間粒度級別下的的災害隱患點信息管理、模擬真實場景展示、災情分析處理以及應急救援方案制定。系統根據災害隱患點信息分布規律及災害突發性等特點,配置兩條管理主線。

第一條主線為日常隱患信息管理。研究已有災害隱患點信息高效管理方式及隱患點數據導入、導出、添加、編輯、更新等基本數據操作;

第二條主線為應急隱患信息監測管理。該主線包含系統的核心功能,充分體現系統的應急輔助決策能力。在災情發生時配合地理信息應急監測設備,接收災害發生現場實時影像和視頻數據,將數據進行快速處理,搭建災情現場真實場景,通過歷史與現狀影像混合疊加、卷簾顯示、二三維分屏聯動等方式進行災情信息快速瀏覽、災情范圍快速提取分析、應急測繪指揮方案制定等一體化服務,形成專題地圖和圖表分析報告等初步處理方案資料,及時上報應急指揮中心辦公室,為應急響應工作決策提供及時、準確的第一手資料,輔助災害救援與整治工作。系統整體技術路線如圖1所示。

1.2 總體架構

系統采用三層結構體系,包括數據層、中間層和系統分析應用層。邏輯結構如圖2所示。

圖1 系統技術路線圖

圖2 系統總體結構圖

數據層:以地理信息數據庫為基礎,集成災害隱患區基礎地理信息數據、災害點數據、測繪資源數據,建立具有數據管理、存儲等功能一體化的地理空間數據庫。

中間層:提供一系列中間層功能組件,支撐應用層的專題應用。用戶可以根據不同的需求選擇中間層進入具體的應用。

應用層:實現數據管理,災害數據的查詢統計展示管理,災情信息的分析處理、災情信息的二三維聯動展示等專題功能。

1.3 數據組織與管理

系統數據庫采用ArcSDE結合SQL Server2008結構,構建多源、多尺度、多時相的7×24小時不間斷運行的災害隱患區域空間信息數據庫。各類自然地理和社會經濟治理要素圖層通過ArcSDE存儲在空間數據庫中,包括災害隱患區域基礎地理信息數據庫、災害隱患點地理信息數據庫和測繪資源信息數據庫。

1.3.1 數據庫框架

系統數據庫總體框架如圖3所示。

圖3 數據庫總體框架

災害隱患區域基礎地理信息數據庫包括區域數字正射影像(DOM),數字高程模型(DEM),數字線劃圖(DLG),地名,行政境界,居民地,交通路網等地理空間信息框架數據,在統一的地理空間體系下建庫管理,作為災害數據管理、災情分析處理和展示的地理空間框架數據。

災害隱患區域隱患點信息數據庫主要存儲災害隱患點數據專題圖層,支持災害隱患點數據添加、導入、導出及更新,支撐不同行政級別下隱患點數據管理、分析、展示與應急響應,區域管理最小粒度為鄉鎮級別。

測繪資源信息數據庫存儲應急設備,救災人員,應急物資等信息。災情發生時系統能夠快速查找應急設備進場路線并進行人力、物資調度,為初級應急方案制定提供基礎數據。

1.3.2 專題圖層管理

災情信息專題圖層用于存儲災情范圍及災情影響等級等屬性信息。當災害發生時,根據前方應急監測裝備實時回傳的影像數據快速鎖定災情輻射范圍,通過二三維分屏聯動等多種方式進行災情范圍提取及屬性信息錄入,將實際災情信息傳送到應急指揮中心,為下一步救災方案制定提供有力依據,因而災害信息專題圖層屬性表設計是系統數據庫表設計中的關鍵問題。為了保證災情信息提取的完整性和準確性,災情信息專題圖層中應包括災害點位置(包括直角坐標和經緯度坐標兩種類型)、災害類型、災害等級、受災人口,破壞房屋樹等關鍵信息,專題圖層屬性表結構如表1所示。其中災害類型、災情位置等基本信息由人工目視解譯確定并進行屬性信息錄入,災害等級由受災情況統計結果決定,災情等級數值分布情況表按照國家自然災害等級劃分進行設置,基本屬性表結構如表2所示。

