艾明耀,井研,劉立,胡慶武(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北武漢 430079)

基于天地圖的縣級(jí)城市地面沉降信息管理技術(shù)研究

艾明耀?,井研,劉立,胡慶武
(武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院,湖北武漢 430079)

摘 要:沿海地區(qū)由地面沉降問(wèn)題引起的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響著城市可持續(xù)發(fā)展。本文提出了基于天地圖面向縣級(jí)城市地面沉降信息管理方法。首先提出并設(shè)計(jì)了基于天地圖的城市地面沉降信息管理框架；其次,設(shè)計(jì)了城市地面沉降歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)和管理模型,最后,以長(zhǎng)江三角洲某縣級(jí)城市為例,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了縣級(jí)城市地面沉降信息管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)歷史沉降觀測(cè)信息的在線(xiàn)入庫(kù)、可視化管理、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和InSar數(shù)據(jù)分析等,具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:天地圖；地面沉降；數(shù)據(jù)庫(kù)；管理；可視化

1　引 言

目前,中國(guó)在19個(gè)省份中超過(guò)50個(gè)城市發(fā)生了不同程度地面沉降,累計(jì)沉降量200 mm以上的總面積超過(guò)7．9萬(wàn)km2,其中長(zhǎng)江三角洲地區(qū)最近30多年累計(jì)沉降200 mm以上面積近1萬(wàn)km2,占區(qū)域總面積1/3。地面沉降帶來(lái)眾多地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和財(cái)產(chǎn)安全威脅巨大[1,2]。為有效控制城市地面沉降以及減少沉降造成影響,城市規(guī)劃、地質(zhì)等部門(mén)需掌握城市地面沉降狀況,為城市規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[3,4]。為此,各城市相繼開(kāi)展城市沉降觀測(cè)工作,積累了大量的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量大而雜亂。現(xiàn)有的城市沉降信息管理系統(tǒng)雖然可以對(duì)這些實(shí)測(cè)資料錄入、管理,查詢(xún)和統(tǒng)計(jì),但沒(méi)有充分利用沉降觀測(cè)點(diǎn)的空間特性建立沉降時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。此外,最新的航空攝影測(cè)量、InSAR等沉降監(jiān)測(cè)手段獲取的大面積沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)也不能進(jìn)行有效的存儲(chǔ)管理、分析和預(yù)測(cè)[5,6]。

目前,國(guó)內(nèi)各個(gè)城市正在積極推動(dòng)天地圖市級(jí)節(jié)點(diǎn)的建設(shè),其采用的基于空間信息服務(wù)的應(yīng)用架構(gòu)可為大數(shù)據(jù)時(shí)空沉降數(shù)據(jù)管理提供必要的技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)支撐[7,8]。本文提出了一種輕量級(jí)城市地面沉降信息管理方法,不僅能夠有效地對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行管理、查詢(xún)與統(tǒng)計(jì),還可以進(jìn)行相關(guān)的空間分析。該方法以天地圖為基礎(chǔ)地理信息平臺(tái),通過(guò)擴(kuò)展的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)城市地面沉降歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理,在此基礎(chǔ)上以長(zhǎng)江三角洲某縣級(jí)城市為例,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了縣級(jí)城市地面沉降信息管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)歷史沉降觀測(cè)信息的在線(xiàn)入庫(kù)、可視化管理、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)及其可視化和InSar數(shù)據(jù)分析等,具有良好的應(yīng)用前景。

2　基于天地圖的城市沉降信息管理框架

城市地面沉降信息管理包括多期沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理與和建庫(kù)、沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間可視化與查詢(xún)以及沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分析,為城市地面沉降的預(yù)測(cè)、防控、減災(zāi)提供支持。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)通常為單一離散觀測(cè)點(diǎn),因此,對(duì)沉降觀測(cè)信息的管理、分析和預(yù)測(cè)需要城市級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支撐。本文提出以天地圖作為城市離散沉降信息管理的空間數(shù)據(jù)源,其技術(shù)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)技術(shù)框架圖

數(shù)據(jù)層主要包括沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)與天地圖地理空間數(shù)據(jù)服務(wù),前者主要指在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)環(huán)境下負(fù)責(zé)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)沉降數(shù)據(jù)相關(guān)的專(zhuān)題數(shù)據(jù)的管理等,后者主要指涉密的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及非涉密基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)及用于空間分析的GP服務(wù)等;技術(shù)層需要數(shù)據(jù)層提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支撐,為功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)上的支持;功能模塊層直接面向用戶(hù)需求提供的應(yīng)用功能,包括數(shù)據(jù)管理、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)等模塊;對(duì)外服務(wù)層為不同角色的用戶(hù)可以根據(jù)自己的權(quán)限進(jìn)行系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)。

