基于天地圖的縣級城市地面沉降信息管理技術(shù)研究

艾明耀,井研,劉立,胡慶武(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北武漢 430079)

基于天地圖的縣級城市地面沉降信息管理技術(shù)研究

艾明耀?,井研,劉立,胡慶武
(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北武漢 430079)

摘 要:沿海地區(qū)由地面沉降問題引起的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響著城市可持續(xù)發(fā)展。本文提出了基于天地圖面向縣級城市地面沉降信息管理方法。首先提出并設(shè)計(jì)了基于天地圖的城市地面沉降信息管理框架；其次,設(shè)計(jì)了城市地面沉降歷史觀測數(shù)據(jù)入庫和管理模型,最后,以長江三角洲某縣級城市為例,設(shè)計(jì)并開發(fā)實(shí)現(xiàn)了縣級城市地面沉降信息管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)歷史沉降觀測信息的在線入庫、可視化管理、動(dòng)態(tài)預(yù)測和InSar數(shù)據(jù)分析等,具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:天地圖；地面沉降；數(shù)據(jù)庫；管理；可視化

1　引 言

目前,中國在19個(gè)省份中超過50個(gè)城市發(fā)生了不同程度地面沉降,累計(jì)沉降量200 mm以上的總面積超過7．9萬km2,其中長江三角洲地區(qū)最近30多年累計(jì)沉降200 mm以上面積近1萬km2,占區(qū)域總面積1/3。地面沉降帶來眾多地質(zhì)災(zāi)害,對國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和財(cái)產(chǎn)安全威脅巨大[1,2]。為有效控制城市地面沉降以及減少沉降造成影響,城市規(guī)劃、地質(zhì)等部門需掌握城市地面沉降狀況,為城市規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[3,4]。為此,各城市相繼開展城市沉降觀測工作,積累了大量的歷史觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量大而雜亂。現(xiàn)有的城市沉降信息管理系統(tǒng)雖然可以對這些實(shí)測資料錄入、管理,查詢和統(tǒng)計(jì),但沒有充分利用沉降觀測點(diǎn)的空間特性建立沉降時(shí)空數(shù)據(jù)庫。此外,最新的航空攝影測量、InSAR等沉降監(jiān)測手段獲取的大面積沉降觀測數(shù)據(jù)也不能進(jìn)行有效的存儲(chǔ)管理、分析和預(yù)測[5,6]。

目前,國內(nèi)各個(gè)城市正在積極推動(dòng)天地圖市級節(jié)點(diǎn)的建設(shè),其采用的基于空間信息服務(wù)的應(yīng)用架構(gòu)可為大數(shù)據(jù)時(shí)空沉降數(shù)據(jù)管理提供必要的技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)支撐[7,8]。本文提出了一種輕量級城市地面沉降信息管理方法,不僅能夠有效地對觀測資料進(jìn)行管理、查詢與統(tǒng)計(jì),還可以進(jìn)行相關(guān)的空間分析。該方法以天地圖為基礎(chǔ)地理信息平臺(tái),通過擴(kuò)展的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)城市地面沉降歷史觀測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理,在此基礎(chǔ)上以長江三角洲某縣級城市為例,設(shè)計(jì)并開發(fā)實(shí)現(xiàn)了縣級城市地面沉降信息管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)歷史沉降觀測信息的在線入庫、可視化管理、動(dòng)態(tài)預(yù)測及其可視化和InSar數(shù)據(jù)分析等,具有良好的應(yīng)用前景。

2　基于天地圖的城市沉降信息管理框架

城市地面沉降信息管理包括多期沉降觀測數(shù)據(jù)的整理與和建庫、沉降觀測數(shù)據(jù)的空間可視化與查詢以及沉降觀測數(shù)據(jù)時(shí)空分析,為城市地面沉降的預(yù)測、防控、減災(zāi)提供支持。沉降觀測數(shù)據(jù)通常為單一離散觀測點(diǎn),因此,對沉降觀測信息的管理、分析和預(yù)測需要城市級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支撐。本文提出以天地圖作為城市離散沉降信息管理的空間數(shù)據(jù)源,其技術(shù)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)技術(shù)框架圖