表1 災情信息圖層屬性表

表2 災情等級屬性表

2 關鍵技術研究

2.1 日常隱患點數據管理

由于隱患點數據大都分布廣泛,種類繁多,為了提高隱患點數據日常管理效率,本文提出一種網格化管理思路,設計自定義行政區劃管理面板,實現對同一地理空間下省、市、縣到鄉鎮等不同行政級別網格單元所包含的災害隱患點數據管理。選擇任意行政單位可快速查詢其對應網格單元內所有隱患點信息,查詢結果按照災害類型進行樹狀機構組織。選擇任意樹節點或在地圖中選擇任意隱患點可以查詢其詳細屬性信息,包括上次發災時間,受災人口數,倒塌房屋數等關鍵信息,同時支持快速定位其對應二三維場景或進行二三維場景雙向聯動,在二三維場景中分別進行災情影響分析計算,既能體現二維系統的數據管理分析能力,又增加三維系統的真實性。

2.2 實時災情信息快速提取

由于災情發生時對區域內地形地貌破壞較大,應盡快提取災情范圍并進行關鍵信息錄入。系統根據災害突發性和破壞性大等特點,首先進行災情瀏覽,然后配合人工目視解譯判斷災前災后變化區域,最后進行災情信息提取。災情發生后,根據前方提供信息系統結合歷史災情發生情況快速鎖定災情發生區域,利用區域最新路網等數據確定應急監測車最佳行車路線,保證地理信息應急監測系統短時間內可以進入災情現場,并使用低空無人機設備快速獲取災情圖片或視頻數據并進行信息傳輸,應急測繪系統可以快速導入由地理信息應急監測系統和地面移動量測系統實時回傳災情信息,將獲取的多媒體監測信息在系統中快速更新和定點展示,同時進行災情發生區域航飛數據快速拼接制圖,獲取災情現場最新影像數據并導入系統,通過卷簾工具或混合疊加等方式進行歷史與現狀影像數據快速瀏覽,快速鎖定并提取災情范圍,根據目視解譯結果進行關鍵信息錄入,從而為應急測繪決策工作提供最新參考資料,便于快速制定下一步救援方案。

2.3 二三維場景可視化

ArcGIS Engine是用于構建定制GIS系統的組件庫,其二維模塊對空間數據有強大的分析和管理能力,ArcGlobe是基于全球視野下的三維可視化場景展示平臺,廣泛應用于涉及地形地貌等自然地理要素的各種工程規劃和設計中應用衛星遙感數據數字高程模型,疊加形成的三維場景可逼真地顯示出地形地貌景觀[6-7]。ArcGIS Engine10對其三維模塊GlobeControl進行大規模的提升,已成為三維建設的首選平臺[8-11]。

系統主要采用ArcEngine10.1組件中的MapControl+GlobeControl交互式實現災害區域二三維聯動,通過聯動基本實現數據聯動,場景聯動和數據編輯聯動。通過二三維場景切換實現數據聯動,避免配置多份數據導致的數據冗余,通過放大縮小,平移,快速定位等操作實現場景同步顯示一體化,通過災前災后影像比對快速鎖定災情發生區域,為災情分析提供參考數據。通過二維統計分析和三維分析計算實現數據編輯一體化。二維場景演示主要實現基礎地理信息數據庫中的自然地理要素和社會經濟要素綜合展示,以及隱患點數據的空間分析查詢功能。三維場景演示包括DEM(數字高層模型)疊加遙感影像展示三維地形和文本點云數據展示。DEM疊加影像展示三維地形通過加載隱患區域的多源、多時相多尺度遙感影像和數字高程模型,構建虛擬三維地理場景,實現災害隱患區域海量基礎地理數據多比例尺快速瀏覽,支撐災害隱患點周邊自然地形、地貌的瀏覽和災情信息的可視化，如圖4所示。

圖4 二三維場景同步顯示

2.4 應急測繪資源查詢管理

管理災害隱患區域測繪資源信息庫,實現應急狀況下不同類型測繪資源的管理,包括兩方面內容:測繪資源分布查詢和資源調度最短路徑查詢。

2.4.1 測繪資源分布查詢

測繪資源主要包括應急物資和人力資源,災情發生時需要查詢不同地理空間下災害隱患點周邊區縣可用測繪資源分布狀況,包括分級建立緩沖區查詢、按照救災資源類型查詢等,從而快速評估區域對各類自然地質災害的應急相應能力,為測繪資源的建立、分布、管理提供參考資料。

