基于3D WebGIS技术的地质灾害监测预警研究
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摘要
地质灾害监测预警是地质灾害风险评价和风险管理的主要内容之一，是提升主动应对地质灾害能力的重要手段。随着社会和经济的高速发展，人类不断向山区寻求发展空间，造成地质灾害的发生越来越频繁，损失也越来越巨大。西南地区地质条件极为复杂，是我国受地质灾害影响最为强烈的地区之一，并且近年来又受到地震的影响（如5.12汶川地震），面临着更多复杂因素作用下的地质灾害问题。WebGIS、三维可视化技术及监测数据实时传输技术等，可极大地促进防灾减灾的信息化水平。因此，结合3D WebGIS等技术，开展地质灾害监测预警研究，具有重要的理论意义和实用价值。本文在这一领域做了有益的探讨，取得了以下主要成果和结论：
（1）初步建立了较为完善的地质灾害综合监测自动预警方法体系，系统地阐述了地质灾害监测预警的实施步骤。
地质灾害监测预警以监测为主要手段，以监测数据的实时获取为灾害体稳定性快速评价及动态预警的基础，以综合监测预警方法的建立为核心，最终实现提升主动应对地质灾害的能力。四者组成了一个有机的系统，即地质灾害监测预警可遵循“地质灾害监测预警方法研究→地质灾害多源数据库构建→三维空间展示平台开发→远程监测数据实时传输网络→综合监测预警系统”的流程。围绕上述内容，展开论文关键技术的研究，并开发了相应的系统程序，实现了地质灾害实时动态监测预警等功能。
（2）通过对实例应用中单点与多点监测数据预处理方法分析的基础上，利用地质灾害常用的预警方法，结合到西南地区的历史数据构建了崩滑流地质灾害的预警判据，特别是建立了泥石流灾害的“雨强-累积雨量基准线”判据条件。以此为基础，选取其主要判据作为综合预警等级评价因子，建立了基于模糊数学原理的崩滑流地质灾害综合监测预警模型。
（3）研究并开发了基于3D WebGIS技术的地质灾害综合信息管理及展示平台，集空间地理数据与各类属性信息于一体，提供直观、真实的三维实景漫游等功能，实现了地质灾害海量数据的集成与共享。
①提出了以OpenGL通用图形接口建立地形三维模型，以高清航片作为纹理数据，快速获取效果逼真的三维实景图的方法，为实现地质灾害海量的遥感影像与大规模地形数据有机融合奠定了基础。
②通过利用数据压缩、瓦片金字塔及四叉树检索等技术与方法，实现了地质灾害海量空间数据的有效组织与管理；通过采用视锥体裁剪技术结合到LOD动态生成的空间数据调度方法，加快了大规模空间数据的渲染速度。
③通过建立空间数据分布式存储系统，并对集群服务器负载均衡算法（加权最小连接法）进行了修正，根据各个服务器节点动态负载情况的综合评估结果，进行用户请求的合理分配，提高了空间数据的传输效率。通过发布REST服务，实现了地质灾害空间信息共享。
④提出了地质灾害多源数据库的构建方法，其可遵循“原始数据采集→数据有效性整理、筛选→确定地质灾害分类标准→地质灾害属性数据项→管理软件及硬件配置→空间与属性数据库设计”的流程，实现了地质灾害空间属性等多源数据的集成。
⑤采用UML静态图建立地质灾害隐患点空间属性信息管理的处理方法、约束条件及相关联系，设计了地质灾害多源数据库结构，并探索了基于地质灾害信息多维模型，利用ETL工具设计并实现面向地质灾害主题分析数据仓库的方法。
（4）研究并建立了基于物联网技术的地质灾害综合监测数据传输网络，实现了由无线监测传感器网络（WSN）、数据远程传输网络及地质灾害监测预警中心网络构成的三网一体的监测数据实时传输体系。
①WSN以各种传感器为监测节点，基于无线通信协议建立具有自组织、动态变化特征的局域网络系统，再通过汇聚节点接入监测数据远程传输网络。
②综合对比分析GPRS/CDMA、3G网络与北斗卫星通信在远程数据传输上的优劣，得出：GPRS等网络具有实时的高效传输效率、组网方便、且费用较低，但受到基站的限制；北斗卫星无信号盲区，但受到信息容量与时间间隔的限制。为此，建立了以GPRS/CDMA、3G网络通信为主，北斗一号卫星传输为辅的多元、多通道的地质灾害监测数据传输网络。实际应用证明该方案效果最佳。
③建立了一套较全面的地质灾害监测数据编码体系，开发了多维异构监测数据集成终端的系统服务，实现了各种监测传感器协同工作，满足地质灾害实时动态预警对监测数据采集、传输及汇聚一体化的要求。
（5）集成上述研究成果，综合运用GIS技术、数据库技术等，开发了基于网络环境条件下的地质灾害实时动态监测预警系统，实现了地质灾害三维真实地形展示、信息查询、数据分析、实时监测、自动预警等功能。
（6）以贵州省开阳磷矿区与四川省“三大片区”地质灾害监测示范区为例，对地质灾害监测预警系统进行了试应用。通过2012年雨季的考验，显示系统能够及时反映灾害体的动态变形情况，并成功预警了8月17日暴发的文家沟泥石流与走马岭泥石流，证明了系统功能基本可行。该应用结果亦检验并支持了此项研究的理论性及实用性。
Early warning of geohazard ascts as one of the main contents of hazard riskassessment and management, in addition to its important role in improving theactively responding ability of human beings to control and mitigate geohazards. Withthe rapid economic growth, human beings keep expanding their living space tomountain areas. Geohazards, resultantly, occur more and more frequently in recentyears than ever before, causing catastrophic economic losses and fatalities. TheSouthwest of China is one of the most affected regions by such events, where thecomplicated geological condition exists and gestates earthquakes (e.g., the5.12Wenchuan Earthquake). Geohazards such as debris flow and landslides keep beingbrought to reality with complicated development and failure mechanism. Informationfor disaster prevention and mitigation has been largely promoted by3D visualizationtechnology of WebGIS and real-time transmission of monitoring data. Research intoearly warning of geohazard with3D WebGIS technology, therefore, appears to be ofgreat significance, both theoretical and practical, for mitigating geological disaster. Inthe present research, reasonable analysis, interpretation and discussion have beencarried out in this dependency, and major outcomes are given as follows:
(1) An integrated methodology for geohazard automatic monitoring and warningsystem has been established.
