地質(zhì)災(zāi)害隱患三維一張圖構(gòu)建方法

劉 立，陳宏宇，劉 娟，董先敏，王德富

(1.自然資源部第三地理信息制圖院，成都 610100；2.自然資源部數(shù)字制圖與國(guó)土信息應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610100)

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害隱患具有點(diǎn)多、面廣的特點(diǎn)，目前已發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)近30萬(wàn)處[1]，但統(tǒng)計(jì)表明，近年來(lái)我國(guó)發(fā)生的重大地質(zhì)災(zāi)害事件有約80%都不在已查明的隱患點(diǎn)范圍內(nèi)[2]，由此推斷，我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)可能會(huì)超過(guò)100萬(wàn)處，因此，盡可能全面識(shí)別和發(fā)現(xiàn)災(zāi)害隱患并提前主動(dòng)管控，成為當(dāng)前我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)最為重要的工作內(nèi)容。目前的地質(zhì)災(zāi)害隱患管理方法仍然是以電子表格或常規(guī)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為主，表達(dá)方法以印刷地圖或二維電子地圖為主。傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害隱患管理和表達(dá)方法，從管理的角度來(lái)看單一的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)難以應(yīng)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享發(fā)布的需要；從應(yīng)用的角度來(lái)看，弱空間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)組織方式，難應(yīng)對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)服務(wù)需要；從展示的角度來(lái)看，缺乏對(duì)多時(shí)序、多維度表達(dá)方法的支持，難應(yīng)對(duì)研判分析和仿真模擬的需要，因此，研究實(shí)景三維場(chǎng)景下地質(zhì)災(zāi)害隱患一張圖管理方法勢(shì)在必行。“8·8”九寨溝地震的震中區(qū)位于九寨溝景區(qū)內(nèi)部，具有震級(jí)高、波及范圍廣的特點(diǎn)，地震對(duì)該區(qū)域自然生態(tài)及地質(zhì)環(huán)境造成了重大影響，并引發(fā)大量次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅災(zāi)區(qū)群眾生產(chǎn)生活及九寨溝景區(qū)生態(tài)環(huán)境安全，嚴(yán)重制約災(zāi)后恢復(fù)重建工作順利實(shí)施[3]。為了提高重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害隱患早期發(fā)現(xiàn)能力，解決地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、綜合治理等重建任務(wù)急需第一手災(zāi)后基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的問(wèn)題，進(jìn)行了地震災(zāi)區(qū)遙感測(cè)繪調(diào)查工作。為了解決數(shù)據(jù)成果互融難、共享難、深入應(yīng)用難等問(wèn)題，研發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害隱患一張圖三維管理平臺(tái)，為地質(zhì)災(zāi)害隱患管理、風(fēng)險(xiǎn)分析、動(dòng)態(tài)管控及相關(guān)災(zāi)后重建工作提供及時(shí)、可靠、高效的測(cè)繪地理信息保障服務(wù)[4]。

