地質災害隱患三維一張圖構建方法

劉 立，陳宏宇，劉 娟，董先敏，王德富

(1.自然資源部第三地理信息制圖院，成都 610100；2.自然資源部數字制圖與國土信息應用重點實驗室，成都 610100)

我國地質災害隱患具有點多、面廣的特點，目前已發現地質災害隱患點近30萬處[1]，但統計表明，近年來我國發生的重大地質災害事件有約80%都不在已查明的隱患點范圍內[2]，由此推斷，我國的地質災害隱患點可能會超過100萬處，因此，盡可能全面識別和發現災害隱患并提前主動管控，成為當前我國防災減災最為重要的工作內容。目前的地質災害隱患管理方法仍然是以電子表格或常規的關系型數據庫為主，表達方法以印刷地圖或二維電子地圖為主。傳統地質災害隱患管理和表達方法，從管理的角度來看單一的存儲設計難以應對多源異構數據、成果數據存儲和共享發布的需要；從應用的角度來看，弱空間關聯的數據組織方式，難應對復雜的數據挖掘和知識服務需要；從展示的角度來看，缺乏對多時序、多維度表達方法的支持，難應對研判分析和仿真模擬的需要，因此，研究實景三維場景下地質災害隱患一張圖管理方法勢在必行。“8·8”九寨溝地震的震中區位于九寨溝景區內部，具有震級高、波及范圍廣的特點，地震對該區域自然生態及地質環境造成了重大影響，并引發大量次生地質災害，嚴重威脅災區群眾生產生活及九寨溝景區生態環境安全，嚴重制約災后恢復重建工作順利實施[3]。為了提高重點區域地質災害隱患早期發現能力，解決地質災害調查評價、監測預警、綜合治理等重建任務急需第一手災后基礎地理信息數據的問題，進行了地震災區遙感測繪調查工作。為了解決數據成果互融難、共享難、深入應用難等問題，研發了地質災害隱患一張圖三維管理平臺，為地質災害隱患管理、風險分析、動態管控及相關災后重建工作提供及時、可靠、高效的測繪地理信息保障服務[4]。

1 研究思路

地質災害隱患的三維管理涉及的技術種類繁多、數據來源豐富、表達效果復雜、應用場景廣泛，因此難點主要集中在數據資源整合、表達效果設計和平臺功能設計上。文中以九寨溝地震災區地理信息數據和地質災害隱患資料為基礎數據，在地質災害隱患早期識別階段，結合星載合成孔徑雷達(InSAR)技術對隱患區進行大面積篩查，為重點區域詳查圈定出“靶區”，采用機載激光雷達(LiDAR)技術對重點區域獲取巖體節理和裂隙真實形態，同時整合地質災害專業調查相關資料，幫助技術人員更好識別新的地質災害隱患點；在地質災害隱患治理階段，使用機載傾斜攝影技術對地震災區重點區域進行實景三維模型獲取，為三維一張圖應用做數據儲備，并對地質災害點治理情況使用全景影像技術進行周期性跟蹤監測，為災后治理效果評價做數據儲備；在地質災害隱患監測階段，還需要接入專業監測設備物聯網數據以及防災減災預案等數據。通過研究地質災害隱患三維場景下多源數據表達、空間數據存儲、數據資源發布、場景按需組裝、快速分發部署等關鍵技術，實現地質災害隱患一張圖三維管理平臺建設方法(見圖1)。一張圖平臺整體分為4層結構，數據層作為系統的數據來源，包含傾斜攝影數據、全景影像數據、全景標記數據、地質災害基礎數據資料等內容；平臺支撐層主要為系統服務發布提供保障和支撐，包含全景發布工具、傾斜影像發布工具、全景影像解譯生產工具等內容；服務層作為系統的服務調用資源，為系統功能開發及正常運行提供保障，包含傾斜影像服務、全景綜合服務、用戶認證服務、隱患信息服務、空間分析服務等內容；應用層是直接面向用戶提供的軟件功能，主要包括地質災害隱患空間分布及空間查詢、臨災避險模擬、地層結構模擬、專業監測信息接入等功能。