Early warning of geohazards takes monitoring as the main approach, and thereal-time monitoring data as the fundamental for stability analysis of geohazardfeatures, and aims to improve the active response of human beings to geohazards. Forachieving a robust geohazard early monitoring system, the workflow below is putforward, methods of early warning→database establishment→3D display platform→remote monitoring data transmission network→early warning system. The PhDstudy is progressed by following this workflow and efforts are put on the keytechnologies, developing the relevant program and system in order to realize earlywarning of geological disaster.
(2) Based on analyzing the pre-processing method for data from single/multiplemonitoring points, and the historical data of southwest China, a warning criteria system is established for landslides. An integrated methodology for early warningmodel of geohazards has then been established according to the fuzzy mathematicalprinciples with selection of main criterions as indexes of comprehensive warning.
(3) The management and display platform for geohazard information has beendeveloped based on3D WebGIS technology, which contains kinds of spatial andattribute data and provides fuctions, real3D roaming for example.
①An approach to fast building3D image by taking OpenGL interface and highresolution aerial photo as texture data has been proposed, which makes the foundationof integration of huge number of remote-sensing images and topography data.
②Large volume spatial data have been visibly managed by data compression,tile-pyramid and quadtree retrieval. Velocity of displaying huge number of spatial datahas been accelerated by surface culling in the view frustum together with dynamiccreation of Level of Detail (LOD).
③Spatial data transmission has been improved by distributed storage systemand the revised load-balancing algorithm of server cluster (weighted least-connectionscheduling). Finally, Sharing of spatial data has been realized by RepresentationalState Transfer (REST) service.
④Multi-source database is built according to the following process, datacollection→data sources analysis→landslide type selection→landslideparameters slection→hardware and software→database generation.
⑤A static structure of geohazard data is designed using the Unified ModelingLanguage (UML) to establish the forms, methods, restrictions and relationships. Inaddition, the muti-dimentional geohazard model has been discussed and ExtactTransform and Load (ETL) tool has been used to design the data warehouse forgeohazard by means of subject-oriented analysis method.
(5) An automatic monitoring network for geohazards composed of WirelessSensor Network (WSN), data remote transmission and monitoring center, has beenestablished based on Internet of Things technology.
①Based on wireless communication protocol, a local network containingself-organization and changeable features has been established, which is connected toremote network by sink node.
②GPRS/CDMA compares favorably with Beidou satellite system in terms ofefficiency, simplicity and expenses, while its usage is restricted by base station. Onthe contrary, Beidou satellite system has no regional restriction, but is limited by data capacity and interval. Geological remote network is finally designed into amuti-channel network, which takes GPRS/CDMA and3G network as the primary andBeidou satellite system as the supplement. This combination has been proved efficientin practice.
③An integrated terminal for multi-dimensional data has been developed by thecode system of monitoring data to synchronously realize data collection, transmissionand concentration.
(5) Based on the findings mentioned above, tnternet-based early warning systemfor geohazards has been developed, which is combined with3D topography display,information query, analysis, real-time monitoring and automatic warning by database,GIS technology and so on.
