三维GIS平台的地面沉降地质灾害信息系统研究

焦道振，谢荣安，杨贤伟

(广东省地质测绘院，广东 广州 510800)

三维GIS平台的地面沉降地质灾害信息系统研究

焦道振，谢荣安，杨贤伟

(广东省地质测绘院，广东 广州 510800)

依托三维仿真技术和地理信息系统，全面整合了地面沉降监测资料和相关信息，建立了地面沉降地质灾害监测信息管理系统，实现了地面沉降调查监测海量信息的数据库管理，为政府部门制定地质灾害防治措施和保证重点大型工程项目的建设提供了技术支持。

三维GIS；地面沉降；地质灾害

一、引 言

珠江三角洲地区覆盖面积约11 681 km2，是我国经济最发达的地区之一。改革开放以来，随着该区域经济的快速增长、人口的迅猛增加、城市化水平的日益提高，人类经济、工程活动、大量开采地下水等所引发的地质环境问题对人类生存和社会经济可持续发展的影响也越来越突出，尤其是作为地质环境问题之一的地面沉降问题，已直接给区域经济社会发展带来了严重的危害和阻碍。为了保障珠江三角洲地区国民经济建设的地质环境安全，保障广大人民群众的生命财产安全，保持珠江三角洲地区的经济可持续发展，避免因地面沉降带来的更多灾害，迫切需要建立采集、管理与分析系统，从而准确把握地面沉降动态，为政府制定防治措施和保证重点大型工程项目的建设提供决策性保障和技术支持。

三维GIS技术的诞生使得城市管理的技术手段变得越来越丰富[1]，三维GIS平台在陆地三维场景构建和可视化技术方面比较成熟[2]。地理信息技术的发展为建设地面沉降地质灾害信息系统提供了支撑。为了达到该项目标，需要以地面沉降监测资料为依托，建立地面沉降地质灾害监测信息管理系统，实现地面沉降调查监测海量信息的数据库管理，对沉降监测点及其相关资料进行查询、统计分析、沉降预测、信息发布功能等。通过全面收集本项目涉及的地质资料，笔者进行了地面沉降现状调查、监测网络建设、首期系统的地面沉降监测，利用获得的地面沉降监测数据及地质资料数据，建立了地面沉降监测信息管理系统。

二、系统总体架构

本系统需要建立不同数据之间的联系，集成不同的软件平台，因此，在系统总体结构建设上采用多层分布式架构，通过统一的数据管理，将不同的应用模块集成在同一个框架下，建设完成后的系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体架构图

标准与规范体系和安全保障体系纵向贯穿框架体系的各个层次。框架体系分别有运行支撑层、数据层、服务层、应用层。

1.运行支撑层

运行支撑层是系统和数据的载体，依托现有的基础设施软硬件环境建设，包括网络系统、网络监控设备、服务器系统、存储备份系统等环境，以及专用计算机机房环境等。

2.数据层

数据层包含遥感数据、三维数据、采集数据、运维数据、其他数据5大类专题业务数据和运维的管理类数据，采用一个分布式的、开放的数据库系统进行数据的存储[3]。

3.服务层

服务层是平台建设的核心内容。服务层将数据层的各种数据发布成服务，以提供给应用层调用、显示，并执行各种操作。

4.应用层

应用层是基于数据和服务建立起来的多个应用系统的集合。

三、系统功能模块设计

本系统主要功能模块包括信息采集子系统、信息管理子系统、决策分析子系统和后台维护子系统等。

1.信息采集子系统

该系统定期自动读取沉降监测设备的动态信息；同时把实时监测信息定期发回数据中心；数据中心对接收的监测信息进行监理、分类、入库等操作；对于异常数据通知系统重点关注；可以自定义采集的时间和采集点。

主要功能包括采集计划、数据下载、数据读取、数据监理、数据入库等。

2.信息管理子系统

该系统维护和管理沉降监测的各种设备和其相应的属性信息维护。

主要功能包括监测站管理、监测信息维护、查询浏览、图层管理等。

3.决策分析子系统

该系统形象直观地管理监测设备和浏览监测信息，并且能对动态的监测信息进行数据分析、三维空间分析、监测报表统计、成果输出、监测专题图管理等辅助决策分析。

主要功能包括监测设备浏览、信息查询、三维漫游、三维空间分析、三维控制、地面沉降监测数据分析、专题图管理、沉降预测、报表统计，成果输出等。

4.后台维护子系统

该系统主要的功能是保证系统正常运行和信息安全可靠，包括用户管理、权限分配管理、性能分析、日志监控、监控、数据备份、恢复等。

主要功能包括用户管理、状态检测、数据备份、数据恢复和属性维护等。

四、关键技术

1.面向服务架构的SOA技术

本系统采用SOA技术，将面向地面沉降地质灾害监测管理的不同应用与服务统一封装起来，并将其通过不同的表现形式表现出来(包括C/S、Web表现)，通过统一的登录门户进行管理。SOA技术的敏捷性和灵活性有巨大的好处，标准化的服务通过协同工作，使分散的服务能够快速、轻松地连接起来。

