基于C/S與B/S混合架構的精細化滑坡監測預警系統設計與實現

鄧越　徐永進　唐云輝等

摘要

針對現有精細化滑坡監測預警系統所存在的問題以及滑坡災害監測預警工作的特點，提出以精細化滑坡監測預警預報模型為核心，GIS和Internet技術為主要技術，采用C/S和B/S混合架構，設計實現了新的精細化滑坡監測預警信息系統。該系統實現了滑坡災害信息管理、分析、決策、發布的一體化，提高了滑坡災害監測預警工作的效率，改善了相關工作的技術方法，同時還可為相關管理部門制訂防災減災決策提供更加詳實的科學依據。

關鍵詞 C/S；B/S；GIS；滑坡；監測預警

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06862-04

滑坡作用過程屬于一種自然地質現象，但其造成的后果卻是一種社會和經濟現象，具有災害性[1]。滑坡災害是自然環境的一部分，是僅次于地震災害和洪水災害的一種嚴重自然災害[2-3]，不僅會給人類生命帶來威脅，而且會對財產、環境、資源等也造成損失破壞。我國是一個滑坡災害頻發的國家，引起這些災害發生的原因很多，內在原因包括巖土類型、水文地質、坡體結構等，外在誘發因素包括地震、降雨、融雪以及人工擾動等[4]。在這些誘發因素中，降雨因素是最為主要的因素之一，大量滑坡災害也都與降雨有著密切關系[5-6]，開展基于降雨預測的滑坡監測預警無疑是減少災害損失的重要手段。

目前，滑坡監測預警系統多采用傳統手段，其結果分發、展示多為文字性信息通過行政文件傳達方式進行預報發布，在時效性、空間直觀性、受眾范圍、災害點位置準確性上還需要進一步完善和改變。計算機網絡信息技術的發展、GIS和空間遙感技術的普及以及降雨預報模型技術的進步，使得綜合這些技術進行精細化滑坡監測預警管理系統成為可能，筆者將就此展開相關論述。

1 精細化滑坡監測預警

GIS、遙感等技術的快速發展和普及及降雨預測預報技術的發展進步，使得降雨型滑坡災害的精細化監測預警得以實現。實現精細化滑坡監測預警至少應有兩大重要支撐：滑坡風險區劃空間精細化和有效降水量空間分布精細化。

滑坡風險區劃空間精細化是實現滑坡災害精細化監測預警的一大支撐。每個滑坡災害點的地質結構、面積、體積、穩定程度等不同，由降水引發滑坡的幾率與危險程度也各不相同，因此需要根據研究區域滑坡災害風險區劃圖，利用GIS技術，結合每個區縣高分辨率的DEM（地面高程數字模型）、坡度圖、坡向圖、遙感影像數據、地質災害發生時間、地質情況、土壤類型、植被覆蓋情況、強降水事件等數據資料，采用相關評估技術模型，得出區域內的滑坡風險等級區劃圖。該區劃圖應該為分辨率不超過100 m的高精度滑坡災害風險等級區劃成果。

有效降水量空間分布精細化是實現精細化滑坡監測預警的另一支持。降水對滑坡災害的誘發作用不僅取決于當日降水，還需要考慮滑坡發生之前數日內的累積降水量，即滑坡有效降水量[7-9]。有效降水量是各個氣象觀測臺站包括滑坡發生日及之前一段時間的逐日降水對滑坡總的影響。計算有效降水量的相關模型可以參考相關學者的研究[7-9]，如李媛等在《降雨誘發區域性滑坡預報預警方法研究》一文中將邏輯回歸模型引入進行有效降雨量的計算[8]，張桂榮等在《基于WEBGIS和實時降雨信息的區域地質災害預警預報系統》一書中根據時段內各日降水量離預報日的時間確定其對滑坡的有效降雨系數，用一段時間的當天降雨量分別乘以有效降雨系數得到有效降雨量[9]。得到有效降水量數據后，再利用GIS空間插值技術模型，生成有效降水量空間精細化分布圖，即可實現有效降水量空間精細化。

將有效降水量空間精細化分布圖與滑坡風險區劃進行疊加，根據各滑坡點在風險區劃中所處的易滑分區，選擇不同滑坡分級指標，確定各個點的滑坡危險等級及發生滑坡的概率，即可實現精細化滑坡監測預警。

