肖宏宇,杜志強,朱 慶,王 薇,林月冠

（1.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；3.民政部 減災(zāi)應(yīng)急工程重點實驗室，北京 100124）

我國是世界上自然災(zāi)害頻發(fā)，且遭受影響最為嚴(yán)重的國家之一[1]。我國的自然災(zāi)害呈現(xiàn)種類多、分布廣、頻率高、損失重等特點，而應(yīng)對重大自然災(zāi)害更具有多目標(biāo)、多因素、群決策等特點[2]，這些特點導(dǎo)致災(zāi)害應(yīng)急決策過程極其復(fù)雜，決策后果影響深遠(yuǎn)。應(yīng)急災(zāi)害風(fēng)險評估準(zhǔn)確性不足，抗震救災(zāi)及其他有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医M應(yīng)急決策滯后，都會對初期科學(xué)應(yīng)對災(zāi)害造成不利影響。究其原因是地方政府和基層組織的應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)不完善甚至不存在，災(zāi)害發(fā)生時中央與地方信息脫節(jié)或存在重大偏差，同時，災(zāi)害發(fā)生后在統(tǒng)一地點組織多專業(yè)、多領(lǐng)域、多層次專家召開災(zāi)情研判會議耗時耗力，應(yīng)急反應(yīng)能力嚴(yán)重不足。由此可見，建立一套中央與地方之間完整、準(zhǔn)確、高效的應(yīng)急災(zāi)情研判系統(tǒng)，以及政府部門與專家組之間快速、協(xié)調(diào)、有效的協(xié)同工作環(huán)境，對最大程度地減少人員傷亡、減輕經(jīng)濟損失和社會影響至關(guān)重要。

1 協(xié)同研判系統(tǒng)

計算機支持的協(xié)同工作（computer support cooperative work，CSCW）技術(shù)的出現(xiàn)使得信息社會中人們工作方式的群體性、交互性、分布性和協(xié)作性得到極大的提升[3,4]，而基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，不僅可以實現(xiàn)信息資源共享、支持處理與大規(guī)模協(xié)作過程中的數(shù)據(jù)共享，也可以有效實現(xiàn)異質(zhì)和地理上分散環(huán)境的通訊[5]。這些都為中央與地方減災(zāi)部門之間實現(xiàn)快速信息互通、快速資源共享、快速協(xié)同行動創(chuàng)造了條件。同時，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式協(xié)同研判方式也已成為復(fù)雜災(zāi)情問題多層次決策的主要趨勢。

針對國家、省級減災(zāi)中心災(zāi)害研判分析過程中相互間缺乏災(zāi)情信息交流、災(zāi)情標(biāo)繪信息誤差大、先制圖后研判導(dǎo)致決策應(yīng)急性不足等問題，以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為支撐，設(shè)計實現(xiàn)了分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)。通過建立協(xié)同工作運行環(huán)境，強化災(zāi)情標(biāo)繪操作互通、互聯(lián)、互操作能力，加速標(biāo)繪信息的交流，提高標(biāo)繪信息的可靠性與實效性[6]。同時，參照主流的地圖協(xié)同標(biāo)繪原理，采用了“主席-聽眾”的管理模式，使各領(lǐng)域?qū)＜业榷嘟巧g充分進(jìn)行溝通，有效開展協(xié)同標(biāo)繪與研判分析工作，及時完成防災(zāi)減災(zāi)策略制定。

目前，災(zāi)害應(yīng)急管理過程中的協(xié)同研判主要包含2種不同的業(yè)務(wù)層面[7]。第一個層面為廣義的協(xié)同研判，也稱為大綜合層次，需要災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)、天空地數(shù)據(jù)等都參與到協(xié)同過程中，多學(xué)科專家都參與到過程中，是一個多層次、多類型綜合性的協(xié)同研判過程；另一個層面為狹義的協(xié)同研判，主要是在研判過程中，多工種、上下游之間的協(xié)同與研判。分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)主要針對第一個層面的協(xié)同研判，因此，采用適應(yīng)于綜合減災(zāi)業(yè)務(wù)的“主席-聽眾”協(xié)同研判模式。圖1展示了該模式的具體結(jié)構(gòu)以及“主席”和“聽眾”的任務(wù)和權(quán)限。

“主席-聽眾”模式也適用于中央與省級減災(zāi)中心的多層次協(xié)同。系統(tǒng)獲取并共享災(zāi)害事件信息，各級指揮人員可以協(xié)調(diào)使用所需要的災(zāi)害遙感影像等資源。在國家級和省級指揮中心進(jìn)行不同層次和不同中心之間的多層次協(xié)同或跨部門協(xié)作，同時進(jìn)行多事件協(xié)調(diào)、計劃與管理。