面向服务的架构SOA技术是一种架构方法，可以创建互操作的、松耦合的业务服务体系，这些服务能够方便地在地面沉降信息管理系统内部和外部共享。面向服务体系SOA技术结构有如下特征：模块化和包含、松散耦合、互操作性、接口的明确定义、位置透明的可组合性。

2.采用可扩展标识语言(XML)和Web Service技术

本系统采用可扩展标识语言(extensible markup language，XML)和Web Service技术，国际标准化组织(ISO)所制订的通用语言标识标准(standard generalized markup language，SGML)的一个精简集。它是用于定义其他标识语言的一种元语言，用于描述信息的各种标识都可以由设计者自行建立，以强化特定专业数据的结构和关联。Web服务是使应用程序可以采用与平台无关和与编程语言无关的方式进行相互通信的一项技术，它使用基于XML语言的协议来描述要执行的操作或要与另一个Web服务交换的数据。系统对外提供服务、系统数据的发布与共享可采用Web Service技术，实现数据的共享和异构系统的整合。

另外，AJAX技术可大幅降低页面刷新次数，提高数据访问效率，优化用户使用体验，如在地面沉降系统的数据库交互、数据传输中大量采用XML语言来描述信息，并作为数据交换的基本格式。由于XML具有数据来源的多样性和多种应用的灵活性、柔韧性和适应性，以及内容与形式的分离性，它具有开放的标准，有助于实现数据的标准化、结构化[4]。

3.海量数据快速发布技术

本系统的数据类型多样，特别是各种监测数据、基础地质资料数据均为海量数据，且有许多为栅格数据，需采用先进的海量数据快速发布技术进行数据组织和优化。

数据的索引组织模型分为矢量数据和栅格数据。矢量采用多尺度及多级网格化分块复合索引，建立多个尺度的行政区划索引，到一定比例尺显示定量的数据，按年度、区域、比例尺对数据进行尺度合理划分，目的是减少每个独立表的数据量。栅格数据也采用按年、区域的金字塔组织模型，建立数据仓库时建立多维数据集，进行OLAP多维分析，利用多维数据集进行监测业务报表展现和地质三维监测隐患点的数据挖掘等。

数据检索使用网格索引、要素索引和属性多级等；建立起全系统的多级元数据库(矢量、栅格数据)服务器，将栅格的瓦片数据和矢量数据分别集中到多个高性能服务器进行存储。栅格的索引元数据和矢量元数据在树形节点存储结构下的嵌入式数据库文件中，实现栅格和矢量分布式存储的功能。数据调度使用多级cache、多线程、多任务范围快速调度。

4.空间信息服务技术

目前多数三维地理信息系统的应用还局限于数据库型层面上，GIS的优势在于数据的空间分析和海量的空间数据存储管理。数据型GIS一般都实现了简单的空间分析功能，如查询统计、叠加分析等。本系统采用空间信息服务技术，在信息采集子系统、信息管理子系统、决策分析子系统通过此技术对地质三维数据进行空间分析、预测预报地面沉降地质灾害、决策支持等方面的应用要求。目前建立完善的空间数据分析理论和方法体系，集成先进的空间数据分析工具，增强GIS的空间分析能力，使数据型GIS上升为分析型GIS，是GIS技术与应用的发展目标和趋势[6]。

五、结束语

珠江三角洲及周边地区地面沉降地质灾害监测信息管理系统是一个针对地面沉降地质灾害综合管理服务专业信息管理平台，是以地面沉降监测资料为依托，实现了地面沉降调查监测海量信息的数据库管理，可对地面沉降监测点及其相关资料进行查询、统计分析、空间分析、地面沉降灾害预测、信息发布功能等的综合管理分析系统。该系统可为珠江三角洲及其周边地区地面沉降地质灾害的管理及研究提供现代化的技术管理方法；为提高地面沉降地质灾害防治的各部门应急反应能力奠定基础；为政府部门控制或防治地面沉降地质灾害、合理开发和利用地下资源、科学地进行区域经济规划与建设提供规划和决策依据；向全社会提供地面沉降监测的信息服务，为国家减轻地面沉降灾害损失提供技术支撑；为实现资源与环境协调、经济与社会的可持续发展提供可靠的依据。

[1] 唐桢，张新长，曹凯滨.基于Skyline的三维技术在城市规划中的应用研究[J].测绘通报，2010(5)：10-12.

[2] 徐胜华，刘纪平，王想红，等.基于三维GIS的海洋标量场数据动态可视化[J].测绘通报，2013(10)：50-53.

[3] 田党生.西安地质灾害管理信息系统研究现状与实现[N].国土资源信息化，2010-02-20(04).

[4] 孙晓生，苗前军，丁明柱.基于Web Service的空间信息服务技术探讨[J].测绘科学，2004，29(B12)：120-122.

[5] 罗俊彪，陈颖彪，郭冠华，等.基于GIS技术的影像数据库建立与设计方法研究——以增城市为例[J].广州大学学报：自然科学版，2011，10(5)：76-82.

[6] 刘湘南，黄方，王平.GIS空间分析原理与方法[M].北京：科学出版社，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，安徽砀山人，助理工程师，主要从事数据建库及基础地理信息系统应用开发的工作。

焦道振，谢荣安，杨贤伟.三维GIS平台的地面沉降地质灾害信息系统研究[J].测绘通报，2014(11)：120-122.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0379