圖1 三維一張圖框架

2 數據整合

為了提高三維場景表達效果，便于一張圖的管理和應用，三維一張圖統一采用2000國家大地坐標系和1985國家高程基準，投影方式采用高斯—克呂格3°分帶。SAR影像配準精度達到亞像元，D-InSAR形變監測精度達到cm級，SBAS-InSAR和PS-InSAR形變監測精度達到mm級；LiDAR點云密度≥50點/m2；航空影像分辨率優于0.2 m；傾斜影像分辨率優于0.1 m；數字表面模型格網間距0.5 m；全景影像長時序采集平面誤差<10 m。

2.1 星載InSAR處理技術

InSAR地質災害隱患早期識別技術主要基于數據解算獲得的干涉數據與形變速率圖,根據干涉數據與形變速率圖可以準確識別災害隱患點的位置、形變范圍以及形變量，從而發現和圈定高位地質災害隱患點或疑似靶區[5]。與傳統地質災害調查相比，InSAR技術具有覆蓋廣、速度快等特點，對高位遠程、高隱蔽性隱患排查具有較明顯優勢，與傳統調查形成互補。文中主要采用D-InSAR，SBAS-InSAR，PS-InSAR技術方法對作業區范圍內的ALOS-2，Sentinel-1雷達衛星的時序SAR數據進行處理，獲得地表形變結果。在地質災害蠕動孕育階段，采用時序(PS-InSAR或SBAS-InSAR)監測方法，得到平均形變速率及累積形變量；在形變變化稍大時，采用常規差分(D-InSAR)監測方法；而在地質災害突發爆發階段，此時地表發生劇烈較大形變(位移量達到或超過m級)，采用偏移量追蹤(Offset-SAR)監測方法，獲得災害發生時間內相對形變量。使用監測控制點測量數據對地表形變結果進行基準修正和精度驗證，結合地質、氣象等專業資料，綜合分析地表形變監測結果，開展了不低于20%的野外查證工作，從而實現測區內宏觀區域性地質災害形變觀測和篩查。InSAR處理成果大部分以柵格為主，經過分級設色表達后，以WMTS，WFS方式發布并接入地質災害隱患三維一張圖管理平臺，其主要處理流程如圖2(a)所示，表達效果如圖2(b)所示。可以直觀看出圖2(b)紅色區域InSAR反應強烈，通過形變趨勢分析發現地表累積形變量較大，表明該區域存在較大地質災害安全隱患。

圖2 InSAR數據處理流程及表達效果

2.2 機載Lidar獲取技術

機載LiDAR技術是基于高時空分辨率的新型測繪技術，能夠獲得高密度的點云數據，具有外業工作量小、精度高、內業處理速度快的特點，通過點云數據可以對地形地貌進行重塑，再結合地災隱患的發育特征，判斷地災隱患區域的范圍[6]。文中采用機載激光雷達掃描儀獲取了任務區內點云密度50～150點/m2的機載LiDAR數據和地面分辨率為0.2 m的航空影像，經過點云數據去噪、濾波、計算機自動分類和人工精細化分類等工作，制作了0.5 m格網間距的數字表面模型(DSM)、數字高程模型(DEM)成果，同時基于航空影像制作了0.2 m分辨率的數字正射影像(DOM)[7]。LiDAR處理成果為柵格類型，以山體陰影(Hillshade)的方式進行三維表達，采用3DTiles，WMTS方式發布并接入地質災害隱患三維一張圖管理平臺，其主要處理流程如圖3(a)所示，表達效果如圖3(b)所示?？梢钥闯黾t色虛線范圍內滑坡平面形態整體呈不規則形狀，滑坡邊界清晰，表面凹凸不平，局部存在塌陷，紋理特征粗糙。