(6) The monitoring and early warning system of geohazards was applied in thestudied areas, Kaiyang of Guizhou province and three regions in Sichuan province(Yingxiu, Longchi and Qingping) during the period of rainy season in this year (2012).The result shows that the deformation condition can be obtained in time. It hassuccessfully warned the Wen-jiagou and Zou-maling debris flows on August17,shoing its applicability. This also testifies and supports, theoretically and practically,the methodoly in this study.
（1）初步建立了较为完善的地质灾害综合监测自动预警方法体系，系统地阐述了地质灾害监测预警的实施步骤。
地质灾害监测预警以监测为主要手段，以监测数据的实时获取为灾害体稳定性快速评价及动态预警的基础，以综合监测预警方法的建立为核心，最终实现提升主动应对地质灾害的能力。四者组成了一个有机的系统，即地质灾害监测预警可遵循“地质灾害监测预警方法研究→地质灾害多源数据库构建→三维空间展示平台开发→远程监测数据实时传输网络→综合监测预警系统”的流程。围绕上述内容，展开论文关键技术的研究，并开发了相应的系统程序，实现了地质灾害实时动态监测预警等功能。
（2）通过对实例应用中单点与多点监测数据预处理方法分析的基础上，利用地质灾害常用的预警方法，结合到西南地区的历史数据构建了崩滑流地质灾害的预警判据，特别是建立了泥石流灾害的“雨强-累积雨量基准线”判据条件。以此为基础，选取其主要判据作为综合预警等级评价因子，建立了基于模糊数学原理的崩滑流地质灾害综合监测预警模型。
（3）研究并开发了基于3D WebGIS技术的地质灾害综合信息管理及展示平台，集空间地理数据与各类属性信息于一体，提供直观、真实的三维实景漫游等功能，实现了地质灾害海量数据的集成与共享。
①提出了以OpenGL通用图形接口建立地形三维模型，以高清航片作为纹理数据，快速获取效果逼真的三维实景图的方法，为实现地质灾害海量的遥感影像与大规模地形数据有机融合奠定了基础。
②通过利用数据压缩、瓦片金字塔及四叉树检索等技术与方法，实现了地质灾害海量空间数据的有效组织与管理；通过采用视锥体裁剪技术结合到LOD动态生成的空间数据调度方法，加快了大规模空间数据的渲染速度。
③通过建立空间数据分布式存储系统，并对集群服务器负载均衡算法（加权最小连接法）进行了修正，根据各个服务器节点动态负载情况的综合评估结果，进行用户请求的合理分配，提高了空间数据的传输效率。通过发布REST服务，实现了地质灾害空间信息共享。
④提出了地质灾害多源数据库的构建方法，其可遵循“原始数据采集→数据有效性整理、筛选→确定地质灾害分类标准→地质灾害属性数据项→管理软件及硬件配置→空间与属性数据库设计”的流程，实现了地质灾害空间属性等多源数据的集成。
⑤采用UML静态图建立地质灾害隐患点空间属性信息管理的处理方法、约束条件及相关联系，设计了地质灾害多源数据库结构，并探索了基于地质灾害信息多维模型，利用ETL工具设计并实现面向地质灾害主题分析数据仓库的方法。
（4）研究并建立了基于物联网技术的地质灾害综合监测数据传输网络，实现了由无线监测传感器网络（WSN）、数据远程传输网络及地质灾害监测预警中心网络构成的三网一体的监测数据实时传输体系。
①WSN以各种传感器为监测节点，基于无线通信协议建立具有自组织、动态变化特征的局域网络系统，再通过汇聚节点接入监测数据远程传输网络。
②综合对比分析GPRS/CDMA、3G网络与北斗卫星通信在远程数据传输上的优劣，得出：GPRS等网络具有实时的高效传输效率、组网方便、且费用较低，但受到基站的限制；北斗卫星无信号盲区，但受到信息容量与时间间隔的限制。为此，建立了以GPRS/CDMA、3G网络通信为主，北斗一号卫星传输为辅的多元、多通道的地质灾害监测数据传输网络。实际应用证明该方案效果最佳。
③建立了一套较全面的地质灾害监测数据编码体系，开发了多维异构监测数据集成终端的系统服务，实现了各种监测传感器协同工作，满足地质灾害实时动态预警对监测数据采集、传输及汇聚一体化的要求。
（5）集成上述研究成果，综合运用GIS技术、数据库技术等，开发了基于网络环境条件下的地质灾害实时动态监测预警系统，实现了地质灾害三维真实地形展示、信息查询、数据分析、实时监测、自动预警等功能。
（6）以贵州省开阳磷矿区与四川省“三大片区”地质灾害监测示范区为例，对地质灾害监测预警系统进行了试应用。通过2012年雨季的考验，显示系统能够及时反映灾害体的动态变形情况，并成功预警了8月17日暴发的文家沟泥石流与走马岭泥石流，证明了系统功能基本可行。该应用结果亦检验并支持了此项研究的理论性及实用性。
Early warning of geohazard ascts as one of the main contents of hazard riskassessment and management, in addition to its important role in improving theactively responding ability of human beings to control and mitigate geohazards. Withthe rapid economic growth, human beings keep expanding their living space tomountain areas. Geohazards, resultantly, occur more and more frequently in recentyears than ever before, causing catastrophic economic losses and fatalities. TheSouthwest of China is one of the most affected regions by such events, where thecomplicated geological condition exists and gestates earthquakes (e.g., the5.12Wenchuan Earthquake). Geohazards such as debris flow and landslides keep beingbrought to reality with complicated development and failure mechanism. Informationfor disaster prevention and mitigation has been largely promoted by3D visualizationtechnology of WebGIS and real-time transmission of monitoring data. Research intoearly warning of geohazard with3D WebGIS technology, therefore, appears to be ofgreat significance, both theoretical and practical, for mitigating geological disaster. Inthe present research, reasonable analysis, interpretation and discussion have beencarried out in this dependency, and major outcomes are given as follows:
(1) An integrated methodology for geohazard automatic monitoring and warningsystem has been established.