1 研究思路

地質(zhì)災(zāi)害隱患的三維管理涉及的技術(shù)種類(lèi)繁多、數(shù)據(jù)來(lái)源豐富、表達(dá)效果復(fù)雜、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，因此難點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)資源整合、表達(dá)效果設(shè)計(jì)和平臺(tái)功能設(shè)計(jì)上。文中以九寨溝地震災(zāi)區(qū)地理信息數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害隱患資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別階段，結(jié)合星載合成孔徑雷達(dá)(InSAR)技術(shù)對(duì)隱患區(qū)進(jìn)行大面積篩查，為重點(diǎn)區(qū)域詳查圈定出“靶區(qū)”，采用機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域獲取巖體節(jié)理和裂隙真實(shí)形態(tài)，同時(shí)整合地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)業(yè)調(diào)查相關(guān)資料，幫助技術(shù)人員更好識(shí)別新的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)；在地質(zhì)災(zāi)害隱患治理階段，使用機(jī)載傾斜攝影技術(shù)對(duì)地震災(zāi)區(qū)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)景三維模型獲取，為三維一張圖應(yīng)用做數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)治理情況使用全景影像技術(shù)進(jìn)行周期性跟蹤監(jiān)測(cè)，為災(zāi)后治理效果評(píng)價(jià)做數(shù)據(jù)儲(chǔ)備；在地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測(cè)階段，還需要接入專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以及防災(zāi)減災(zāi)預(yù)案等數(shù)據(jù)。通過(guò)研究地質(zhì)災(zāi)害隱患三維場(chǎng)景下多源數(shù)據(jù)表達(dá)、空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)資源發(fā)布、場(chǎng)景按需組裝、快速分發(fā)部署等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患一張圖三維管理平臺(tái)建設(shè)方法(見(jiàn)圖1)。一張圖平臺(tái)整體分為4層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)層作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，包含傾斜攝影數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、全景標(biāo)記數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料等內(nèi)容；平臺(tái)支撐層主要為系統(tǒng)服務(wù)發(fā)布提供保障和支撐，包含全景發(fā)布工具、傾斜影像發(fā)布工具、全景影像解譯生產(chǎn)工具等內(nèi)容；服務(wù)層作為系統(tǒng)的服務(wù)調(diào)用資源，為系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)及正常運(yùn)行提供保障，包含傾斜影像服務(wù)、全景綜合服務(wù)、用戶(hù)認(rèn)證服務(wù)、隱患信息服務(wù)、空間分析服務(wù)等內(nèi)容；應(yīng)用層是直接面向用戶(hù)提供的軟件功能，主要包括地質(zhì)災(zāi)害隱患空間分布及空間查詢(xún)、臨災(zāi)避險(xiǎn)模擬、地層結(jié)構(gòu)模擬、專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)信息接入等功能。

圖1 三維一張圖框架

2 數(shù)據(jù)整合

為了提高三維場(chǎng)景表達(dá)效果，便于一張圖的管理和應(yīng)用，三維一張圖統(tǒng)一采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，投影方式采用高斯—克呂格3°分帶。SAR影像配準(zhǔn)精度達(dá)到亞像元，D-InSAR形變監(jiān)測(cè)精度達(dá)到cm級(jí)，SBAS-InSAR和PS-InSAR形變監(jiān)測(cè)精度達(dá)到mm級(jí)；LiDAR點(diǎn)云密度≥50點(diǎn)/m2；航空影像分辨率優(yōu)于0.2 m；傾斜影像分辨率優(yōu)于0.1 m；數(shù)字表面模型格網(wǎng)間距0.5 m；全景影像長(zhǎng)時(shí)序采集平面誤差<10 m。

2.1 星載InSAR處理技術(shù)

InSAR地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別技術(shù)主要基于數(shù)據(jù)解算獲得的干涉數(shù)據(jù)與形變速率圖,根據(jù)干涉數(shù)據(jù)與形變速率圖可以準(zhǔn)確識(shí)別災(zāi)害隱患點(diǎn)的位置、形變范圍以及形變量，從而發(fā)現(xiàn)和圈定高位地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)或疑似靶區(qū)[5]。與傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查相比，InSAR技術(shù)具有覆蓋廣、速度快等特點(diǎn)，對(duì)高位遠(yuǎn)程、高隱蔽性隱患排查具有較明顯優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)調(diào)查形成互補(bǔ)。文中主要采用D-InSAR，SBAS-InSAR，PS-InSAR技術(shù)方法對(duì)作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)的ALOS-2，Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星的時(shí)序SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得地表形變結(jié)果。在地質(zhì)災(zāi)害蠕動(dòng)孕育階段，采用時(shí)序(PS-InSAR或SBAS-InSAR)監(jiān)測(cè)方法，得到平均形變速率及累積形變量；在形變變化稍大時(shí)，采用常規(guī)差分(D-InSAR)監(jiān)測(cè)方法；而在地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)爆發(fā)階段，此時(shí)地表發(fā)生劇烈較大形變(位移量達(dá)到或超過(guò)m級(jí))，采用偏移量追蹤(Offset-SAR)監(jiān)測(cè)方法，獲得災(zāi)害發(fā)生時(shí)間內(nèi)相對(duì)形變量。使用監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)地表形變結(jié)果進(jìn)行基準(zhǔn)修正和精度驗(yàn)證，結(jié)合地質(zhì)、氣象等專(zhuān)業(yè)資料，綜合分析地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，開(kāi)展了不低于20%的野外查證工作，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)宏觀區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害形變觀測(cè)和篩查。InSAR處理成果大部分以柵格為主，經(jīng)過(guò)分級(jí)設(shè)色表達(dá)后，以WMTS，WFS方式發(fā)布并接入地質(zhì)災(zāi)害隱患三維一張圖管理平臺(tái)，其主要處理流程如圖2(a)所示，表達(dá)效果如圖2(b)所示。可以直觀看出圖2(b)紅色區(qū)域InSAR反應(yīng)強(qiáng)烈，通過(guò)形變趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)地表累積形變量較大，表明該區(qū)域存在較大地質(zhì)災(zāi)害安全隱患。