圖3 LiDAR數據處理流程及表達效果

2.3 傾斜實景三維單體化建模技術

在九寨溝景區及周邊鄉鎮受威脅人數眾多的重大地質災害點連片區域，利用固定翼無人機獲取分辨率0.1 m的傾斜影像，在重點受威脅的居民點和基礎設施(如房屋建筑、主干道兩邊的護欄、未被植被完全遮擋的棧道護欄、廣場、雕塑、景區大門等)，利用旋翼無人機獲取分辨率0.04 m的傾斜影像。影像獲取后，采用均勻布點方式，基于傾斜影像進行野外像片控制測量，利用兩種不同分辨率的傾斜影像、像片控制測量成果，進行融合空中三角測量，提取特征點云，通過點云密集匹配、點云構網和紋理自動映射，構建精細的傾斜實景三維模型，并對實景三維模型進行必要的修飾[8]。最后，利用傾斜航空影像空中三角測量成果和修飾后的實景三維模型進行模型單體化，在立體環境下以“3D測圖”的方式或參照實景三維Mesh模型進行半自動化單體模型制作[9]，其主要處理流程如圖4(a)所示，表達效果如圖4(b)所示?？梢钥闯鲈撎幓聦χ苓吘用顸c、景區景觀、交通干線造成較大的安全隱患。

圖4 傾斜攝影數據處理流程及表達效果

2.4 全景影像地圖技術

針對地質災害重點防治區域內的重大地質災害隱患點、重大地質災害治理工程、人口密集場所、重要基礎設施，采用輕小型多旋翼無人機搭載云臺相機，在距離目標點60～120 m的低空進行定點懸停，并獲取目標區域全景照片，然后經過拼接合成、圖像精修等處理，形成全景影像，最后經過信息標注、符號定義等處理，對全景影像中豐富的圖載信息進行提取和表達，形成全景影像地圖，其主要處理流程如圖5(a)所示。

全景影像服務為柵格數據服務，為了將全景數據進行深入應用，文中將全景影像中的圖載信息矢量化為點、線、面等矢量要素，并對關鍵要素進行重點注釋說明，同時對影像中提取的所有信息進行綜合主觀分析得出解譯結論。地災信息標注是在具有虛擬空間透視關系的全景影像圖上，對各個地質災害隱患點可視內容進行主觀判斷分析，結合地質災害點勘察報告等專業資料對其勾畫邊界、錄入注記、要素分類、并文字注釋該幾何區域要表達的內容的過程，其中，要素分類按可視化樣式可分為“危險區”“危巖區”“危巖帶”“堆積體”等幾大類，文字注釋主要說明該幾何區域所包含的危險情況等信息。全景影像地圖需要在六面體場景中呈現以獲得視覺上的立體感，其表達效果如圖5(b)所示，黃色的虛線范圍表示這是一種崩塌類型的地質災害，可以明顯看出經過災害恢復重建，該處隱患點已經得到了較好的治理。

圖5 全景影像數據處理流程及表達效果

圖6 空間數據存儲引擎結構

3 服務發布

3.1 空間數據服務

文中空間數據需要既能實現完整矢量數據的前端渲染，又能適應互聯網的高速傳輸多種類型的存儲數據。經過反復對比和甄選，采用了前端動態簡化和矢量壓縮傳輸技術，設計了以PostgreSQL數據庫基礎、PostGIS空間擴展、PostgREST接口發布、IndexDB前端緩存的綜合數據存儲方案，該套存儲方案可以快速將空間數據入庫，還可以直接向系統應用層提供穩定、高效的空間查詢服務[10]。

PostGIS是PostgreSQL的空間擴展模塊，它增強空間數據庫的存儲管理能力，提供空間對象、空間索引、空間操作函數等空間信息服務功能，PostgreSQL的空間數據存儲機制，即將地理空間數據的結構化屬性數據以關系表的形式存儲到空間數據表的普通列中，再將PostgreSQL的擴展模塊PostGIS支持的Geometry對象列加入到空間數據表中作為其中一列，最后將地理空間數據的非結構化的空間數據構造成Geometry對象作為該列的值，實現空間數據和屬性數據的統一存儲。

