二三维联动应急测绘指挥系统实现

范娟利

(中测新图(北京)遥感技术有限责任公司,北京 100039)

0 引 言

我国地域辽阔,地质条件和地理条件十分复杂,自然灾害分布广泛,种类繁多,各种自然灾害如塌方、地震、泥石流、不稳定斜坡等等时有发生。据民政部门相关统计文件,近15年来,我国平均每年因各类自然灾害造成约3亿人(次)受灾,倒塌房屋约300万间,紧急转移安置人口约800万人,直接经济损失近2 000亿元[1]。由于频发的自然灾害破坏,我国每年因为灾害而产生的直接经济损失逐年增加,已成为严重制约我国经济发展和公共安全的重要因素之一[2]。为了有效降低自然灾害损失,急需建立应急测绘指挥系统,而系统的建立对于灾害的预警及其之后的救援和重建工作有着积极的意义。

地理信息系统(GIS)以它成熟的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的空间查询、统计、输出功能,特别适合于建立应急测绘指挥系统。近年来,二维地理信息系统数据模型与数据结构理论和技术不断完善和成熟,基于二维GIS的应急测绘指挥系统能够实现日常灾情数据的高效管理、分析,灾情发生时灾情范围快速锁定及实现灾情信息提取、分析评估、成果导出,为应急测绘指挥工作提供有力辅助决策。但二维系统在可视化表达方面存在不足,不能准确表达多源灾情信息,灾情模拟展示效果不佳,因而不能完全满足应急测绘指挥系统应用需求,人们越来越多地要求结合3维空间来观察和处理相关问题[3]。国内诸多学者针对二、三维GIS在灾害应急指挥方面的应用进行了大量研究。其中钟海东等提出基于三维GIS与视频监控的绿化和市容应急指挥系统,利用Skyline三维平台实现市容环卫应急事件的可视化调度指挥[4]。王其富,秦瑶等提出基于Web和GIS的灾害预警信息管理系统,结合WebGIS技术实现灾情发布[5]。

当前的应急指挥系统大多注重灾情数据空间管理及灾情模拟演示,缺乏实时灾情信息获取以及完整救援方案制定。本文利用ArcGIS Engine技术,设计一种二三维联动应急指挥系统,重点研究实时灾情信息提取、灾情分析处理和快速救援方案制定,为应急指挥工作提供辅助决策支持。

1 系统总体设计

1.1 设计思想

系统面向测绘应急指挥,针对滑坡、泥石流及崩塌等地质灾害隐患点数据管理、展示、分析评估展开多角度研究,包括不同地理空间粒度级别下的的灾害隐患点信息管理、模拟真实场景展示、灾情分析处理以及应急救援方案制定。系统根据灾害隐患点信息分布规律及灾害突发性等特点,配置两条管理主线。

第一条主线为日常隐患信息管理。研究已有灾害隐患点信息高效管理方式及隐患点数据导入、导出、添加、编辑、更新等基本数据操作;

第二条主线为应急隐患信息监测管理。该主线包含系统的核心功能,充分体现系统的应急辅助决策能力。在灾情发生时配合地理信息应急监测设备,接收灾害发生现场实时影像和视频数据,将数据进行快速处理,搭建灾情现场真实场景,通过历史与现状影像混合叠加、卷帘显示、二三维分屏联动等方式进行灾情信息快速浏览、灾情范围快速提取分析、应急测绘指挥方案制定等一体化服务,形成专题地图和图表分析报告等初步处理方案资料,及时上报应急指挥中心办公室,为应急响应工作决策提供及时、准确的第一手资料,辅助灾害救援与整治工作。系统整体技术路线如图1所示。

1.2 总体架构

系统采用三层结构体系,包括数据层、中间层和系统分析应用层。逻辑结构如图2所示。

图1 系统技术路线图

图2 系统总体结构图

数据层:以地理信息数据库为基础,集成灾害隐患区基础地理信息数据、灾害点数据、测绘资源数据,建立具有数据管理、存储等功能一体化的地理空间数据库。

中间层:提供一系列中间层功能组件,支撑应用层的专题应用。用户可以根据不同的需求选择中间层进入具体的应用。

应用层:实现数据管理,灾害数据的查询统计展示管理,灾情信息的分析处理、灾情信息的二三维联动展示等专题功能。

1.3 数据组织与管理

系统数据库采用ArcSDE结合SQL Server2008结构,构建多源、多尺度、多时相的7×24小时不间断运行的灾害隐患区域空间信息数据库。各类自然地理和社会经济治理要素图层通过ArcSDE存储在空间数据库中,包括灾害隐患区域基础地理信息数据库、灾害隐患点地理信息数据库和测绘资源信息数据库。

1.3.1 数据库框架

系统数据库总体框架如图3所示。

图3 数据库总体框架

灾害隐患区域基础地理信息数据库包括区域数字正射影像(DOM),数字高程模型(DEM),数字线划图(DLG),地名,行政境界,居民地,交通路网等地理空间信息框架数据,在统一的地理空间体系下建库管理,作为灾害数据管理、灾情分析处理和展示的地理空间框架数据。

