基于數字天水地理空間框架的地質災害信息管理系統建設研究

薛蘭格，郭振華，張可心，石恩恩

(北京新興華安智慧科技有限公司，北京 100071)

1 引 言

我國是一個地質災害十分頻繁且災害損失極為嚴重的國家，尤其是西部地區，每年因地質災害死亡人數達近上千人，直接經濟損失近百億元。2018年10月，習近平總書記主持召開中央財經委員會第三次會議，專門研究提高我國自然災害防治能力問題，提出加強自然災害防治關系國計民生，建立高效科學的自然災害防治體系，提高全社會自然災害防治能力。自然資源部部長陸昊也提出地質災害防治“四步走”方針：研究原理，發現隱患，監測隱患，發布預警。

數字天水地理空間框架是“數字天水”建設的核心內容，其目的是為“數字天水”提供統一的、權威的地理空間信息公共服務平臺，以此為基礎建立和擴展典型應用示范系統，發揮應用效益，探索應用機制，起到以點帶面，逐步將各部門的應用統一到地理信息公共平臺上，在全市各部門推廣地理信息服務應用。其中完成的地質災害信息管理系統示范應用結合地理信息系統(Geographic Information System，GIS)，以強降水、冰雹、雷電等為重點監測預警預報，同時實時自動監測分析甘肅省中小河流洪水和山洪地質災害發生的氣象風險。自建成后在各類突發性災害救災、災害評估、搶險救援和災后重建中發揮了重要作用，開展科學預警，在災害真正發生前發出預警信息對危險區居民進行疏散避讓，保障其生命財產安全，管防治救成效明顯。對于非突發性災害，從理論和技術上均可實現提前預警，但需要進一步推廣應用，使地質災害監測預警工作逐步進入業務化運行階段。

2 系統功能設計

地質災害信息管理系統結合“管防治救”四大功能分6個模塊實現，為天水市地質災害應急中心提供了集災害點管理、實時監控數據管理、應急指揮車輛管理、應急預案管理等三維一體化的解決方案。用戶還可通過監控攝像頭察看現場情況，同時與天水市氣象示范應用系統接入，與氣象局實現資源共享。

2.1 技術路線

根據數據標準規范，規范化處理不同類型基礎地理信息數據，形成技術標準統一的多尺度基礎地理空間數據集，存儲于基礎地理信息空間數據庫；標準化處理地質災害專題數據，根據數據結構類型劃分空間數據與屬性數據，分別存儲于地質災害空間數據庫與屬性數據庫中。

采用C/S結構體系實現信息的管理、維護和信息發布，基于系統建設的實際需要，有針對性地選擇不同網絡技術、二維和三維GIS軟件、數據庫管理軟件，取長補短、優勢互補，綜合應用，提高地質災害信息和地理信息的整合信息服務能力，滿足地質災害相關業務應用需求。

對用戶屏蔽數據存儲位置，關閉數據庫級數據直接調用接口，將圖層級數據組織進行封裝，從服務級整合基礎空間數據和災害專題空間數據，支持用戶并發訪問和遠程調用。提高空間數據的利用效率，增強空間數據的使用安全性，保障空間數據擁有單位的版權效益，降低空間數據的應用成本和技術門檻，拓展空間數據的應用領域，挖掘空間數據的增值服務，快速建設天水市地質災害信息管理系統，總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架

2.2 支撐環境

(1)數據庫：SQL Server

(2)二維平臺：ArcGIS Server

(3)三維平臺：SkylineGlobe系列軟件

(4)開發框架：.NET Framework與Web Services

(5)開發語言：C#.NET

2.3 系統功能設計

根據項目定位與建設目標，系統功能應用緊緊圍繞災害信息管理、監控信息管理、災害評價、災害防治以及應急處置等地質災害業務進行了開發實現，公共模塊提供基礎功能服務。為保證數據安全，設計用戶管理模塊，根據用戶身份，給其分配功能權限。系統設計的功能模塊以及主要功能如圖2所示：

圖2 系統功能設計圖

2.4 關鍵技術

該示范應用在技術創新性和實用性層次圍繞災害隱患檢查、動態傳感器接入、應急指揮預案定制、展現效果四個方面引入、開發多項關鍵技術，確保應用成果的典型性、示范性，如圖3所示。

圖3 關鍵技術

3 信息系統構建與實施

系統登錄界面如圖4所示，下面分6個模塊詳細介紹系統建設成果：

圖4 系統登錄界面

3.1 災害信息管理

在完成全市地質災害專題數據整理整合、地質災害空間數據庫與屬性數據庫建設的基礎上，利用地理信息技術，建設地質災害專題信息“一張圖”，實現地質災害專題數據的信息化，著重解決紙質資料查閱不方便、展示不直觀的問題。該模塊包括隱患點分布、重要隱患點分布、災害影響范圍、災害信息查詢、災害信息編輯、災害信息統計、導入速報表、輸出月報表等功能(圖5)。