圖1 “主席-聽眾”協(xié)同研判模式

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框架

分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)在綜合減災(zāi)信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐下由研判層和交互層2個功能層以及1個數(shù)據(jù)層組成，系統(tǒng)總體框架見圖2。

圖2 分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)總體框架

2.2 功能模塊設(shè)計

1）交互功能層。主要包括6個模塊。其中，數(shù)據(jù)接入模塊負(fù)責(zé)接入標(biāo)繪過程所需的災(zāi)情現(xiàn)場數(shù)據(jù)、遙感底圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)等，主要包括TIF、IMG、SHP、DWG等數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對接入的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、投影變換、拓?fù)渲亟ā⑼该鞫忍幚淼炔僮?；?shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)以工作空間文件、數(shù)據(jù)源文件的形式管理不同層級的數(shù)據(jù)，以及對標(biāo)繪過程中的圖層進(jìn)行管理；分布式協(xié)同標(biāo)繪環(huán)境構(gòu)建模塊面向多客戶端用戶，負(fù)責(zé)構(gòu)建災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同標(biāo)繪環(huán)境，包括完整統(tǒng)一的標(biāo)繪命令、標(biāo)繪工具和圖元信息等；協(xié)同交互模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)客戶端與服務(wù)器之間的通信連接、數(shù)據(jù)傳輸、信息發(fā)送和請求響應(yīng)等操作，為多源信息一體化顯示模塊提供數(shù)據(jù)交互、同步功能；多源數(shù)據(jù)一體化顯示模塊將遙感數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)在二維窗口進(jìn)行有序組合，并進(jìn)行一體化顯示，實現(xiàn)災(zāi)情信息和標(biāo)繪信息的直觀表達(dá)。

2）研判功能層。主要包括5個模塊。其中，任務(wù)調(diào)度管理模塊實現(xiàn)用戶間的溝通和討論，獲得工作區(qū)、工作流、任務(wù)描述等信息，進(jìn)行標(biāo)繪與研判任務(wù)調(diào)度管理；災(zāi)情研判分析模塊從資源管理與案例庫構(gòu)建模塊中讀取每個時刻的研判信息，并進(jìn)行分析統(tǒng)計；研判資源管理與案例庫構(gòu)建模塊負(fù)責(zé)讀取研判過程所需的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像、地方上報數(shù)據(jù)、歷史案例庫、應(yīng)急決策綜合知識庫等，并提供給災(zāi)情研判分析模塊，同時將研判結(jié)果、過程記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，生成歷史案例庫；應(yīng)急救災(zāi)決策推理與優(yōu)化模塊負(fù)責(zé)集成救災(zāi)決策應(yīng)急模型、救災(zāi)資源需求模型、救災(zāi)資源應(yīng)急調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型、應(yīng)急救災(zāi)方案評價知識模型、災(zāi)民緊急疏散計算機仿真模型等，在不確定、不完整、時變信息條件下推理得到救災(zāi)方案，為應(yīng)急救災(zāi)提供類型、數(shù)量、時間排序、空間分布等災(zāi)害應(yīng)急救災(zāi)需求建議方案；研判過程記錄模塊負(fù)責(zé)讀取資源管理與案例庫保存的研判過程操作記錄，生成災(zāi)情研判分析報告。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 任務(wù)區(qū)劃

災(zāi)情協(xié)同標(biāo)繪的首要工作是對遙感影像進(jìn)行任務(wù)區(qū)劃分，標(biāo)繪人員根據(jù)統(tǒng)一任務(wù)分配確定作業(yè)區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)的損毀目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪。災(zāi)情標(biāo)繪與研判的對象是房屋、道路、基礎(chǔ)設(shè)施等承災(zāi)體，以及滑坡、泥石流、堰塞湖等致災(zāi)因子，這些對象均具有個體完整性、群體關(guān)聯(lián)性、分布不均勻性的特點。通過坐標(biāo)、分塊大小、分塊數(shù)目等參數(shù)定義的影像分塊分區(qū)方法和通過比例尺、經(jīng)緯度控制的影像分幅分區(qū)方法均會對標(biāo)繪對象造成個體完整性破壞和關(guān)聯(lián)信息損失，并且不適合高清遙感影像提供的小范圍研判目標(biāo)的任務(wù)區(qū)劃分。