圖2 InSAR數(shù)據(jù)處理流程及表達(dá)效果

2.2 機(jī)載Lidar獲取技術(shù)

機(jī)載LiDAR技術(shù)是基于高時(shí)空分辨率的新型測(cè)繪技術(shù)，能夠獲得高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有外業(yè)工作量小、精度高、內(nèi)業(yè)處理速度快的特點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以對(duì)地形地貌進(jìn)行重塑，再結(jié)合地災(zāi)隱患的發(fā)育特征，判斷地災(zāi)隱患區(qū)域的范圍[6]。文中采用機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀獲取了任務(wù)區(qū)內(nèi)點(diǎn)云密度50～150點(diǎn)/m2的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和地面分辨率為0.2 m的航空影像，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、濾波、計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)和人工精細(xì)化分類(lèi)等工作，制作了0.5 m格網(wǎng)間距的數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)成果，同時(shí)基于航空影像制作了0.2 m分辨率的數(shù)字正射影像(DOM)[7]。LiDAR處理成果為柵格類(lèi)型，以山體陰影(Hillshade)的方式進(jìn)行三維表達(dá)，采用3DTiles，WMTS方式發(fā)布并接入地質(zhì)災(zāi)害隱患三維一張圖管理平臺(tái)，其主要處理流程如圖3(a)所示，表達(dá)效果如圖3(b)所示。可以看出紅色虛線范圍內(nèi)滑坡平面形態(tài)整體呈不規(guī)則形狀，滑坡邊界清晰，表面凹凸不平，局部存在塌陷，紋理特征粗糙。

圖3 LiDAR數(shù)據(jù)處理流程及表達(dá)效果

2.3 傾斜實(shí)景三維單體化建模技術(shù)

在九寨溝景區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)受威脅人數(shù)眾多的重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)連片區(qū)域，利用固定翼無(wú)人機(jī)獲取分辨率0.1 m的傾斜影像，在重點(diǎn)受威脅的居民點(diǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施(如房屋建筑、主干道兩邊的護(hù)欄、未被植被完全遮擋的棧道護(hù)欄、廣場(chǎng)、雕塑、景區(qū)大門(mén)等)，利用旋翼無(wú)人機(jī)獲取分辨率0.04 m的傾斜影像。影像獲取后，采用均勻布點(diǎn)方式，基于傾斜影像進(jìn)行野外像片控制測(cè)量，利用兩種不同分辨率的傾斜影像、像片控制測(cè)量成果，進(jìn)行融合空中三角測(cè)量，提取特征點(diǎn)云，通過(guò)點(diǎn)云密集匹配、點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)和紋理自動(dòng)映射，構(gòu)建精細(xì)的傾斜實(shí)景三維模型，并對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行必要的修飾[8]。最后，利用傾斜航空影像空中三角測(cè)量成果和修飾后的實(shí)景三維模型進(jìn)行模型單體化，在立體環(huán)境下以“3D測(cè)圖”的方式或參照實(shí)景三維Mesh模型進(jìn)行半自動(dòng)化單體模型制作[9]，其主要處理流程如圖4(a)所示，表達(dá)效果如圖4(b)所示。可以看出該處滑坡對(duì)周邊居民點(diǎn)、景區(qū)景觀、交通干線造成較大的安全隱患。