灾害隐患区域隐患点信息数据库主要存储灾害隐患点数据专题图层,支持灾害隐患点数据添加、导入、导出及更新,支撑不同行政级别下隐患点数据管理、分析、展示与应急响应,区域管理最小粒度为乡镇级别。

测绘资源信息数据库存储应急设备,救灾人员,应急物资等信息。灾情发生时系统能够快速查找应急设备进场路线并进行人力、物资调度,为初级应急方案制定提供基础数据。

1.3.2 专题图层管理

灾情信息专题图层用于存储灾情范围及灾情影响等级等属性信息。当灾害发生时,根据前方应急监测装备实时回传的影像数据快速锁定灾情辐射范围,通过二三维分屏联动等多种方式进行灾情范围提取及属性信息录入,将实际灾情信息传送到应急指挥中心,为下一步救灾方案制定提供有力依据,因而灾害信息专题图层属性表设计是系统数据库表设计中的关键问题。为了保证灾情信息提取的完整性和准确性,灾情信息专题图层中应包括灾害点位置(包括直角坐标和经纬度坐标两种类型)、灾害类型、灾害等级、受灾人口,破坏房屋树等关键信息,专题图层属性表结构如表1所示。其中灾害类型、灾情位置等基本信息由人工目视解译确定并进行属性信息录入,灾害等级由受灾情况统计结果决定,灾情等级数值分布情况表按照国家自然灾害等级划分进行设置,基本属性表结构如表2所示。

表1 灾情信息图层属性表

表2 灾情等级属性表

2 关键技术研究

2.1 日常隐患点数据管理

由于隐患点数据大都分布广泛,种类繁多,为了提高隐患点数据日常管理效率,本文提出一种网格化管理思路,设计自定义行政区划管理面板,实现对同一地理空间下省、市、县到乡镇等不同行政级别网格单元所包含的灾害隐患点数据管理。选择任意行政单位可快速查询其对应网格单元内所有隐患点信息,查询结果按照灾害类型进行树状机构组织。选择任意树节点或在地图中选择任意隐患点可以查询其详细属性信息,包括上次发灾时间,受灾人口数,倒塌房屋数等关键信息,同时支持快速定位其对应二三维场景或进行二三维场景双向联动,在二三维场景中分别进行灾情影响分析计算,既能体现二维系统的数据管理分析能力,又增加三维系统的真实性。

2.2 实时灾情信息快速提取

由于灾情发生时对区域内地形地貌破坏较大,应尽快提取灾情范围并进行关键信息录入。系统根据灾害突发性和破坏性大等特点,首先进行灾情浏览,然后配合人工目视解译判断灾前灾后变化区域,最后进行灾情信息提取。灾情发生后,根据前方提供信息系统结合历史灾情发生情况快速锁定灾情发生区域,利用区域最新路网等数据确定应急监测车最佳行车路线,保证地理信息应急监测系统短时间内可以进入灾情现场,并使用低空无人机设备快速获取灾情图片或视频数据并进行信息传输,应急测绘系统可以快速导入由地理信息应急监测系统和地面移动量测系统实时回传灾情信息,将获取的多媒体监测信息在系统中快速更新和定点展示,同时进行灾情发生区域航飞数据快速拼接制图,获取灾情现场最新影像数据并导入系统,通过卷帘工具或混合叠加等方式进行历史与现状影像数据快速浏览,快速锁定并提取灾情范围,根据目视解译结果进行关键信息录入,从而为应急测绘决策工作提供最新参考资料,便于快速制定下一步救援方案。

2.3 二三维场景可视化

ArcGIS Engine是用于构建定制GIS系统的组件库,其二维模块对空间数据有强大的分析和管理能力,ArcGlobe是基于全球视野下的三维可视化场景展示平台,广泛应用于涉及地形地貌等自然地理要素的各种工程规划和设计中应用卫星遥感数据数字高程模型,叠加形成的三维场景可逼真地显示出地形地貌景观[6-7]。ArcGIS Engine10对其三维模块GlobeControl进行大规模的提升,已成为三维建设的首选平台[8-11]。

系统主要采用ArcEngine10.1组件中的MapControl+GlobeControl交互式实现灾害区域二三维联动,通过联动基本实现数据联动,场景联动和数据编辑联动。通过二三维场景切换实现数据联动,避免配置多份数据导致的数据冗余,通过放大缩小,平移,快速定位等操作实现场景同步显示一体化,通过灾前灾后影像比对快速锁定灾情发生区域,为灾情分析提供参考数据。通过二维统计分析和三维分析计算实现数据编辑一体化。二维场景演示主要实现基础地理信息数据库中的自然地理要素和社会经济要素综合展示,以及隐患点数据的空间分析查询功能。三维场景演示包括DEM(数字高层模型)叠加遥感影像展示三维地形和文本点云数据展示。DEM叠加影像展示三维地形通过加载隐患区域的多源、多时相多尺度遥感影像和数字高程模型,构建虚拟三维地理场景,实现灾害隐患区域海量基础地理数据多比例尺快速浏览,支撑灾害隐患点周边自然地形、地貌的浏览和灾情信息的可视化，如图4所示。