數(shù)據(jù)層主要包括沉降觀測數(shù)據(jù)庫與天地圖地理空間數(shù)據(jù)服務(wù),前者主要指在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)環(huán)境下負(fù)責(zé)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫以及對沉降數(shù)據(jù)相關(guān)的專題數(shù)據(jù)的管理等,后者主要指涉密的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及非涉密基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)及用于空間分析的GP服務(wù)等;技術(shù)層需要數(shù)據(jù)層提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支撐,為功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)上的支持;功能模塊層直接面向用戶需求提供的應(yīng)用功能,包括數(shù)據(jù)管理、查詢、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測等模塊;對外服務(wù)層為不同角色的用戶可以根據(jù)自己的權(quán)限進(jìn)行系統(tǒng)訪問。

3　地面沉降觀測數(shù)據(jù)庫模型與入庫

3．1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

基于B/ S架構(gòu)的沉降信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是非常重要的部分,它的好壞直接影響系統(tǒng)的性能[9,10]。本文采用Oracle11g數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)管理的沉降信息主要包括兩部分,一是沉降觀測點(diǎn)的基本信息,二是沉降觀測點(diǎn)歷年的觀測信息,在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中主要分沉降觀測點(diǎn)表和歷年高程記錄表,其E-R如圖2所示。

圖2　沉降數(shù)據(jù)E-R圖

如圖2所示,沉降觀測點(diǎn)表主要存儲(chǔ)試驗(yàn)區(qū)沉降觀測點(diǎn)的位置信息和一些基本信息,包括觀測點(diǎn)號(hào)、唯一標(biāo)識(shí)GUID、觀測點(diǎn)名稱、經(jīng)度、緯度、來源類型等字段,其中主鍵為GUID。歷年高程記錄表主要記錄每一個(gè)沉降觀測點(diǎn)不同年份觀測高程值,包括唯一標(biāo)識(shí)GUID、觀測點(diǎn)的GUID、觀測年份、高程值、來源類型等字段。其中沉降觀測點(diǎn)表是一個(gè)關(guān)鍵核心表,歷年高程記錄表通過記錄觀測點(diǎn)的GUID字段(PGUID)與沉降觀測點(diǎn)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3．2沉降數(shù)據(jù)入庫

沉降數(shù)據(jù)來源比較復(fù)雜,基于觀測點(diǎn)方式的數(shù)據(jù)來源包括水準(zhǔn)儀觀測沉降結(jié)果數(shù)據(jù)、GPS測量結(jié)果數(shù)據(jù)、沉降井觀測結(jié)果數(shù)據(jù)[11,12]。系統(tǒng)主要提供兩種沉降數(shù)據(jù)入庫路徑,一是單條數(shù)據(jù)添加,二是批量導(dǎo)入,入庫時(shí)均需進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證,批量導(dǎo)入流程圖如圖3所示:

圖3　批量導(dǎo)入技術(shù)流程圖

如圖3,在對地面沉降數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入時(shí),本文首先將不同來源的數(shù)據(jù)整理規(guī)范至同一Excel模板,然后將其上傳至服務(wù)器并逐條進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證通過則信息入庫,否則返回錯(cuò)誤信息至用戶。

4　縣級城市地面沉降信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文以中國東部某縣為研究區(qū)域,采用的數(shù)據(jù)源有包括63個(gè)沉降站點(diǎn)的空間坐標(biāo)、屬性數(shù)據(jù)和沉降站點(diǎn)2009年和2010年的高程觀測數(shù)據(jù)。其中,空間坐標(biāo)用經(jīng)緯度表示的,屬性數(shù)據(jù)包括編碼和名稱等,高程觀測數(shù)據(jù)記錄包括沉降站點(diǎn)的編碼、名稱、高程值、觀測條件等。底圖數(shù)據(jù)采用天地圖發(fā)布的城市地理空間基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用．Net開發(fā)平臺(tái),利用ASP．Net技術(shù)、Oracle數(shù)據(jù)庫和基于天地圖地圖服務(wù)API實(shí)現(xiàn)的。

4．1功能模塊設(shè)計(jì)

采用B/ S三層架構(gòu),PLSQL Developer進(jìn)行Oracle 11g數(shù)據(jù)庫管理,IIS發(fā)布網(wǎng)站,實(shí)現(xiàn)對城市地面沉降數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計(jì)查詢分析和預(yù)測分析等,其詳細(xì)功能模塊如圖4所示:

圖4　系統(tǒng)功能模塊圖

數(shù)據(jù)管理對數(shù)據(jù)庫中的觀測點(diǎn)及其歷年高程數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改與查看。數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出支持觀測點(diǎn)及其歷年高程值數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入與導(dǎo)出。系統(tǒng)支持自定義瓦片地圖,用戶可以使用底圖管理模塊將自定義地圖服務(wù)配置為系統(tǒng)的底圖,并且可以編輯已有的底圖服務(wù)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)包括框選、圓選、自定義區(qū)域選擇和模糊查詢等方式針對用戶需要快速查找某一個(gè)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)。等值線分析可根據(jù)用戶選擇的時(shí)間區(qū)間來計(jì)算觀測的沉降量,然后根據(jù)觀測點(diǎn)的沉降量和用戶指定的等值線間隔來生成等值線,并將其在地圖上顯示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)針對觀測點(diǎn)的歷年高程值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,包括柱狀統(tǒng)計(jì)與線狀統(tǒng)計(jì)。此外,系統(tǒng)還提供對Insar數(shù)據(jù)管理,實(shí)現(xiàn)基于Insar影像文件做的沉降分析和無源淹沒分析。

4．2城市沉降信息管理系統(tǒng)

城市沉降信息管理系統(tǒng)主界面如圖5所示:

選擇一個(gè)時(shí)間段,通過對該時(shí)間段內(nèi)所有沉降觀測點(diǎn)的沉降量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并將沉降量比較,找出最大最小值,在地圖上標(biāo)注顯示出最大最小沉降位置,如圖6所示:

圖5　系統(tǒng)主界面

圖6　柱狀統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步,通過對該時(shí)間段內(nèi)所有沉降觀測點(diǎn)的沉降量進(jìn)行分析,制作沉降等值線圖,并將沉降量比較,找出最大最小值,在地圖上標(biāo)注顯示出最大最小沉降位置,如圖7所示:

系統(tǒng)具備沉降趨勢分析功能,根據(jù)觀測沉降數(shù)據(jù)(水準(zhǔn)、GPS、沉降井和InSAR沉降結(jié)果)分類預(yù)測沉降趨勢,生成某一時(shí)刻的面預(yù)測沉降圖,如圖8(a)所示,進(jìn)一步基于InSAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降分析和無源淹沒分析,如圖8(b)、圖8(c)所示。

圖7　沉降等值線

圖8　分析結(jié)果

5　結(jié) 論

地面沉降問題已經(jīng)成為21世紀(jì)國內(nèi)外城市的主要地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重影響著城市地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長和可持續(xù)發(fā)展。為了有效的控制城市地面沉降以及減少沉降造成的影響,城市規(guī)劃、地質(zhì)等管理部門需要了解掌握城市地面沉降情況,為城市規(guī)劃和建設(shè)發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。本文提出的基于天地圖的城市地面沉降信息管理方面,具有系統(tǒng)架構(gòu)簡便、可擴(kuò)展性強(qiáng)和投入低等特點(diǎn),可作為縣級城市輕量級地面沉降信息管理建設(shè)參考。需要進(jìn)一步研究地面沉降數(shù)據(jù)及預(yù)測信息的公眾服務(wù)問題。

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Research on County-level City Land Subsidence Information Management Technology based on Tianditu

Ai Mingyao,Jing Yan,Liu Li,Hu Qingwu
(School of Remote Sensing and Information Engineering in Wuhan University,Wuhan 430079,China)

Abstract:Geological hazards in coastal district caused by land subsidence have greatly affected urban sustainable development．In this paper,a Tianditu based urban land subsidence information management approach for country-level city is proposed．Firstly,the urban ground subsidence information management framework is presented and designed based on MAPW．Secondly,the data storage and management model of urban land subsidence history observation data is designed．Finally,a county-level city in Yangtze River Delta is taken as an example and a county-level city ground subsidence information management system is devised and implemented．It can achieve online storage,visual management,performance prediction and InSar analysis on the settlement history observation information,which has promised applications．

Key words:tianditu;land subsidence;database;management;visualization

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-16-04中圖分類號(hào):P208．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—07—19

作者簡介:艾明耀(1988—),男,助理實(shí)驗(yàn)師,主要從事3S集成技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作。

通信作者:井研(1988—),女,碩士研究生,研究方向地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB732106)