圖4 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理流程及表達(dá)效果

2.4 全景影像地圖技術(shù)

針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)域內(nèi)的重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、重大地質(zhì)災(zāi)害治理工程、人口密集場(chǎng)所、重要基礎(chǔ)設(shè)施，采用輕小型多旋翼無(wú)人機(jī)搭載云臺(tái)相機(jī)，在距離目標(biāo)點(diǎn)60～120 m的低空進(jìn)行定點(diǎn)懸停，并獲取目標(biāo)區(qū)域全景照片，然后經(jīng)過(guò)拼接合成、圖像精修等處理，形成全景影像，最后經(jīng)過(guò)信息標(biāo)注、符號(hào)定義等處理，對(duì)全景影像中豐富的圖載信息進(jìn)行提取和表達(dá)，形成全景影像地圖，其主要處理流程如圖5(a)所示。

全景影像服務(wù)為柵格數(shù)據(jù)服務(wù)，為了將全景數(shù)據(jù)進(jìn)行深入應(yīng)用，文中將全景影像中的圖載信息矢量化為點(diǎn)、線、面等矢量要素，并對(duì)關(guān)鍵要素進(jìn)行重點(diǎn)注釋說(shuō)明，同時(shí)對(duì)影像中提取的所有信息進(jìn)行綜合主觀分析得出解譯結(jié)論。地災(zāi)信息標(biāo)注是在具有虛擬空間透視關(guān)系的全景影像圖上，對(duì)各個(gè)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)可視內(nèi)容進(jìn)行主觀判斷分析，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)勘察報(bào)告等專(zhuān)業(yè)資料對(duì)其勾畫(huà)邊界、錄入注記、要素分類(lèi)、并文字注釋該幾何區(qū)域要表達(dá)的內(nèi)容的過(guò)程，其中，要素分類(lèi)按可視化樣式可分為“危險(xiǎn)區(qū)”“危巖區(qū)”“危巖帶”“堆積體”等幾大類(lèi)，文字注釋主要說(shuō)明該幾何區(qū)域所包含的危險(xiǎn)情況等信息。全景影像地圖需要在六面體場(chǎng)景中呈現(xiàn)以獲得視覺(jué)上的立體感，其表達(dá)效果如圖5(b)所示，黃色的虛線范圍表示這是一種崩塌類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害，可以明顯看出經(jīng)過(guò)災(zāi)害恢復(fù)重建，該處隱患點(diǎn)已經(jīng)得到了較好的治理。

圖5 全景影像數(shù)據(jù)處理流程及表達(dá)效果

圖6 空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎結(jié)構(gòu)

3 服務(wù)發(fā)布

3.1 空間數(shù)據(jù)服務(wù)

文中空間數(shù)據(jù)需要既能實(shí)現(xiàn)完整矢量數(shù)據(jù)的前端渲染，又能適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的高速傳輸多種類(lèi)型的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比和甄選，采用了前端動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化和矢量壓縮傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了以PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)、PostGIS空間擴(kuò)展、PostgREST接口發(fā)布、IndexDB前端緩存的綜合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，該套存儲(chǔ)方案可以快速將空間數(shù)據(jù)入庫(kù)，還可以直接向系統(tǒng)應(yīng)用層提供穩(wěn)定、高效的空間查詢(xún)服務(wù)[10]。

