基于開源軟件的地質(zhì)災(zāi)害防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯二仁

（重慶比特?cái)?shù)圖科技有限公司 重慶市 400000）

地質(zhì)災(zāi)害是可以造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失的一種環(huán)境破壞現(xiàn)象或過程，多由地質(zhì)活動(dòng)或人為活動(dòng)引起。我國是世界上人口最多的國家，疆域遼闊，地形、地貌和地質(zhì)條件多樣且復(fù)雜，加之氣候多變，所以存在地質(zhì)災(zāi)害類型多、分布廣、頻度高、損失巨大等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)生活安全[1]。因此，我國的地質(zhì)災(zāi)害防治工作形勢嚴(yán)峻、任務(wù)繁重，為減少地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，每年都開展了大量地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、監(jiān)測預(yù)警和綜合防治工作。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害防治已經(jīng)逐步由信息化向智能化方向發(fā)展。通過收集整合現(xiàn)有的三維地理空間數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及其他行業(yè)數(shù)據(jù)，以地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)為中心，科學(xué)地進(jìn)行多元數(shù)據(jù)融合處理，選擇開源的PostgreSQL和ElasticSearch數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，建立地質(zhì)災(zāi)害防治綜合數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和Web互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于三維WebGIS引擎Cesium實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害防治信息系統(tǒng)，利用其強(qiáng)大的三維空間可視化和分析能力，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的采集管理、監(jiān)測預(yù)警傳感器數(shù)據(jù)采集與分析、地質(zhì)災(zāi)害綜合智能化分析與決策，輔助地質(zhì)災(zāi)害防治工作開展。

1 地災(zāi)防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用經(jīng)典“數(shù)據(jù)層-業(yè)務(wù)層-表現(xiàn)層”三層體系的技術(shù)架構(gòu)搭建[2]，實(shí)現(xiàn)PC端、移動(dòng)端等多場景的技術(shù)應(yīng)用，各層之間具有相對(duì)獨(dú)立性。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)地質(zhì)災(zāi)害綜合數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問；邏輯層主要負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)邏輯表達(dá)與實(shí)現(xiàn)，為表示層提供可復(fù)用的API服務(wù)；表示層位于三層構(gòu)架的最上層，與用戶直接接觸，是系統(tǒng)的功能界面[3]。地質(zhì)災(zāi)害防治工作人員在電腦或者手機(jī)上，通過瀏覽器即可訪問系統(tǒng)來使用各項(xiàng)功能。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

以地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)為中心，把隱患點(diǎn)的統(tǒng)一編號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)碼，對(duì)調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、監(jiān)測預(yù)警傳感器數(shù)據(jù)、四重網(wǎng)格人員數(shù)據(jù)、災(zāi)險(xiǎn)情數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)。同時(shí)，隱患點(diǎn)具有經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，可以過對(duì)隱患點(diǎn)進(jìn)行空間化處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)與空間地理數(shù)據(jù)的整合。

融合治理之后的數(shù)據(jù)涵蓋地理空間數(shù)據(jù)、調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、災(zāi)險(xiǎn)情數(shù)據(jù)、監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)和各類分析數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合治理，能夠打通業(yè)務(wù)系統(tǒng)、專題數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系，消除各個(gè)數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)的邊界，建立緊密的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治數(shù)據(jù)的全生命周期管理。

1.3 功能設(shè)計(jì)

地質(zhì)災(zāi)害防治工作涉及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、智能化監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)、智能分析決策，為了覆蓋地質(zhì)災(zāi)害防治工作中各個(gè)環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測預(yù)警、智能分析三個(gè)板塊。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)功能圖

1.3.1 數(shù)據(jù)管理板塊

數(shù)據(jù)管理模塊包括隱患點(diǎn)調(diào)查、隱患點(diǎn)管理、災(zāi)險(xiǎn)情上報(bào)、災(zāi)險(xiǎn)情管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)五個(gè)功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查、應(yīng)急調(diào)查等調(diào)查工作的任務(wù)管理，以及對(duì)調(diào)查采集隱患點(diǎn)的采集、入庫、更新、銷號(hào)全流程管理；實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)險(xiǎn)情從上報(bào)、審核、入庫、更新的全流程管理；實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患點(diǎn)和災(zāi)險(xiǎn)情的多維度統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)表導(dǎo)出。

系統(tǒng)提供移動(dòng)客戶端訪問界面，在野外的調(diào)查人員可以使用手機(jī)或平板電腦，連接4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和災(zāi)險(xiǎn)情上報(bào)工作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員對(duì)隱患點(diǎn)和災(zāi)險(xiǎn)情數(shù)據(jù)的及時(shí)掌控。

1.3.2 監(jiān)測預(yù)警板塊

監(jiān)測預(yù)警板塊主要包括監(jiān)測設(shè)備管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、預(yù)警模型設(shè)置、預(yù)警識(shí)別和預(yù)警處置五個(gè)功能模塊，主要負(fù)責(zé)隱患點(diǎn)上安裝的裂縫儀、墻裂縫儀、傾角儀、GNSS設(shè)備、含水率儀和報(bào)警器等類型傳感器設(shè)備的接入、配置、數(shù)據(jù)采集和預(yù)警分析管理。