3.2 全景影像服務

經過合成的全景影像數據量略微龐大，不利于軟件系統進行互聯網應用，采用全景影像服務發布工具將全景影像按照一定標準進行切換多細節層次(Level Of Details，LOD)緩存處理，再通過互聯網信息服務(Internet Information Services，IIS)將處理后的數據發布成全景影像服務[11]，見圖7。

圖7 全景影像服務發布流程

3.3 實景三維服務

傾斜攝影數據成果一般是OSGB(Open Scene Gragh Binary)格式，本系統在傾斜攝影數據可視化方面主要采用3DTiles技術，3DTiles是Cesium推出的Web環境下海量三維模型數據規范，它是一種格式公開的數據集，3DTiles數據集以分塊、分級渲染，將大數據量三維數據以分塊、分層的形式組織起來，可以大量減輕瀏覽器和GPU的負擔。為了便于數據管理和應用，將傾斜模型物理單體化為獨立個體，按地理實體進行分類，并將屬性存儲到BatchTable中，最終使各地理實體和屬性信息相關聯，實現對各地理實體的有效管理，實現各地理實體查詢、顯示、分析等常用操作,見圖8。

圖8 實景三維服務發布流程

4 平臺研發

4.1 工藝流程

地質災害隱患一張圖三維管理平臺采用B/S架構，開發語言采用TypeScript,開發工具采用Visual Studio Code，地圖服務采用開放地理空間信息聯盟(Open Geospatial Consortium，OGC)標準規范，如WMS、WMTS、3D-Tiles等格式，三維可視化組件基于Cesium開源框架進行深度定制開發，數據庫采用PostgreSQL，空間數據存儲采用PostGIS擴展空間數據引擎，數據服務采用PostgREST技術通過RESTful API接口對外提供，軟件平臺和部分數據服務通過IIS進行發布(見圖9)。

圖9 三維一張圖管理平臺開發流程

4.2 平臺功能

平臺在災區重點地質災害點傾斜實景三維模型和全景影像地圖建設基礎上，結合地質災害調查成果信息，建設具有查詢、統計、分析和三維管理功能的地質災害隱患點三維管理系統，主要包括功能模塊：三維場景瀏覽模塊、三維數據加載模塊、三維查詢搜索模塊、三維量測分析模塊、監測傳感器接入模塊、地層結構可視化模塊、臨災避險模擬模塊、全景影像標注模塊、全景地圖瀏覽模塊(見圖10)。

圖10 地質災害隱患一張圖建設成果

1)三維場景瀏覽模塊。以數字地球為載體，支持用戶在真實三維空間里進行縮放、平移等操作，并提供全圖顯示、二三維模式切換、比例尺、指北針、鼠標坐標信息等輔助工具。

2)三維數據加載模塊。以數據類型為驅動引擎，在三維空間中實時渲染地質災害隱患點分布數據、全景監測點數據、地質災害工程治理點數據、傾斜攝影數據等多源異構數據。

3)三維查詢檢索模塊。在三維空間中以關鍵字檢索地質災害隱患名稱，并可以快速縮放至目標點位置；支持按照地質災害隱患類型進行圖面分類渲染，圖面對象點擊可以查詢地質災害隱患點詳細信息。

4)三維量測分析模塊。在平面模式下支持線段距離量算，矩形、多邊形等幾何形狀的面積量算；在三維模式下支持貼地線段距離量算，貼地面、貼地矩形等表面積量算，土石方量體積估算；支持地形坡度、地形坡向、地形剖面、可視域分析、日照分析等高級分析工具。

5)監測傳感器接入模塊。按照《四川地質災害專業監測預警數據交換技術》文件標準進行了接口實現，支持對現有地質災害專業監測物聯網傳感器進行接入，并在實景三維場景中進行動態表達和分析。

6)地層結構可視化。根據地質圖、地質鉆孔等專業資料，在平臺中對九寨溝地區的地質地層結構進行形象直觀融合。

7)臨災避險模擬模塊。按照地質災害隱患區域臨災避險預案，在已知災害點、障礙點和臨災避險場所的情況下，采用路徑分析技術實現了臨災避險路線動態計算和三維場景下逃生動畫模擬。