PostGIS是PostgreSQL的空間擴(kuò)展模塊，它增強(qiáng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)管理能力，提供空間對(duì)象、空間索引、空間操作函數(shù)等空間信息服務(wù)功能，PostgreSQL的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制，即將地理空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化屬性數(shù)據(jù)以關(guān)系表的形式存儲(chǔ)到空間數(shù)據(jù)表的普通列中，再將PostgreSQL的擴(kuò)展模塊PostGIS支持的Geometry對(duì)象列加入到空間數(shù)據(jù)表中作為其中一列，最后將地理空間數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)構(gòu)造成Geometry對(duì)象作為該列的值，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)。

3.2 全景影像服務(wù)

經(jīng)過(guò)合成的全景影像數(shù)據(jù)量略微龐大，不利于軟件系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，采用全景影像服務(wù)發(fā)布工具將全景影像按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切換多細(xì)節(jié)層次(Level Of Details，LOD)緩存處理，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)(Internet Information Services，IIS)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)布成全景影像服務(wù)[11]，見(jiàn)圖7。

圖7 全景影像服務(wù)發(fā)布流程

3.3 實(shí)景三維服務(wù)

傾斜攝影數(shù)據(jù)成果一般是OSGB(Open Scene Gragh Binary)格式，本系統(tǒng)在傾斜攝影數(shù)據(jù)可視化方面主要采用3DTiles技術(shù)，3DTiles是Cesium推出的Web環(huán)境下海量三維模型數(shù)據(jù)規(guī)范，它是一種格式公開(kāi)的數(shù)據(jù)集，3DTiles數(shù)據(jù)集以分塊、分級(jí)渲染，將大數(shù)據(jù)量三維數(shù)據(jù)以分塊、分層的形式組織起來(lái)，可以大量減輕瀏覽器和GPU的負(fù)擔(dān)。為了便于數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，將傾斜模型物理單體化為獨(dú)立個(gè)體，按地理實(shí)體進(jìn)行分類(lèi)，并將屬性存儲(chǔ)到BatchTable中，最終使各地理實(shí)體和屬性信息相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各地理實(shí)體的有效管理，實(shí)現(xiàn)各地理實(shí)體查詢(xún)、顯示、分析等常用操作,見(jiàn)圖8。

圖8 實(shí)景三維服務(wù)發(fā)布流程

4 平臺(tái)研發(fā)

4.1 工藝流程

地質(zhì)災(zāi)害隱患一張圖三維管理平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用TypeScript,開(kāi)發(fā)工具采用Visual Studio Code，地圖服務(wù)采用開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如WMS、WMTS、3D-Tiles等格式，三維可視化組件基于Cesium開(kāi)源框架進(jìn)行深度定制開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用PostgreSQL，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用PostGIS擴(kuò)展空間數(shù)據(jù)引擎，數(shù)據(jù)服務(wù)采用PostgREST技術(shù)通過(guò)RESTful API接口對(duì)外提供，軟件平臺(tái)和部分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)IIS進(jìn)行發(fā)布(見(jiàn)圖9)。

圖9 三維一張圖管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程

4.2 平臺(tái)功能

平臺(tái)在災(zāi)區(qū)重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)傾斜實(shí)景三維模型和全景影像地圖建設(shè)基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果信息，建設(shè)具有查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析和三維管理功能的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)三維管理系統(tǒng)，主要包括功能模塊：三維場(chǎng)景瀏覽模塊、三維數(shù)據(jù)加載模塊、三維查詢(xún)搜索模塊、三維量測(cè)分析模塊、監(jiān)測(cè)傳感器接入模塊、地層結(jié)構(gòu)可視化模塊、臨災(zāi)避險(xiǎn)模擬模塊、全景影像標(biāo)注模塊、全景地圖瀏覽模塊(見(jiàn)圖10)。

圖10 地質(zhì)災(zāi)害隱患一張圖建設(shè)成果

1)三維場(chǎng)景瀏覽模塊。以數(shù)字地球?yàn)檩d體，支持用戶(hù)在真實(shí)三維空間里進(jìn)行縮放、平移等操作，并提供全圖顯示、二三維模式切換、比例尺、指北針、鼠標(biāo)坐標(biāo)信息等輔助工具。