圖5 災害信息管理系統

3.2 監控信息管理

該功能模塊主要對當前天水市各類處地質災害點的主要監控設備的監控數據進行管理。當監控數值超過預設域值時，根據超出程度對監控設備分以不同顏色，系統會自動發送短信預警提示相關人員。系統管理員也可通過預警信息發布模塊對相關人員短信通知。該模塊包括監控點分布、監控信息查詢、監控信息編輯、歷史數據統計、預警信息提示以及預警信息發布6個功能(圖6)。其中“監控信息查詢”支持關鍵字自動對監控設備信息進行模糊匹配，將所有滿足條件的信息都按照類型分級分節點顯示在查詢結果列表中，點擊結果列表中的條目可以實現三維定位和詳細信息查看?！邦A警信息發布”實現擁有權限的用戶可通過該功能模塊編輯短信，并通過短信平臺和相關硬件發布預警信息。系統自動記錄短信內容、發送時間及接收人，并在預警信息提示中顯示。

圖6 監控信息管理

3.3 災害評價

該功能模塊包含易發性分區、防治規劃分區、災害評估管理以及坡度分析和影像對比等子模塊(圖7)。通過這些子模塊將相關數據以空間圖形化的形式在三維地圖上展現，為災害評價提供數據與分析服務，同時配合影像對比能更好地展示災害前后發生的變化。

圖7 災害評價

3.4 災害防治

地質災害防治是各方關注的一個焦點。此模塊分為兩個部分，一部分是防治工程的管理，一部分是應急預案的管理(圖8)。

圖8 應急預案

3.5 應急處置

應急處置是一項綜合而復雜的工程，涉及范圍廣，單位眾多。系統通過整合應急有關的空間和屬性信息，并提供空間分析功能，為應急處置提供保障服務。主要包括：

(1)路徑分析

用戶通過輸入起始地址，系統能夠自動計算出最優路徑，路徑結果數據在三維場景中描繪出來，可直觀看出地形地貌對路徑的影響，幫助用戶快速查找到進行路線，便于決策指揮者選擇用于管制的路段，確保救援通道的暢通。

(2)最近設施查找

輸入要搜索的設施，在三維地圖上手工繪制一個搜索范圍，系統可以搜索到范圍距離中心點最近的興趣點，并標繪在三維地圖上。查詢的結果同時在左側面板中列表展示，點擊可快速定位。

(3)土方量分析

用戶可以通過繪制地形工具在三維地圖中根據需要模擬修改地形，然后通過土方量計算功能可自動計算出本次地形修改所需的土方填挖方量并標注顯示。

(4)應急工程布設

應急工程布設是應急處置工作不可缺少的一個重要環節，此功能模塊可直觀地展示出應急工程的布設情況，為領導決策提供幫助。用戶可在三維地圖中任意添加三維模型、繪制箭頭、添加圖片、添加文本注記等信息，并可以對這些要素進行樣式編輯，從而在三維地圖中表現出應急工程布設預計的效果。

(5)應急車輛監控

應急車輛上安裝的GNSS定位模塊，通過網絡傳輸位置信息至系統，在工作底圖上描繪出行駛軌跡。應急車輛顯示符號由其車輛類型決定。

(6)視頻監控

該功能模塊可在系統中查看通過監控攝像頭傳輸的現場情況，并可以與二維數據監控聯合，輔助分析和快速決策(圖9)。

圖9 視頻監控

3.6 用戶管理

考慮部分數據的安全性及更新維護，系統提供用戶管理模塊(圖10)，根據用戶身份，給其分配功能權限。系統管理員具有系統最高權限，可以審核用戶注冊、賦予用戶功能權限、查看用戶操作日志并對預警信息進行配置管理。

圖10 用戶管理

4 結 語

“天水市地質災害信息管理系統”不僅將全市地災隱患點信息在三維地圖上進行展示、查詢、統計和分析，并對防治工程等信息進行了文檔式管理，使得過程信息可查詢、可追溯、可統計。一期平臺引入了34處災害點6類共118個監控設備，當監控值達到域值時可自動預警，提醒相關人員，極大提高了數據的時效性，同時也可通過現場的攝像頭實時查看現場畫面，為應急指揮和領導決策提供了不可估量的作用，并實現與甘肅省氣象風險預警服務平臺接入(圖11)，實現以強降水、冰雹、雷電等為重點監測預警預報功能，實時自動監測分析甘肅省中小河流洪水和山洪地質災害發生的氣象風險。

圖11 甘肅省氣象風險預警服務平臺接入

在天水娘娘壩突發性泥石流災害救災中，該系統充分發揮了預警評價防治功能，對泥石流和山體滑坡區域預測、分析堰塞湖水位漲落情況和路基損毀情況，基于監測預警服務數據動態監控等。現場領導第一時間決策部署組織清淤排障，緊急轉移群眾，設置了十余個集中安置點對受災群眾進行安置，強化后勤保障，隨時開展應急處置，確保災情在最短時間內得以控制。該系統利用信息化手段實現監測預警、應急救治服務得到當地主管部門的高度認可。隨著時代進步、技術發展，應結合各類調查監測，積極開展物聯網、云計算、智能化等新技術、新方法和新手段的實踐與應用，逐步實現動態監測和智能化管理，加強應急防災能力建設，全面提升防治水平，做到科學預警，快速、高效應急保障。