3　地面沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)模型與入庫(kù)

3．1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

基于B/ S架構(gòu)的沉降信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是非常重要的部分,它的好壞直接影響系統(tǒng)的性能[9,10]。本文采用Oracle11g數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)管理的沉降信息主要包括兩部分,一是沉降觀測(cè)點(diǎn)的基本信息,二是沉降觀測(cè)點(diǎn)歷年的觀測(cè)信息,在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中主要分沉降觀測(cè)點(diǎn)表和歷年高程記錄表,其E-R如圖2所示。

圖2　沉降數(shù)據(jù)E-R圖

如圖2所示,沉降觀測(cè)點(diǎn)表主要存儲(chǔ)試驗(yàn)區(qū)沉降觀測(cè)點(diǎn)的位置信息和一些基本信息,包括觀測(cè)點(diǎn)號(hào)、唯一標(biāo)識(shí)GUID、觀測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)、經(jīng)度、緯度、來(lái)源類(lèi)型等字段,其中主鍵為GUID。歷年高程記錄表主要記錄每一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)不同年份觀測(cè)高程值,包括唯一標(biāo)識(shí)GUID、觀測(cè)點(diǎn)的GUID、觀測(cè)年份、高程值、來(lái)源類(lèi)型等字段。其中沉降觀測(cè)點(diǎn)表是一個(gè)關(guān)鍵核心表,歷年高程記錄表通過(guò)記錄觀測(cè)點(diǎn)的GUID字段(PGUID)與沉降觀測(cè)點(diǎn)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3．2沉降數(shù)據(jù)入庫(kù)

沉降數(shù)據(jù)來(lái)源比較復(fù)雜,基于觀測(cè)點(diǎn)方式的數(shù)據(jù)來(lái)源包括水準(zhǔn)儀觀測(cè)沉降結(jié)果數(shù)據(jù)、GPS測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)、沉降井觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)[11,12]。系統(tǒng)主要提供兩種沉降數(shù)據(jù)入庫(kù)路徑,一是單條數(shù)據(jù)添加,二是批量導(dǎo)入,入庫(kù)時(shí)均需進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證,批量導(dǎo)入流程圖如圖3所示:

圖3　批量導(dǎo)入技術(shù)流程圖

如圖3,在對(duì)地面沉降數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入時(shí),本文首先將不同來(lái)源的數(shù)據(jù)整理規(guī)范至同一Excel模板,然后將其上傳至服務(wù)器并逐條進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證通過(guò)則信息入庫(kù),否則返回錯(cuò)誤信息至用戶(hù)。

4　縣級(jí)城市地面沉降信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文以中國(guó)東部某縣為研究區(qū)域,采用的數(shù)據(jù)源有包括63個(gè)沉降站點(diǎn)的空間坐標(biāo)、屬性數(shù)據(jù)和沉降站點(diǎn)2009年和2010年的高程觀測(cè)數(shù)據(jù)。其中,空間坐標(biāo)用經(jīng)緯度表示的,屬性數(shù)據(jù)包括編碼和名稱(chēng)等,高程觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄包括沉降站點(diǎn)的編碼、名稱(chēng)、高程值、觀測(cè)條件等。底圖數(shù)據(jù)采用天地圖發(fā)布的城市地理空間基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用．Net開(kāi)發(fā)平臺(tái),利用ASP．Net技術(shù)、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和基于天地圖地圖服務(wù)API實(shí)現(xiàn)的。

4．1功能模塊設(shè)計(jì)

采用B/ S三層架構(gòu),PLSQL Developer進(jìn)行Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)管理,IIS發(fā)布網(wǎng)站,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地面沉降數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)分析和預(yù)測(cè)分析等,其詳細(xì)功能模塊如圖4所示:

圖4　系統(tǒng)功能模塊圖

數(shù)據(jù)管理對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的觀測(cè)點(diǎn)及其歷年高程數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改與查看。數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出支持觀測(cè)點(diǎn)及其歷年高程值數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入與導(dǎo)出。系統(tǒng)支持自定義瓦片地圖,用戶(hù)可以使用底圖管理模塊將自定義地圖服務(wù)配置為系統(tǒng)的底圖,并且可以編輯已有的底圖服務(wù)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)包括框選、圓選、自定義區(qū)域選擇和模糊查詢(xún)等方式針對(duì)用戶(hù)需要快速查找某一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。等值線(xiàn)分析可根據(jù)用戶(hù)選擇的時(shí)間區(qū)間來(lái)計(jì)算觀測(cè)的沉降量,然后根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的沉降量和用戶(hù)指定的等值線(xiàn)間隔來(lái)生成等值線(xiàn),并將其在地圖上顯示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)針對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的歷年高程值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,包括柱狀統(tǒng)計(jì)與線(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)。此外,系統(tǒng)還提供對(duì)Insar數(shù)據(jù)管理,實(shí)現(xiàn)基于Insar影像文件做的沉降分析和無(wú)源淹沒(méi)分析。