2)三維數(shù)據(jù)加載模塊。以數(shù)據(jù)類(lèi)型為驅(qū)動(dòng)引擎，在三維空間中實(shí)時(shí)渲染地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)分布數(shù)據(jù)、全景監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害工程治理點(diǎn)數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。

3)三維查詢(xún)檢索模塊。在三維空間中以關(guān)鍵字檢索地質(zhì)災(zāi)害隱患名稱(chēng)，并可以快速縮放至目標(biāo)點(diǎn)位置；支持按照地質(zhì)災(zāi)害隱患類(lèi)型進(jìn)行圖面分類(lèi)渲染，圖面對(duì)象點(diǎn)擊可以查詢(xún)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)詳細(xì)信息。

4)三維量測(cè)分析模塊。在平面模式下支持線段距離量算，矩形、多邊形等幾何形狀的面積量算；在三維模式下支持貼地線段距離量算，貼地面、貼地矩形等表面積量算，土石方量體積估算；支持地形坡度、地形坡向、地形剖面、可視域分析、日照分析等高級(jí)分析工具。

5)監(jiān)測(cè)傳感器接入模塊。按照《四川地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)交換技術(shù)》文件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了接口實(shí)現(xiàn)，支持對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器進(jìn)行接入，并在實(shí)景三維場(chǎng)景中進(jìn)行動(dòng)態(tài)表達(dá)和分析。

6)地層結(jié)構(gòu)可視化。根據(jù)地質(zhì)圖、地質(zhì)鉆孔等專(zhuān)業(yè)資料，在平臺(tái)中對(duì)九寨溝地區(qū)的地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行形象直觀融合。

7)臨災(zāi)避險(xiǎn)模擬模塊。按照地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域臨災(zāi)避險(xiǎn)預(yù)案，在已知災(zāi)害點(diǎn)、障礙點(diǎn)和臨災(zāi)避險(xiǎn)場(chǎng)所的情況下，采用路徑分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了臨災(zāi)避險(xiǎn)路線動(dòng)態(tài)計(jì)算和三維場(chǎng)景下逃生動(dòng)畫(huà)模擬。

8)全景影像標(biāo)注模塊。支持根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)業(yè)調(diào)查資料通過(guò)全景影像對(duì)圖面進(jìn)行圖載信息提取，支持通過(guò)“幾何+屬性”的模式在全景影像上進(jìn)行標(biāo)注；支持對(duì)當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)治理情況添加形象進(jìn)度說(shuō)明。

9)全景地圖瀏覽模塊。支持按照要素分類(lèi)表達(dá)樣式對(duì)全景解譯要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行渲染，可以直觀瀏覽查看全景監(jiān)測(cè)點(diǎn)專(zhuān)業(yè)解譯情況，支持用戶(hù)通過(guò)關(guān)鍵字檢索目標(biāo)全景，支持注記和要素的顯示與關(guān)閉，支持多期全景的多屏對(duì)比分析。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)

1)三維一張圖場(chǎng)景按需組裝技術(shù)。地形級(jí)實(shí)景三維主要用于現(xiàn)實(shí)世界三維可視化與空間量算，服務(wù)區(qū)域宏觀規(guī)劃；城市級(jí)實(shí)景三維主要用于現(xiàn)實(shí)世界精細(xì)化表達(dá)與空間統(tǒng)計(jì)分析，服務(wù)精細(xì)化管理[12]。文中以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、按需服務(wù)”為理念，研究以數(shù)據(jù)資源類(lèi)型為驅(qū)動(dòng)方式的城市級(jí)實(shí)景三維地理場(chǎng)景按需組裝表達(dá)方法，構(gòu)建了“能派生、能定制”的驅(qū)動(dòng)協(xié)議、表達(dá)方法和服務(wù)體系，針對(duì)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的自然地理實(shí)體，按照服務(wù)接入方式的不同，制定專(zhuān)用類(lèi)型驅(qū)動(dòng)策略，基于數(shù)據(jù)目錄實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景按需組裝，滿(mǎn)足個(gè)性化、多品種、小批量、快速反應(yīng)及平臺(tái)化協(xié)作的需求，做到常規(guī)地理信息的隨時(shí)獲取、隨時(shí)處理、隨時(shí)共享、隨時(shí)應(yīng)用[13](見(jiàn)圖11)。

