基于開源軟件的地質災害防治系統設計與實現

湯二仁

（重慶比特數圖科技有限公司 重慶市 400000）

地質災害是可以造成人類生命財產損失的一種環境破壞現象或過程，多由地質活動或人為活動引起。我國是世界上人口最多的國家，疆域遼闊，地形、地貌和地質條件多樣且復雜，加之氣候多變，所以存在地質災害類型多、分布廣、頻度高、損失巨大等特點，嚴重威脅人民的生命財產和生產生活安全[1]。因此，我國的地質災害防治工作形勢嚴峻、任務繁重，為減少地質災害造成的損失，每年都開展了大量地質災害調查評價、監測預警和綜合防治工作。

隨著大數據、云計算、人工智能等科學技術的不斷發展，地質災害防治已經逐步由信息化向智能化方向發展。通過收集整合現有的三維地理空間數據、地質資料數據、地質災害基礎數據、監測預警數據和氣象預報數據以及其他行業數據，以地質災害隱患點為中心，科學地進行多元數據融合處理，選擇開源的PostgreSQL和ElasticSearch數據庫軟件進行數據存儲與管理，建立地質災害防治綜合數據庫。同時，借助移動互聯網和Web互聯網技術，基于三維WebGIS引擎Cesium實現地質災害防治信息系統，利用其強大的三維空間可視化和分析能力，實現地質災害調查評價數據的采集管理、監測預警傳感器數據采集與分析、地質災害綜合智能化分析與決策，輔助地質災害防治工作開展。

1 地災防治系統設計

1.1 系統總體架構

系統采用經典“數據層-業務層-表現層”三層體系的技術架構搭建[2]，實現PC端、移動端等多場景的技術應用，各層之間具有相對獨立性。數據層主要負責地質災害綜合數據的存儲與訪問；邏輯層主要負責具體業務邏輯表達與實現，為表示層提供可復用的API服務；表示層位于三層構架的最上層，與用戶直接接觸，是系統的功能界面[3]。地質災害防治工作人員在電腦或者手機上，通過瀏覽器即可訪問系統來使用各項功能。

1.2 數據庫設計

以地質災害隱患點為中心，把隱患點的統一編號作為唯一標識碼，對調查評價數據、監測預警傳感器數據、四重網格人員數據、災險情數據以及多媒體數據進行統一關聯存儲。同時，隱患點具有經緯度坐標信息，可以過對隱患點進行空間化處理，進而實現地質災害數據與空間地理數據的整合。

融合治理之后的數據涵蓋地理空間數據、調查評價數據、災險情數據、監測預警數據和各類分析數據，通過數據融合治理，能夠打通業務系統、專題數據庫之間的聯系，消除各個數據庫與系統的邊界，建立緊密的數據邏輯關系，實現對地質災害防治數據的全生命周期管理。

1.3 功能設計

地質災害防治工作涉及地質災害調查評價、智能化監測預警預報、智能分析決策，為了覆蓋地質災害防治工作中各個環節，本系統設計了數據管理、監測預警、智能分析三個板塊。系統功能如圖1所示。

圖1：系統功能圖

1.3.1 數據管理板塊

數據管理模塊包括隱患點調查、隱患點管理、災險情上報、災險情管理、數據統計五個功能模塊，主要實現對地質災害詳細調查、應急調查等調查工作的任務管理，以及對調查采集隱患點的采集、入庫、更新、銷號全流程管理；實現對災險情從上報、審核、入庫、更新的全流程管理；實現對隱患點和災險情的多維度統計分析和報表導出。

系統提供移動客戶端訪問界面，在野外的調查人員可以使用手機或平板電腦，連接4G網絡進行數據采集和災險情上報工作，實現現場人員對隱患點和災險情數據的及時掌控。

1.3.2 監測預警板塊

監測預警板塊主要包括監測設備管理、監測數據采集、預警模型設置、預警識別和預警處置五個功能模塊，主要負責隱患點上安裝的裂縫儀、墻裂縫儀、傾角儀、GNSS設備、含水率儀和報警器等類型傳感器設備的接入、配置、數據采集和預警分析管理。