2 C/S和B/S相關概念及其特點

C/S軟件體系結構，即Client/Server（客戶機/服務器）結構，是基于資源不對等，且為實現共享而提出來的，是20世紀90年代成熟起來的技術。C/S結構將應用一分為二，服務器（后臺）負責數據管理，客戶機（前臺）完成與用戶的交互任務。

隨著Internet技術的發展，B/S軟件體系結構，即Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構應運而生。B/S體系結構是對C/S體系結構的變化或者改進，在B/S體系結構下，用戶不需要安裝額外的應用程序，用戶界面完全通過www瀏覽器實現。

這兩種體現結構具有各自優缺點。C/S優點主要表現在界面交互能力強，適合大數據量的處理；缺點在于維護成本高，不利于系統的進一步更新維護，而且多應用于局域網間。B/S優點表現在應用跨平臺、實時實地、擴展性強、信息傳遞方便快速等，但是客戶端業務事務處理能力弱[11]。

實現精細化滑坡監測預警系統需要相關的精細化地理空間數據、復雜的空間降雨預測空間計算模型和便利的結果多渠道發布和傳播。這些基本的特點決定了單純的C/S或者B/S結構均不太適用于該系統，根據兩種系統的特點，設計一種C/S和B/S混合構架的系統滿足精細化滑坡監測預警系統的性能要求就很有意義且必要。該研究將基于此種架構模式設計精細化滑坡監測預警系統。

3 系統設計

精細化滑坡監測預警系統主要是為了滿足相關管理部門對滑坡災害的監測預警日常工作，系統功能應在滿足當前業務工作需要的前提下解決目前的類似系統所存在的問題和缺點。該系統以精細化滑坡監測預警為核心功能，通過GIS技術結合現有專業算法模型生成精細化滑坡危險等級預報結果，并利用WebGIS進行結果發布和其他業務數據的管理，融合其他日常相關工作業務功能為一體，實現集滑坡災害監測預警預報和滑坡災害信息管理、分析、決策、發布一體化的綜合信息平臺，為相關管理部門制訂科學的防災減災措施等提供決策依據，為公眾提供一個快速獲取滑坡災害信息的公共渠道。

3.1 系統設計原則

該系統在設計過程中除遵循常規的功能性、易擴充性、實用性、易用性、易移植性等原則外，還要遵循安全性、專業性原則。

安全性原則包括3個層面：①系統功能安全，操作穩定，具有良好的操作容錯性；②系統使用安全性，系統根據不同類型的用戶，分為系統管理員用戶、市局管理用戶、區縣管理用戶、普通用戶等幾種類型，不同用戶具有不同權限，通過權限來保證系統使用的安全性；③系統數據網絡安全，系統所使用的數據，無論是高精度的地理空間數據還是氣象觀測專業數據，都有一定的保密要求，因此對于數據網絡安全性需要在設計時進行重點考慮，主要考慮使用防火墻隔離以及網絡權限等方式實施。

專業性原則主要是指精細化滑坡災害監測預警系統具備專業性的特點：①系統結果需符合地質滑坡災害的專業特點；②降水預報模型采用氣象專業降水預測預報模型，符合氣象系統專業特點；③系統精細化滑坡災害的結果分發和呈現通過GIS來呈現，具有GIS技術專業特點。

系統設計過程中，系統安全性和專業性是需要重點考慮的，安全性保證了系統的穩定運行以及數據安全，專業性則保證了系統結果的正確性和符合專業人員的使用習慣，GIS專業特性則保證了結果的展現方式不同于傳統以及結果發布渠道的便利性，把握好這兩項原則對于系統設計至關重要。

3.2 系統架構

綜前所述，該系統采用C/S和B/S相混合的“內外有別”模式[12]，混合模式結構如圖1所示。服務端部署在政府有關管理部門，負責數據的儲存管理與服務發布。部門內部采用C/S架構，實現海量空間數據的高速傳輸。C/S架構體系面向客戶分為工作人員和管理人員。工作人員負責滑坡災害相關數據的處理以及滑坡災害預測生成與發布，并將預報結果上傳至服務端數據庫。管理人員負責對滑坡災害信息、系統用戶和用戶權限進行管理。部門外部采用B/S架構體系，戶外工作人員和公眾普通用戶只需通過Internet網絡使用HTTP的方式進行訪問，即可實現實時、實地瀏覽查詢滑坡災害信息及相關數據。