圖11 場(chǎng)景按需組裝技術(shù)示意

2)三維一張圖快速部署技術(shù)。地質(zhì)災(zāi)害隱患三維一張圖管理平臺(tái)整體采用B/S架構(gòu)，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行[14]。考慮到平臺(tái)所涉及的傾斜三維模型和全景影像數(shù)據(jù)服務(wù)數(shù)據(jù)量龐大，為了便于遷移和部署，兼顧不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(互聯(lián)網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)、內(nèi)部網(wǎng))下的應(yīng)用，系統(tǒng)所有成果均采用Hyper-V虛擬機(jī)技術(shù)進(jìn)行部署，即：將所有資源存儲(chǔ)在虛擬磁盤(pán)(Virtual Hard Disk，VHD)或VHDX虛擬硬盤(pán)的操作系統(tǒng)中，在需要部署時(shí)只需要拷貝VHD或VHDX虛擬磁盤(pán)至目標(biāo)服務(wù)器，掛接虛擬機(jī)，配置網(wǎng)絡(luò)，即可完成快速部署[15](見(jiàn)圖12)。

圖12 平臺(tái)快速部署方式示意

3)三維一張圖快速分發(fā)技術(shù)。地質(zhì)災(zāi)害隱患三維一張圖管理平臺(tái)完成部署后，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈接進(jìn)行訪問(wèn)和使用，為了避免瀏覽器環(huán)境帶來(lái)的用戶(hù)體驗(yàn)差異，文中采用Electron技術(shù)將系統(tǒng)核心功能打包為EXE可執(zhí)行程序(包含瀏覽器運(yùn)行環(huán)境)進(jìn)行分發(fā)(見(jiàn)圖13)。

圖13 平臺(tái)快速分發(fā)技術(shù)示意

5 結(jié)束語(yǔ)

“8·8”九寨溝地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為點(diǎn)多、面廣，規(guī)模相對(duì)較小，災(zāi)害更加隱蔽。傳統(tǒng)人工排查方式僅能發(fā)現(xiàn)局部地表災(zāi)情，而本次地震造成的地質(zhì)災(zāi)害及隱患卻更多位于地形陡峭、巖體破碎帶區(qū)域，該部分災(zāi)害隱蔽性強(qiáng)、隨機(jī)性大，傳統(tǒng)排查技術(shù)手段難以奏效，調(diào)查人員難以到達(dá)，為此，探索運(yùn)用新技術(shù)、新方法十分必要。文中同時(shí)將多項(xiàng)遙感新技術(shù)應(yīng)用于大型景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治中，在我國(guó)內(nèi)尚屬首次。通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害“三查”[14]工作，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了極為重要的三維空間數(shù)據(jù)，可以滿(mǎn)足地質(zhì)災(zāi)害防治、應(yīng)急管理等對(duì)精準(zhǔn)、直觀地顯示三維立體全方位地理信息服務(wù)的需要。地質(zhì)災(zāi)害隱患三維一張圖場(chǎng)景可以為該區(qū)域的災(zāi)害調(diào)查、分析、評(píng)價(jià)等工作提供直觀的、信息豐富的環(huán)境分析。通過(guò)文中的研究，構(gòu)建了地質(zhì)災(zāi)害隱患一張圖三維管理平臺(tái)，為九寨溝災(zāi)后重建提供災(zāi)區(qū)地災(zāi)重點(diǎn)防治區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境三維場(chǎng)景支持,滿(mǎn)足了地質(zhì)災(zāi)害三維管理與分析工作需要，同時(shí)也為存在地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的其他景區(qū)、受地質(zhì)災(zāi)害威脅的人口聚居區(qū)或有地質(zhì)災(zāi)害防治需求的區(qū)域，提供了一套防治和應(yīng)急管理方案。