基于3D GIS 的地质灾害监测预警平台的设计与实现

吴 倩 ，孙铭聪 ，陈国辉 ，陈 继 ，马晓平 ，刘敦龙

（1.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225）

我国地质灾害种类多、分布广、灾情严重，是世界上地质灾害最严重的国家之一，威胁着人民生命财产安全[1]。据统计，除地震外的各类地质灾害平均每年造成1000 多人死亡、经济财产损失上100 亿元，地质灾害防灾减灾工作显得尤为迫切[2]。

随着遥感卫星、无人机与地理信息等技术被用于地质灾害调查和监测，地质灾害数据呈现出多源性、多时相性、异构性、多尺度、多分辨率等特点，地质灾害数据日益呈现出海量发展趋势[3]。传统地质灾害信息管理系统由于没有统一的数据集成框架及直观的数据展示，已无法满足灾害信息管理的迫切需求[4]。REST（表述性状态传递，Representational State Transfer）是一种轻量级的软件架构风格，已普遍地取代了基于SOAP 和WSDL 的接口设计，具有很好的应用前景。

本文的三维地质灾害监测预警平台采用C/S 开发模式，结合REST 服务，可对地质灾害监测数据实施有效的组织管理与集成、实时预警运算与发布、三维可视化展示。同时，本平台具有性能可靠、开放易扩展等优势，对丰富地质灾害信息管理系统的功能，提高工作效率和数据共享等方面具有很大借鉴意义。

1 三维GIS 平台的设计

1.1 三维GIS 平台基础架构

基础平台提供了三维GIS 的基础运行环境，包括地球椭球体模型构建，三维场景浏览控制，矢量数据、地形数据与影像数据可视化展示，图形数据缓存及投影转换等基础功能，并通过业务功能模块的扩展使平台在地质灾害监测方面的应用更具专业性。

为充分利用本地运算能力以呈现更好的三维展示效果，平台采用了桌面客户端形式以C#语言进行开发，以.NET Framework 4.0 为开发框架，结合了分布式数据库架构和第三方控件DevExpress。DevExpress 控件具有功能丰富、应用简便、界面华丽、方便定制等优点。

基础平台的GIS 功能模块利用ArcGIS Engine 开发组件，用户界面采用DevExpress 提供的系列控件，三维呈现采用ArcGISGlobe 三维数字地球引擎构建基础地球结构；业务逻辑部分根据监测预警平台需求，包括了图层管理、球体漫游、空间测量、空间标绘、数据可视化、REST请求处理等功能模块；用户界面结合业务逻辑模块构成了三维GIS 平台。

1.2 三维GIS 平台应用模型

基础三维GIS 平台主要由三维模型、可视视图、事件监听和图层数据四大模块构成。三维模型由球体模型，基础图层和拼接控制构成；在三维模型基础上建立可视视图，视图通过显示器展示，并根据用户操作通过场景控制反馈到可视视图；事件监听可以对所有事件进行监听并执行相应程序，图层数据可通过本地缓存文件或者通过基于HTTP 的Web 服务访问地图服务器获取。

2 监测与预警的设计

2.1 数据监测设计

地质灾害监测是通过采用多种观测设备对地质灾害的发育、发展过程进行不间断的长期观测，并基于一定量的监测数据，通过分析、处理与计算等，判断地质灾害的稳定状况及其发展趋势。其目的是为了获悉并掌握地质灾害的发展规律，及时捕捉到地质灾害发生的前兆信息，提升科技防灾减灾水平。监测的内容主要为可反映地质灾害稳定状况的相关信息，如雨量、地声、次声、地表位移、土壤含水量、地表裂缝、视频、泥水位、撞线等。

2.2 数据管理设计

平台的数据管理主要包括监测设备管理、报警阈值管理、警情数据管理和用户管理四大模块。具体如下：

（1）监测设备管理包含测点管理和设备管理两个模块，测点管理是对监测点位/区域的相关信息进行管理以及测点位置可视化展示；设备管理是对监测仪器的相关信息进行管理。测点与设备具有一对多的关系，即一个测点可以包含多个监测设备。

（2）报警阈值管理模块是设置不同监测点位/区域上的不同监测设备在不同预警等级的报警阈值。若监测数据超过相关预设阈值，则发出相应等级的报警信息，可通过发送短信以及在系统的三维球体上的相应位置闪烁相应颜色的预警图标。由于在不同监测区域，诱发地质灾害的阈值条件存在差异，需要针对监测区域的特性，单独设置不同监测区域内的不同监测设备的报警阈值。

（3）警情数据管理是对已报警的数据记录进行处理，有延迟预警和已查看两种方式。延迟预警是指在规定时间内，若警情没有升级，则不再发出报警信息；若警情升级，则仍要发出报警信息；超出规定时间后，若监测数据超过预设阈值，则发出报警信息。已查看是指对本次预警情况已知晓，若后续的监测数据超过了预警阈值，仍要发出相应的报警信息。