3.3 系統邏輯結構

系統邏輯結構如圖2所示，采用3層架構，從下到上依次是數據層、服務層、表現層。

數據層是系統的底層，主要包括空間數據庫、屬性數據庫和本地資源的建設、管理，維護各種數據之間的關系，并提供數據備份、數據存檔、數據安全機制，為整個系統提供數據源的保障。服務層是系統結構的核心，負責接收來自客戶端的請求，并根據用戶請求類型做出對應的響應，同時，通過與業務數據庫的交互來完成對業務數據的處理請求。表現層面向用戶層次，為用戶提供界面展示，以及提供用戶向服務端請求的操作接口。

在該3層結構中，服務層和表現層也進行了不同子層次的細分。服務層自下向上分為數據訪問層、服務邏輯層、業務邏輯層、服務發布層。數據訪問層負責業務數據的持久化和訪問，實現對數據庫的集中操作，向下與數據庫交互，向上提供數據操作接口；服務邏輯層利用下層數據操作的接口獲取業務服務數據；業務邏輯層進行業務邏輯的計算，完成氣象有效降水、滑坡預報預警等模型的模擬運算，向上層提供這些業務模型邏輯調用的程序接口；服務發布層將服務邏輯層的業務邏輯接口包裝服務，并將生成的結果進行服務發布。表現層自底向上分為服務調用層、操作邏輯層、結果顯示層。服務調用層調用應用服務器發布的服務；客戶邏輯層基于下層的調用的服務接口，在客戶端完成邏輯計算，為上層提供邏輯接口；結果顯示層負責界面的展現，及響應用戶在客戶端的交互操作請求，完成對下層邏輯接口的調用。

該系統結構設計中，應用服務器部署在同一個位置，且不管是C/S結構還是B/S結構都采用同一個應用服務器，即同一個服務器上部署不同的服務系統軟件。這種模式的架構具備較強的可維護性與擴展性。此外，基于數據的安全性考慮，除系統管理員外的所有用戶均不能直接訪問系統數據庫，必須通過系統客戶端來訪問數據庫數據，使得底層數據對普通用戶安全隔離，從而保證系統數據的安全。

圖2 系統邏輯分層

3.4 系統功能設計

系統功能設計采用功能分類模塊化的設計理念，按照客戶端類型分為C/S客戶端功能和B/S客戶端功能，不同類型客戶端擁有相同的功能模塊，同時也具有不同的功能模塊。將客戶端功能分為3種類型：C/S獨有功能模塊、公有模塊、B/S獨有功能模塊。此外，系統服務器端還具有數據實時調用、業務數據處理、預報結果生成以及服務發布等功能模塊（圖3）。

圖3 系統功能模塊結構

3.4.1

用戶管理。主要包括C/S端的全部用戶管理模塊和B/S客戶端的區縣用戶管理模塊。這兩個模塊主要針對不同級別的用戶使用，系統管理可以對整個系統的所有區縣的所有用戶進行用戶權限配置、用戶添加、用戶刪除等操作；區縣用戶管理模塊主要由系統管理指定的區縣管理使用，主要針對區縣一般用戶進行各項用戶管理操作。對于兩個模塊而言，管理員用戶可以審核用戶申請信息，是否允許注冊，可以查看已注冊用戶的相關信息，分配用戶權限等；普通用戶只能通過客戶端界面提交用戶申請注冊操作，或作為游客進行有限的瀏覽查詢操作。

3.4.2

地圖數據管理。地圖數據管理為C/S端功能模塊，主要完成所在區域的地理空間數據和屬性數據的管理功能，包括數據的采集、添加、修改、刪除、查詢、瀏覽、保存等；此外，還有地圖文檔的渲染定制和地圖服務發布管理等功能，借助GIS通用功能模塊的放大、縮小、移動、選取等GIS操作，進行地圖數據瀏覽。

3.4.3

災害信息管理。該功能模塊用于滑坡災害相關數據，如滑坡災害點數據、氣象臺站數據的瀏覽、查詢、編輯。以滑坡災害點數據為例，災害點查詢按照災害點的屬性字段進行查詢，如按照滑坡災害等級或者滑坡時間或者滑坡編號等屬性字段，查詢結果在滑坡災害點分布地圖上高亮閃爍顯示；點擊滑坡災害點要素，可以進行滑坡災害點屬性查詢，將該滑坡災害點屬性以表格形式展示，并可對屬性值進行編輯。此外，還需要將各數據的查詢結果進行數據導出保存，可以導出為EXECL電子表格、文本文件、XML等多種數據格式，為用戶所用。災害點的編輯，除屬性編輯外，還有災害點的添加、刪除、移動等GIS操作管理。