2.4.2 測繪資源調度管理

關聯災害隱患區域基礎地理信息庫中不同級別交通路網數據,進行資源調度最短路徑分析,根據道路等級及路徑成本確定救災資源和災害發生點之間的最短路徑方案,應急指揮中心根據最佳方案合理安排救災物資及人員調度,為應急指揮工作提供輔助決策支持。

2.5 完整應急決策方案制定

當災情發生時,應急測繪指揮系統按照應急物資調度、災情瀏覽、災情提取、災情分析、災情輸出的標準流程制定完整應急決策方案,包括應急監測設備調度方案、災情專題信息快速制圖、災情分析結果圖表輸出。完整的應急決策方案能夠短時間內縮小災情發生位置范圍,快速判斷災情種類等級等詳細信息,幫助應急指揮中心迅速部署和實施災情救援計劃。

2.5.1 應急監測設備調度方案

當災情發生時,為了保證應急監測設備能第一時間進入災情現場,應急指揮中心需要快速制定應急監測設備行車方案。系統根據前方獲取的疑似災情地理位置進行快速定位,獲取最近應急監測設備位置信息和區域周邊相關圖層信息。結合區域不同級別路網數據,提供多條詳細行車方案,包括道路等級、道路名稱、行駛長度、行車成本等內容。

2.5.2 災情信息快速制圖

應急測繪系統可以快速導入由前方應急監測設備實時回傳的災情現場影像,同時結合無人機曝光點文件進行災情發生區域航飛數據快速拼接制圖,利用二維場景中成熟的制圖功能和強大的符號庫,按照制圖技術流程及模式,添加各種數據及符號,制作災情專題圖。

2.5.3 災情分析圖表輸出

系統將在災情瀏覽過程中提取的災情范圍,疊合區域內不同用地類型矢量圖層進行疊置分析,實現對基本農田破壞情況、房屋倒塌數、受災人口、經濟破壞估算等直接災情影響、可能導致的不同等級次生災情影響等詳細災情評估統計,并將統計結果圖表、報表等資料按照模板生成圖文并茂的災情分析報告(Word文檔),為應急物資使用分配、下一步救援工作重點方向等提供參考資料。

3 系統開發與實現

系統利用ArcGIS Engine10.1二三維開發組件,基于組件式框架設計,采用Visual Studio.NET集成開發環境下的C#開發語言實現。實現隱患點數據網格化管理,選擇任意級別行政單位可以快速定位及查看其對應網格單元內隱患點空間及屬性數據,并進行二三維場景切換,日常隱患點數據管理如圖5所示。

圖5 隱患點數據管理

系統按照資源配置、應急設備進場路線查找、災情瀏覽、災情范圍提取、災情分析、完整應急方案輸出的流程提供災中決策支持服務。災情發生時,系統快速配置應急物資圖層,查找災情現場周邊可用應急設備及其進入現場行車路線,配置結果如圖6所示。應急設備進場后,系統實時獲取并定點播放災害現場多媒體監測信息,同時支持區域無人機航飛數據快速拼接、處理、導入,搭建當前災情真實場景,航飛數據拼接效果如圖7所示。通過災前災后數據分屏聯動、混合疊加等方式,直觀顯示災前災后地形地貌等變化,通過數據聯動、場景聯動和數據編輯聯動鎖定并提取變化區域,并進行關鍵信息錄入,為下一步災情分析提供基礎數據,提取災情范圍結果，如圖8所示。根據災情提取結果,結合不同類型用地數據及土方量變化等信息進行災情分析,形成詳細分析報告,分析結果如圖9所示,報告列出災害對自然地理因素及社會經濟因素的破壞程度,同時提供地圖操作、完整救援方案打印輸出等基本功能,為應急決策提供初步的處理方案,輔助災害救援與整治工作。

圖6 最短路徑查詢

圖7 航片快速拼接顯示

圖8 災情范圍提取

圖9 災情分析

4 結束語

本文根據目前應急系統中數據更新延后、缺少完整救援方案等問題,設計并實現一種二三維聯動應急測繪指揮系統,支持海量災害隱患點數據入庫管理、更新、導入導出及查詢統計;當災情發生時,通過分屏聯動、二三維聯動、卷簾工具、混合疊加等方式實現災情范圍快速提取、應急測繪資源查詢調度、災情范圍準確提取及快速分析,并根據分析結果制定完整救援方案,為災前隱患信息管理及災中救援、災后重建工作提供幫助。

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