利用掩膜多邊形方法進(jìn)行影像任務(wù)區(qū)劃，靈活的多邊形繪制既可以避免重要地物被分隔，也可以將關(guān)聯(lián)對象集中歸類，對無關(guān)信息進(jìn)行剔除，同時適應(yīng)了標(biāo)繪對象群分布不規(guī)則的特點。掩膜多邊形任務(wù)區(qū)劃方法中，掩模是由0和1組成的二進(jìn)制圖像，1值區(qū)域被處理，0值區(qū)域被屏蔽[8]。通過繪制不規(guī)則多邊形構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域掩膜圖像，此圖像和遙感底圖疊加，利用圖像算數(shù)運算乘法原理實現(xiàn)目標(biāo)提取，結(jié)果影像圖落在掩膜區(qū)域內(nèi)的為原值，落在區(qū)域外的均為0，如圖3所示，運算方法如下：

圖3 掩膜多邊形受災(zāi)目標(biāo)區(qū)分割

3.2 并發(fā)控制

分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)的一大特點是動態(tài)性，主要體現(xiàn)在災(zāi)情標(biāo)繪數(shù)據(jù)的實時上傳和共享。由多個業(yè)務(wù)員同時訪問和操作共享必然會引起并發(fā)控制的問題，這種問題的解決主要從控制級和領(lǐng)域級著手，前者關(guān)心的是對沖突的預(yù)防，后者關(guān)心的是如何解決已產(chǎn)生的沖突[9]。

并發(fā)控制機制通常包括事務(wù)協(xié)議加鎖協(xié)議、串行協(xié)議、令牌環(huán)協(xié)議等[10]?！爸飨?聽眾”模式即是一種令牌環(huán)協(xié)議，通過設(shè)置“主席權(quán)限”和“聽眾權(quán)限”來區(qū)分用戶的不同角色。分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)源文件承載，業(yè)務(wù)員通過添加共享數(shù)據(jù)源文件獲取對應(yīng)作業(yè)員的標(biāo)繪進(jìn)展、成果、評判標(biāo)準(zhǔn)等信息?！奥牨姍?quán)限”的業(yè)務(wù)員只能對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，無法編輯修改標(biāo)繪數(shù)據(jù)，需要修改共享數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)員通過向“主席權(quán)限”角色發(fā)送請求，獲得權(quán)限后可以進(jìn)行標(biāo)繪信息修改。該方法是一種控制級的沖突解決辦法，旨在通過管理模式減少沖突的產(chǎn)生。

但是，受專業(yè)知識背景、工作經(jīng)驗等因素的影響，業(yè)務(wù)員對同一受災(zāi)區(qū)目標(biāo)損毀程度的評判存在差異，差異偏大將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致，此時，需要對有沖突的操作進(jìn)行手工干預(yù)[11]。可以通過發(fā)送疑似案例，進(jìn)行可信度判定、協(xié)商判定、仲裁評定消除沖突。其中，可信度判定是指依據(jù)用戶在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的專業(yè)知識背景區(qū)分提供信息人員的可信度，進(jìn)行優(yōu)先級排序，首選可信度高的人員提供的信息；協(xié)商判定是指由信息提供人員之間進(jìn)行協(xié)商討論，提交有共識的可信度最高的信息；仲裁評定是指把不同領(lǐng)域?qū)＜規(guī)胗懻?，由他們進(jìn)行評定。

3.3 協(xié)同標(biāo)繪

分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)最重要的內(nèi)容就是協(xié)同工作條件下災(zāi)情信息的標(biāo)繪與標(biāo)注。系統(tǒng)以工作空間、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)集3個層級的方式管理標(biāo)繪數(shù)據(jù)，其中，工作空間由數(shù)據(jù)源組成，數(shù)據(jù)源由數(shù)據(jù)集組成，數(shù)據(jù)集分為點、線、面、文本、影像、CAD等多種格式類型，在多源數(shù)據(jù)一體化顯示時，1個數(shù)據(jù)集即為1個圖層。

在協(xié)同標(biāo)繪過程中，具有標(biāo)繪權(quán)限的角色在標(biāo)繪對象上增加、刪除、修改、移動點、線、面等矢量圖形，以及圖標(biāo)、文字等標(biāo)注符號，繪制數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中自動保存，一定時間后數(shù)據(jù)集所在的數(shù)據(jù)源文件通過網(wǎng)絡(luò)反饋給服務(wù)器，服務(wù)器處理請求后在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，并向其他業(yè)務(wù)員發(fā)送消息[12]。當(dāng)協(xié)作對象接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，如果是符號處理操作并且本身具有顯示權(quán)限，則將上傳的數(shù)據(jù)源文件加載進(jìn)本地工作空間，并在本機進(jìn)行相應(yīng)的圖形符號操作。