系統(tǒng)可以結(jié)合每個(gè)隱患點(diǎn)自身的地質(zhì)構(gòu)造和設(shè)備類型，為每個(gè)隱患點(diǎn)設(shè)置不同的預(yù)警模型，后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)聽設(shè)備上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過與預(yù)警模型進(jìn)行比對(duì)分析，自動(dòng)識(shí)別是否產(chǎn)生預(yù)警，并及時(shí)通知各層級(jí)相關(guān)人員。工作人員收到預(yù)警消息通知后，需要立即對(duì)隱患點(diǎn)變形情況進(jìn)行排查，有條件的情況下要及時(shí)趕赴隱患點(diǎn)現(xiàn)場進(jìn)行核查，使用手機(jī)在現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)警處置填報(bào)和照片、視頻上傳。

表1：數(shù)據(jù)庫與存儲(chǔ)內(nèi)容

1.3.3 智能分析板塊

智能分析板塊主要包括空間分析、隱患點(diǎn)分析、災(zāi)險(xiǎn)情分析、地質(zhì)模型分析和氣象分析五個(gè)功能模塊。三維GIS中的空間分析不再局限于二維的地表平面，利用三維WebGIS的空間分析能力可以開展三維角度的坡度坡向測量、體積測量、地形挖填方、淹沒分析等。

隱患點(diǎn)和災(zāi)險(xiǎn)情具有災(zāi)害體邊界、威脅范圍和變形方向幾個(gè)空間特征要素，通過疊加三維地形和地表構(gòu)筑物要素，進(jìn)行地形分析和緩存區(qū)分析，分析隱患點(diǎn)對(duì)河流、交通道路、居民點(diǎn)和其他重點(diǎn)區(qū)域的影響情況。同時(shí)結(jié)合隱患點(diǎn)三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，疊加地表高清影像形成地上地下一體化的三維地質(zhì)體，利用剖切和鉆孔等功能分析隱患點(diǎn)的地質(zhì)情況，為地災(zāi)防治決策提供科學(xué)依據(jù)。

降雨是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素，對(duì)實(shí)時(shí)降雨情況的分析是地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)警的重要手段。系統(tǒng)通過對(duì)實(shí)況降雨采用IDW插值[4]方式進(jìn)行實(shí)況分析，對(duì)達(dá)到暴雨以上的區(qū)域進(jìn)行智能分析，識(shí)別區(qū)域內(nèi)的隱患點(diǎn)和災(zāi)險(xiǎn)情，并自動(dòng)通知相關(guān)網(wǎng)格人員加強(qiáng)巡查。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫選擇與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

PostgreSQL是一個(gè)開源的跨平臺(tái)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過Post GIS插件使PostgreSQL數(shù)據(jù)庫具有空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢的功能[5]，使用PostgreSQL來存儲(chǔ)普通的地質(zhì)災(zāi)害結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)。

Elastic Search是一款基于Lucene庫的分布式、RESTful的開源搜索引擎，通過Geo Hash可以擴(kuò)展Elastic Search對(duì)空間大數(shù)據(jù)的檢索和查詢能力[6]，使用Elastic Search數(shù)據(jù)庫進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫與存儲(chǔ)內(nèi)容如表1所示。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Windows 10，開發(fā)工具均為開源免費(fèi)產(chǎn)品。后端系統(tǒng)使用java語言開發(fā)，前端使用JavaScript語言開發(fā)。前后端開發(fā)環(huán)境如表2所示。

表2：前后端開發(fā)環(huán)境

主要開發(fā)框架說明：

Cesium 是一款開源的JavaScript地圖框架，基于跨平臺(tái)的WebGL的實(shí)現(xiàn)，用于創(chuàng)建具有最佳性能、精度、視覺質(zhì)量和易用性的世界級(jí)3D地圖，可以為地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)提供一個(gè)高效、穩(wěn)定的三維GIS虛擬環(huán)境。

SpringBoot后端可以簡化新應(yīng)用的搭建和開發(fā)過程，通過指定的方式來配置SpringBoot項(xiàng)目，能夠減輕開發(fā)人員的搭建工作，其可以直接將項(xiàng)目打包成jar包，進(jìn)一步簡化了項(xiàng)目的發(fā)布和部署。可以通過配置Maven工具來管理大量的項(xiàng)目擴(kuò)展包，解決項(xiàng)目資源管理難的問題[7]。

2.3 系統(tǒng)測試與部署使用

由于前端開發(fā)具有先天跨平臺(tái)的特性，所以系統(tǒng)可以運(yùn)行在PC和移動(dòng)端的各個(gè)操作系統(tǒng)。程序測試環(huán)境為多平臺(tái)，可以支持windows、Linux、IOS、Android等操作系統(tǒng)。系統(tǒng)測試完成之后就可以部署到正式環(huán)境服務(wù)器，提供一線工作人員使用。

3 結(jié)束語

本文基于開源的PostgreSQL和Elastic Search數(shù)據(jù)庫、三維WebGIS引擎Cesium開發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害防治信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和地質(zhì)災(zāi)害智能分析功能。

通過建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害防治信息系統(tǒng)，完善地質(zhì)災(zāi)害防治工作中的數(shù)據(jù)的采集與管理，強(qiáng)化地質(zhì)災(zāi)害智能化監(jiān)測與突發(fā)預(yù)警機(jī)制，結(jié)合智能分析結(jié)果的直觀可視化表達(dá)能力，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供輔助決策，助力地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)治災(zāi)工作的開展，進(jìn)一步提升地災(zāi)防治工作信息化、智能化水平。