图4 二三维场景同步显示

2.4 应急测绘资源查询管理

管理灾害隐患区域测绘资源信息库,实现应急状况下不同类型测绘资源的管理,包括两方面内容:测绘资源分布查询和资源调度最短路径查询。

2.4.1 测绘资源分布查询

测绘资源主要包括应急物资和人力资源,灾情发生时需要查询不同地理空间下灾害隐患点周边区县可用测绘资源分布状况,包括分级建立缓冲区查询、按照救灾资源类型查询等,从而快速评估区域对各类自然地质灾害的应急相应能力,为测绘资源的建立、分布、管理提供参考资料。

2.4.2 测绘资源调度管理

关联灾害隐患区域基础地理信息库中不同级别交通路网数据,进行资源调度最短路径分析,根据道路等级及路径成本确定救灾资源和灾害发生点之间的最短路径方案,应急指挥中心根据最佳方案合理安排救灾物资及人员调度,为应急指挥工作提供辅助决策支持。

2.5 完整应急决策方案制定

当灾情发生时,应急测绘指挥系统按照应急物资调度、灾情浏览、灾情提取、灾情分析、灾情输出的标准流程制定完整应急决策方案,包括应急监测设备调度方案、灾情专题信息快速制图、灾情分析结果图表输出。完整的应急决策方案能够短时间内缩小灾情发生位置范围,快速判断灾情种类等级等详细信息,帮助应急指挥中心迅速部署和实施灾情救援计划。

2.5.1 应急监测设备调度方案

当灾情发生时,为了保证应急监测设备能第一时间进入灾情现场,应急指挥中心需要快速制定应急监测设备行车方案。系统根据前方获取的疑似灾情地理位置进行快速定位,获取最近应急监测设备位置信息和区域周边相关图层信息。结合区域不同级别路网数据,提供多条详细行车方案,包括道路等级、道路名称、行驶长度、行车成本等内容。

2.5.2 灾情信息快速制图

应急测绘系统可以快速导入由前方应急监测设备实时回传的灾情现场影像,同时结合无人机曝光点文件进行灾情发生区域航飞数据快速拼接制图,利用二维场景中成熟的制图功能和强大的符号库,按照制图技术流程及模式,添加各种数据及符号,制作灾情专题图。

2.5.3 灾情分析图表输出

系统将在灾情浏览过程中提取的灾情范围,叠合区域内不同用地类型矢量图层进行叠置分析,实现对基本农田破坏情况、房屋倒塌数、受灾人口、经济破坏估算等直接灾情影响、可能导致的不同等级次生灾情影响等详细灾情评估统计,并将统计结果图表、报表等资料按照模板生成图文并茂的灾情分析报告(Word文档),为应急物资使用分配、下一步救援工作重点方向等提供参考资料。

3 系统开发与实现

系统利用ArcGIS Engine10.1二三维开发组件,基于组件式框架设计,采用Visual Studio.NET集成开发环境下的C#开发语言实现。实现隐患点数据网格化管理,选择任意级别行政单位可以快速定位及查看其对应网格单元内隐患点空间及属性数据,并进行二三维场景切换,日常隐患点数据管理如图5所示。

图5 隐患点数据管理

系统按照资源配置、应急设备进场路线查找、灾情浏览、灾情范围提取、灾情分析、完整应急方案输出的流程提供灾中决策支持服务。灾情发生时,系统快速配置应急物资图层,查找灾情现场周边可用应急设备及其进入现场行车路线,配置结果如图6所示。应急设备进场后,系统实时获取并定点播放灾害现场多媒体监测信息,同时支持区域无人机航飞数据快速拼接、处理、导入,搭建当前灾情真实场景,航飞数据拼接效果如图7所示。通过灾前灾后数据分屏联动、混合叠加等方式,直观显示灾前灾后地形地貌等变化,通过数据联动、场景联动和数据编辑联动锁定并提取变化区域,并进行关键信息录入,为下一步灾情分析提供基础数据,提取灾情范围结果，如图8所示。根据灾情提取结果,结合不同类型用地数据及土方量变化等信息进行灾情分析,形成详细分析报告,分析结果如图9所示,报告列出灾害对自然地理因素及社会经济因素的破坏程度,同时提供地图操作、完整救援方案打印输出等基本功能,为应急决策提供初步的处理方案,辅助灾害救援与整治工作。

图6 最短路径查询

图7 航片快速拼接显示

图8 灾情范围提取

图9 灾情分析

4 结束语

本文根据目前应急系统中数据更新延后、缺少完整救援方案等问题,设计并实现一种二三维联动应急测绘指挥系统,支持海量灾害隐患点数据入库管理、更新、导入导出及查询统计;当灾情发生时,通过分屏联动、二三维联动、卷帘工具、混合叠加等方式实现灾情范围快速提取、应急测绘资源查询调度、灾情范围准确提取及快速分析,并根据分析结果制定完整救援方案,为灾前隐患信息管理及灾中救援、灾后重建工作提供帮助。

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