4 實驗與結(jié)論

4.1 實驗數(shù)據(jù)與環(huán)境

以1臺配備四核處理器、16 GB內(nèi)存、1 TB空間硬盤的服務(wù)器為WMS服務(wù)器，在多臺配備Inter(R)Core(TM) i7-3520M 2.90 GHz CPU和NVIDIA NVS 5 200 M顯卡、8 GB內(nèi)存的圖形工作站上進(jìn)行實驗。以某時相蘆山地震寶盛鄉(xiāng)的遙感影像、1︰400萬基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)等為實驗數(shù)據(jù)。

4.2 實驗步驟

分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)在國家級節(jié)點（民政部國家減災(zāi)中心）和省級節(jié)點（江西、云南、甘肅、遼寧、湖北等減災(zāi)中心）進(jìn)行部署。國家級節(jié)點分別在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)部署該系統(tǒng)，內(nèi)外網(wǎng)之間物理隔離，且分別部署系統(tǒng)必要的存儲設(shè)備、計算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備和工作站等硬件；省級節(jié)點僅在外網(wǎng)部署該系統(tǒng)。國家級節(jié)點與省級節(jié)點均用外網(wǎng)通過VPN或Internet進(jìn)行通訊。

標(biāo)繪過程為：主席位通過分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度管理模塊劃分任務(wù)區(qū)，并指定責(zé)任人。實驗劃分為“任務(wù)區(qū)：村落1”、“任務(wù)區(qū)：村落2”、“任務(wù)區(qū)：村落3”、“任務(wù)區(qū)：村落4”共4個標(biāo)繪任務(wù)區(qū)；內(nèi)業(yè)人員根據(jù)統(tǒng)一任務(wù)分配確定作業(yè)區(qū)域，通過分布式協(xié)同標(biāo)繪模塊對區(qū)域內(nèi)的損毀目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，不同業(yè)務(wù)員之間利用協(xié)同交互模塊，通過查看其他區(qū)域來了解相應(yīng)作業(yè)員的工作進(jìn)度和評判標(biāo)準(zhǔn)；對于不能確定損毀程度的目標(biāo)，通過發(fā)送疑似案例向?qū)＜疫M(jìn)行咨詢。

災(zāi)情研判階段，主席位將共享標(biāo)繪成果統(tǒng)一加載到分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)，形成完整、統(tǒng)一的寶盛鄉(xiāng)受損房屋標(biāo)繪成果，由專家組依據(jù)標(biāo)繪標(biāo)注信息進(jìn)行災(zāi)情綜合研判。圖4所示的寶盛鄉(xiāng)受損房屋協(xié)同研判過程中， a圖為任務(wù)劃分階段，主席位對災(zāi)害協(xié)同研判大任務(wù)進(jìn)行任務(wù)分區(qū)；b圖為協(xié)同標(biāo)繪階段，業(yè)務(wù)員針對“任務(wù)區(qū)：村落1”進(jìn)行的標(biāo)繪結(jié)果，以及主席位匯總?cè)蝿?wù)區(qū)1至4標(biāo)繪成果后的結(jié)果；c圖為災(zāi)情研判階段，寶盛鄉(xiāng)北部沿河區(qū)域局部放大圖。結(jié)果表明，寶盛鄉(xiāng)沿河北部受損房屋密集，且存在2處嚴(yán)重受損區(qū)域，需要制定緊急救援策略。

圖4 寶盛鄉(xiāng)受損房屋協(xié)同研判

4.3 結(jié) 論

協(xié)同工作已經(jīng)成為國家各級防災(zāi)減災(zāi)中心處理綜合減災(zāi)業(yè)務(wù)問題的重要特征，建立一個快速、穩(wěn)定、可靠的分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同標(biāo)繪與研判平臺，對提高災(zāi)情綜合研判能力具有重要意義。實驗表明，分布式災(zāi)害應(yīng)急協(xié)同研判系統(tǒng)能夠滿足災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)過程中對多用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程災(zāi)害影像圖標(biāo)繪操作和災(zāi)情研判分析的需求；能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)害研判分析過程中災(zāi)情信息的快速交流；主席位根據(jù)需要實時加載標(biāo)繪結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)繪與研判同時進(jìn)行，提高了防災(zāi)減災(zāi)策略制定的應(yīng)急性。

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