（4）用户管理模块是对用户信息进行管理，用户类型分为普通用户、管理员和超级管理员三种权限，普通用户只能进行浏览查看；管理员用户可以对测点、监测仪器、报警阈值和警情进行管理，但无法对用户信息进行操作；超级管理员则具有超级权限，允许进行系统的所有操作。

2.3 预警模型设计

根据地质灾害监测对象不同，可以分为单体地质灾

R 值为综合预警等级指数，Wi为第i 个评价指标权重，Pi表示第i 个评价指标的单因素分级指数。

3 监测预警平台的集成

3.1 地理信息集成

平台所需的地理数据主要包括底图切片、DEM 高程数据、DOM 数据、监测设备图标以及空间矢量数据。目前，主流的GIS 服务器软件大都具备REST 服务能力，如商业软件ArcGIS、SuperMap 等，开源软件GeoServer 等，它们的RESTAPI 封装了开发所需的GIS 功能，包括地图、数据等，可将这些GIS 功能以资源形式提供，平台客户端通过编写REST 接口程序对资源进行操作，获取相应的GIS 能力。地理信息服务集成主要分成了客户端表现层、地理信息服务层和地理数据层三大部分。

3.2 监测数据集成

在服务端，业务逻辑层为监测数据的操作提供相应的URI 和允许的HTTP 操作。客户端通过URI 和HTTP方法来请求数据服务，用以操作相应的监测数据。REST服务的主要操作内容包括数据的查询（GET），新增（POST），更新（PUT）和删除（Delete），对应的数据库操作即为 Select，Create，Update，Delete。以监测设备操作为例，若要获取监测设备列表则执行GET ＜URI＞/devices，业务逻辑层解析URI 后通过Select 方法在数据库的devices表中检索设备列表，并返回给客户端；通过客户端新增设备时，则通过 POST＜URI＞/devices/{id}请求，并附上该描述该设备所需的字段说明，服务程序采用Insert 方法将新设备数据插入devices 表中；同理，在修改和删除设备时采用PUT 和DELETE 请求，利用设备id 参数，通过害监测预警与区域地质灾害监测预警两大类。在实际应用中，通常中长期预测以区域监测为主，短临预警则以单体监测预警为主。本平台建设主要考虑通过实时监测数据进行单体的短临预警，利用专业监测设备进行地质灾害点的实时观测，通过建立综合指标体系的演算分析构建地质灾害预警的数学模型，利用该预警模型实现对监测对象的实时监测预警。

实际应用中，一个监测对象往往会利用多种监测设备同时进行观测，这种情况下，当针对不同监测内容采用不同的定量值进行预警时，会得到多个不同的预警结果。因此，本平台采用了多判据条件下的综合预警模式进行预警，通过不同指标权重来建立评价模型，以得到更为准确的预警结果。

综合预警等级分析将各监测点的预警等级进行量化，并根据权重进行综合预警等级指数的计算，最终得出综合预警等级。综合预警等级指数的计算方式为：Update 和Delete 方法操作数据库。

客户端获取到返回的JSON 数据后，对数据进行解析判定，并根据数据类型与经纬度信息将其叠加到三维GIS 平台上，通过程序的图层控制实现相关监测数据与三维GIS 平台的融合展示。

图1 三维地质灾害监测预警平台界面

3.3 预警模型服务集成

预警模型的调用在系统中通过主动和定时触发两种方式调用，预警模型的运算结果将存入数据库中。定时方式由后台定时任务触发执行（定时间隔由管理员设定）。主动调用方式是指用户在客户端主动发起请求，对指定的地质灾害监测区域进行一次预警运算。如，POST 请求：＜URI＞/warning/monitoring/{area_id}，其中，area_id 为监测区域的唯一标识。服务端的预警模型在接收请求后通过area_id 查询数据库中该区域部署的传感器监测数据，在综合运算完成后，预警模型将分析结果写入数据库表中。

4 监测预警平台的实现

平台以.Net Core 和数据库技术为基础，结合了三维GIS 引擎，利用REST 风格的Web 服务集成了地理信息、监测数据及预警模型服务，实现矢量数据、栅格数据、专题数据等各类GIS 数据的加载、监测数据接入展示及模型预警展示功能。由于采用REST 风格服务，系统具有较强的灵活性与兼容性，可同时接入多种业务服务。本平台可接入地形数据与影像数据服务、矢量数据图层，专题数据图层以及图标元素数据等，可呈现出三维立体的视觉感受（图 1）。

5 结束语

本文基于REST 服务架构，结合三维GIS 平台、分布式数据库和DevExpress 第三方控件开发了三维地质灾害监测预警平台，丰富了地质灾害信息管理系统的功能、提高了系统的工作效率以及实现了数据共享。该监测预警平台使得地理信息、监测数据、预警模型运算等多类服务的集成接入得到简化，并通过GIS 平台能够将监测数据和预警结果实时以三维视角直观呈现，带来一种新的地质灾害监测预警平台开发方法，通过在监测预警项目中的实际应用，也验证了本设计的可靠性与实用性。