3.4.4

降雨數據監測。降雨是引發地質滑坡災害的主要誘因之一，因此降雨數據的監測十分重要，除此之外還需要對系統區域內的降雨進行有效的預測預報，作為滑坡災害預報的主要輔助數據。系統采取定時自動和手動兩種模式，從市氣象局服務器接收實時降雨數據，并將接收的降雨數據解析入庫；同時根據氣象預報數據和降雨預報計算模型計算出未來24、48、72 h的臺站有效降雨結果，并作為預報數據入庫。此外，該模塊還可對降雨數據進行包括最大降雨量、最小降雨量、平均降雨量、階段降雨量等各種查詢，查詢結果以表格和統計圖表形式進行展現。此外，該模塊提供降雨等值線和等值面分析，為研究降雨數據的分布趨勢提供直觀展示。所有入庫降雨數據將作為滑坡災害預報模型的降雨數據來源。

安徽農業科學 2014年

3.4.5

滑坡預警發布和預報結果生成。滑坡預警發布功能模塊依賴服務器端的預報結果生成模塊，作為系統的核心功能之一，主要完成對服務器端生成的滑坡災害預報結果進行網絡發布，有權限的用戶也可以向服務器端發送請求，生成新的預報結果；此外，還可以對歷史結果進行管理，以滿足有相關需求的用戶。

系統服務器端預通過對氣象觀測臺站的降雨監測數據和降雨預報數據的處理，生成區域內所有格點的降雨數據結果，然后采用現有滑坡災害預測模型進行相關處理，生成滑坡危險等級預報分布圖，根據產品制圖模板進行自動制圖處理，最后生成滑坡災害危險等級分布圖的產品。系統服務器端將生成產品存放于服務器端數據庫，同時將當天和未來3 d的滑坡災害危險等級分布圖進行網絡發布，使有需求的任何用戶都可以通過Web瀏覽器自行瀏覽查看，有權限的用戶還可以生成圖文一體的報告文件，并通過電子郵件或其他渠道分發到相關用戶單位。

3.4.6

其他。服務器端地圖服務管理功能，使有權限的用戶可以對所有歷史產品和已經發布的地圖產品進行管理，可以手動修改發布的服務信息；B/S客戶端多媒體展現模塊用于展現滑坡災害相關的多媒體資源，如文獻資源、圖片資源、視頻資源等，用于對公眾進行滑坡災害相關知識的宣傳普及，加強公眾對滑坡災害的防范意識；其他還有諸如降水預報管理發布、氣象資料統計管理和系統設置等功能在此都不再一一贅述。

3.5 系統數據庫設計

精細化滑坡監測預警系統數據庫由基礎地理數據、滑坡信息專題數據、氣象監測預報數據、遙感影像數據以及屬性數據等幾大類數據組成。基礎地理數據主要包括區域各級行政邊界、水系（河流、溝渠、水庫、湖泊）、居民點分布、地形、地面高程數字模型、交通、氣象觀測站、土地利用現狀、等數據；滑坡信息專題數據包括地質滑坡災害等級區劃、滑坡災害信息點、滑坡災害評估、滑坡災害信息點圖片視頻等數據；遙感影像數據包括區域內的一定精度的衛星遙感影像圖；屬性數據包括所在區域的社會經濟數據、氣象監測數據、氣象預報數據、滑坡災害的統計評估數據等；基礎地理數據除了參與滑坡災害預警預報分析之外還與遙感影像數據一起作為地圖背景顯示，形成逼真效果；滑坡信息數據則主要用于滑坡歷史信息的統計分析管理等；屬性數據則用于查詢統計分析和災害結果評估。

系統數據從數據類型又可以分為空間數據庫和非空間數據庫。針對上述復雜數據類型，系統數據庫主要采用Microsoft SQL Server2008作為數據庫管理軟件，通過ArcSDE for SQL Server進行地理空間數據的管理，最終實現空間和非空間數據的一體化管理。對C/S客戶端而言，常用的地理空間數據庫，可以采用ESRI的Geodatabase進行訪問管理，第一次使用時，從系統數據庫服務器下載到本地，并創建Geodatabase數據庫來存儲離線數據，此后C/S用戶不需要每次都從服務器訪問地理空間數據，進而減少數據庫服務器的負擔，同時也減輕局域網的網絡傳輸壓力。用戶可以通過數據更新來保證地理空間數據的一致性。系統數據庫架構如圖4所示。

4 系統應用

根據該研究技術路線，設計開發實現了重慶市精細化滑坡監測預警系統，系統主界面和部分運行界面如圖5所示。