系統可以結合每個隱患點自身的地質構造和設備類型，為每個隱患點設置不同的預警模型，后臺實時監聽設備上傳的監測數據，通過與預警模型進行比對分析，自動識別是否產生預警，并及時通知各層級相關人員。工作人員收到預警消息通知后，需要立即對隱患點變形情況進行排查，有條件的情況下要及時趕赴隱患點現場進行核查，使用手機在現場進行預警處置填報和照片、視頻上傳。

表1：數據庫與存儲內容

1.3.3 智能分析板塊

智能分析板塊主要包括空間分析、隱患點分析、災險情分析、地質模型分析和氣象分析五個功能模塊。三維GIS中的空間分析不再局限于二維的地表平面，利用三維WebGIS的空間分析能力可以開展三維角度的坡度坡向測量、體積測量、地形挖填方、淹沒分析等。

隱患點和災險情具有災害體邊界、威脅范圍和變形方向幾個空間特征要素，通過疊加三維地形和地表構筑物要素，進行地形分析和緩存區分析，分析隱患點對河流、交通道路、居民點和其他重點區域的影響情況。同時結合隱患點三維地質模型數據，疊加地表高清影像形成地上地下一體化的三維地質體，利用剖切和鉆孔等功能分析隱患點的地質情況，為地災防治決策提供科學依據。

降雨是誘發地質災害的重要因素，對實時降雨情況的分析是地質災害防治預警的重要手段。系統通過對實況降雨采用IDW插值[4]方式進行實況分析，對達到暴雨以上的區域進行智能分析，識別區域內的隱患點和災險情，并自動通知相關網格人員加強巡查。

2 系統的實現

2.1 數據庫選擇與數據存儲

PostgreSQL是一個開源的跨平臺的關系型數據庫管理系統，通過Post GIS插件使PostgreSQL數據庫具有空間數據存儲和查詢的功能[5]，使用PostgreSQL來存儲普通的地質災害結構化的數據和地理空間數據。

Elastic Search是一款基于Lucene庫的分布式、RESTful的開源搜索引擎，通過Geo Hash可以擴展Elastic Search對空間大數據的檢索和查詢能力[6]，使用Elastic Search數據庫進行海量數據存儲。數據庫與存儲內容如表1所示。

2.2 系統開發

系統的開發環境為Windows 10，開發工具均為開源免費產品。后端系統使用java語言開發，前端使用JavaScript語言開發。前后端開發環境如表2所示。

表2：前后端開發環境

主要開發框架說明：

Cesium 是一款開源的JavaScript地圖框架，基于跨平臺的WebGL的實現，用于創建具有最佳性能、精度、視覺質量和易用性的世界級3D地圖，可以為地質災害業務提供一個高效、穩定的三維GIS虛擬環境。

SpringBoot后端可以簡化新應用的搭建和開發過程，通過指定的方式來配置SpringBoot項目，能夠減輕開發人員的搭建工作，其可以直接將項目打包成jar包，進一步簡化了項目的發布和部署。可以通過配置Maven工具來管理大量的項目擴展包，解決項目資源管理難的問題[7]。

2.3 系統測試與部署使用

由于前端開發具有先天跨平臺的特性，所以系統可以運行在PC和移動端的各個操作系統。程序測試環境為多平臺，可以支持windows、Linux、IOS、Android等操作系統。系統測試完成之后就可以部署到正式環境服務器，提供一線工作人員使用。

3 結束語

本文基于開源的PostgreSQL和Elastic Search數據庫、三維WebGIS引擎Cesium開發了地質災害防治信息系統，實現地質災害數據管理、地質災害監測預警和地質災害智能分析功能。

通過建設地質災害防治信息系統，完善地質災害防治工作中的數據的采集與管理，強化地質災害智能化監測與突發預警機制，結合智能分析結果的直觀可視化表達能力，為地質災害防治提供輔助決策，助力地質災害防災減災治災工作的開展，進一步提升地災防治工作信息化、智能化水平。