Early warning of geohazards takes monitoring as the main approach, and thereal-time monitoring data as the fundamental for stability analysis of geohazardfeatures, and aims to improve the active response of human beings to geohazards. Forachieving a robust geohazard early monitoring system, the workflow below is putforward, methods of early warning→database establishment→3D display platform→remote monitoring data transmission network→early warning system. The PhDstudy is progressed by following this workflow and efforts are put on the keytechnologies, developing the relevant program and system in order to realize earlywarning of geological disaster.
(2) Based on analyzing the pre-processing method for data from single/multiplemonitoring points, and the historical data of southwest China, a warning criteria system is established for landslides. An integrated methodology for early warningmodel of geohazards has then been established according to the fuzzy mathematicalprinciples with selection of main criterions as indexes of comprehensive warning.
(3) The management and display platform for geohazard information has beendeveloped based on3D WebGIS technology, which contains kinds of spatial andattribute data and provides fuctions, real3D roaming for example.
①An approach to fast building3D image by taking OpenGL interface and highresolution aerial photo as texture data has been proposed, which makes the foundationof integration of huge number of remote-sensing images and topography data.
②Large volume spatial data have been visibly managed by data compression,tile-pyramid and quadtree retrieval. Velocity of displaying huge number of spatial datahas been accelerated by surface culling in the view frustum together with dynamiccreation of Level of Detail (LOD).
③Spatial data transmission has been improved by distributed storage systemand the revised load-balancing algorithm of server cluster (weighted least-connectionscheduling). Finally, Sharing of spatial data has been realized by RepresentationalState Transfer (REST) service.
④Multi-source database is built according to the following process, datacollection→data sources analysis→landslide type selection→landslideparameters slection→hardware and software→database generation.
⑤A static structure of geohazard data is designed using the Unified ModelingLanguage (UML) to establish the forms, methods, restrictions and relationships. Inaddition, the muti-dimentional geohazard model has been discussed and ExtactTransform and Load (ETL) tool has been used to design the data warehouse forgeohazard by means of subject-oriented analysis method.
(5) An automatic monitoring network for geohazards composed of WirelessSensor Network (WSN), data remote transmission and monitoring center, has beenestablished based on Internet of Things technology.
①Based on wireless communication protocol, a local network containingself-organization and changeable features has been established, which is connected toremote network by sink node.
②GPRS/CDMA compares favorably with Beidou satellite system in terms ofefficiency, simplicity and expenses, while its usage is restricted by base station. Onthe contrary, Beidou satellite system has no regional restriction, but is limited by data capacity and interval. Geological remote network is finally designed into amuti-channel network, which takes GPRS/CDMA and3G network as the primary andBeidou satellite system as the supplement. This combination has been proved efficientin practice.
③An integrated terminal for multi-dimensional data has been developed by thecode system of monitoring data to synchronously realize data collection, transmissionand concentration.
(5) Based on the findings mentioned above, tnternet-based early warning systemfor geohazards has been developed, which is combined with3D topography display,information query, analysis, real-time monitoring and automatic warning by database,GIS technology and so on.
(6) The monitoring and early warning system of geohazards was applied in thestudied areas, Kaiyang of Guizhou province and three regions in Sichuan province(Yingxiu, Longchi and Qingping) during the period of rainy season in this year (2012).The result shows that the deformation condition can be obtained in time. It hassuccessfully warned the Wen-jiagou and Zou-maling debris flows on August17,shoing its applicability. This also testifies and supports, theoretically and practically,the methodoly in this study.
引文
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