8)全景影像標注模塊。支持根據地質災害專業調查資料通過全景影像對圖面進行圖載信息提取，支持通過“幾何+屬性”的模式在全景影像上進行標注；支持對當前地質災害隱患點治理情況添加形象進度說明。

9)全景地圖瀏覽模塊。支持按照要素分類表達樣式對全景解譯要素數據進行渲染，可以直觀瀏覽查看全景監測點專業解譯情況，支持用戶通過關鍵字檢索目標全景，支持注記和要素的顯示與關閉，支持多期全景的多屏對比分析。

4.3 關鍵技術

1)三維一張圖場景按需組裝技術。地形級實景三維主要用于現實世界三維可視化與空間量算，服務區域宏觀規劃；城市級實景三維主要用于現實世界精細化表達與空間統計分析，服務精細化管理[12]。文中以“數據驅動、按需服務”為理念，研究以數據資源類型為驅動方式的城市級實景三維地理場景按需組裝表達方法，構建了“能派生、能定制”的驅動協議、表達方法和服務體系，針對不同數據類型的自然地理實體，按照服務接入方式的不同，制定專用類型驅動策略，基于數據目錄實現場景按需組裝，滿足個性化、多品種、小批量、快速反應及平臺化協作的需求，做到常規地理信息的隨時獲取、隨時處理、隨時共享、隨時應用[13](見圖11)。

圖11 場景按需組裝技術示意

2)三維一張圖快速部署技術。地質災害隱患三維一張圖管理平臺整體采用B/S架構，通過應用服務器進行發布，在互聯網環境下運行[14]?？紤]到平臺所涉及的傾斜三維模型和全景影像數據服務數據量龐大，為了便于遷移和部署，兼顧不同網絡環境(互聯網、政務網、內部網)下的應用，系統所有成果均采用Hyper-V虛擬機技術進行部署，即：將所有資源存儲在虛擬磁盤(Virtual Hard Disk，VHD)或VHDX虛擬硬盤的操作系統中，在需要部署時只需要拷貝VHD或VHDX虛擬磁盤至目標服務器，掛接虛擬機，配置網絡，即可完成快速部署[15](見圖12)。

圖12 平臺快速部署方式示意

3)三維一張圖快速分發技術。地質災害隱患三維一張圖管理平臺完成部署后，用戶可以通過網絡鏈接進行訪問和使用，為了避免瀏覽器環境帶來的用戶體驗差異，文中采用Electron技術將系統核心功能打包為EXE可執行程序(包含瀏覽器運行環境)進行分發(見圖13)。

圖13 平臺快速分發技術示意

5 結束語

“8·8”九寨溝地震引發的地質災害主要表現為點多、面廣，規模相對較小，災害更加隱蔽。傳統人工排查方式僅能發現局部地表災情，而本次地震造成的地質災害及隱患卻更多位于地形陡峭、巖體破碎帶區域，該部分災害隱蔽性強、隨機性大，傳統排查技術手段難以奏效，調查人員難以到達，為此，探索運用新技術、新方法十分必要。文中同時將多項遙感新技術應用于大型景區地質災害防治中，在我國內尚屬首次。通過地質災害“三查”[14]工作，為地質災害防治提供了極為重要的三維空間數據，可以滿足地質災害防治、應急管理等對精準、直觀地顯示三維立體全方位地理信息服務的需要。地質災害隱患三維一張圖場景可以為該區域的災害調查、分析、評價等工作提供直觀的、信息豐富的環境分析。通過文中的研究，構建了地質災害隱患一張圖三維管理平臺，為九寨溝災后重建提供災區地災重點防治區域的地質環境三維場景支持,滿足了地質災害三維管理與分析工作需要，同時也為存在地災風險的其他景區、受地質災害威脅的人口聚居區或有地質災害防治需求的區域，提供了一套防治和應急管理方案。