4．2城市沉降信息管理系統(tǒng)

城市沉降信息管理系統(tǒng)主界面如圖5所示:

選擇一個(gè)時(shí)間段,通過(guò)對(duì)該時(shí)間段內(nèi)所有沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并將沉降量比較,找出最大最小值,在地圖上標(biāo)注顯示出最大最小沉降位置,如圖6所示:

圖5　系統(tǒng)主界面

圖6　柱狀統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步,通過(guò)對(duì)該時(shí)間段內(nèi)所有沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行分析,制作沉降等值線(xiàn)圖,并將沉降量比較,找出最大最小值,在地圖上標(biāo)注顯示出最大最小沉降位置,如圖7所示:

系統(tǒng)具備沉降趨勢(shì)分析功能,根據(jù)觀測(cè)沉降數(shù)據(jù)(水準(zhǔn)、GPS、沉降井和InSAR沉降結(jié)果)分類(lèi)預(yù)測(cè)沉降趨勢(shì),生成某一時(shí)刻的面預(yù)測(cè)沉降圖,如圖8(a)所示,進(jìn)一步基于InSAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降分析和無(wú)源淹沒(méi)分析,如圖8(b)、圖8(c)所示。

圖7　沉降等值線(xiàn)

圖8　分析結(jié)果

5　結(jié) 論

地面沉降問(wèn)題已經(jīng)成為21世紀(jì)國(guó)內(nèi)外城市的主要地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重影響著城市地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展。為了有效的控制城市地面沉降以及減少沉降造成的影響,城市規(guī)劃、地質(zhì)等管理部門(mén)需要了解掌握城市地面沉降情況,為城市規(guī)劃和建設(shè)發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。本文提出的基于天地圖的城市地面沉降信息管理方面,具有系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)便、可擴(kuò)展性強(qiáng)和投入低等特點(diǎn),可作為縣級(jí)城市輕量級(jí)地面沉降信息管理建設(shè)參考。需要進(jìn)一步研究地面沉降數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)信息的公眾服務(wù)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 王偉．抽取地下水引起的地面沉降可視化研究[D]．南京:河海大學(xué),2006．

[2] 候衛(wèi)生,吳信才,劉修國(guó)．基于GIS的城市地面沉降信息管理與預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究[J]．巖土力學(xué),2008:302～308．

[3] WANG Bronwen．Subsidence in the organic peat soils of the Sacramento-San Joaquin delta．Califormia[A]．Hyatt Regency, Sacramento, Califormia: AEG．GRA 1995 Annual Meeting[C]．1995,94～108．

[4] 劉毅,張先林,萬(wàn)貴富等．上海市近期地面沉降形勢(shì)與對(duì)策建議[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與預(yù)防學(xué)報(bào),1998,9(2):13～17．

[5] Y E X,KAUFMANN H,GUO X F．Landslide monitoring in the Three Gorges area using D-InSAR and corner reflectors [J]．Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2004,70(10):1167～1172．

[6] 袁銘,楊朝輝,凡亦文等．蘇州市地面沉降信息管理與分析系統(tǒng)研制[J]．蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005:562～575．

[7] 陳?ài)x,王芙蓉,崔蓓等．面向規(guī)劃管理的空間信息移動(dòng)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)[J]．測(cè)繪科學(xué),2013,38(6):153～160．

[8] 王江．官方在線(xiàn)地圖“天地圖”問(wèn)世信息共享與應(yīng)用成發(fā)展趨勢(shì)[J]．通信信息報(bào),2010(10):1～2．

[9] 康銘東,彭玉群．移動(dòng)GIS的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J]．現(xiàn)代通報(bào),2008(9):50～53．

[10] 李政．糧庫(kù)經(jīng)營(yíng)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．濟(jì)南:山東大學(xué),2012．

[11] 趙海衛(wèi),王芹,劉照永等．基于ArcGIS的建筑物沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析及三維模擬[J]．城市勘測(cè),2010:358～362．

[12] 金鼎．西安地裂縫地面沉降信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009．

Research on County-level City Land Subsidence Information Management Technology based on Tianditu

Ai Mingyao,Jing Yan,Liu Li,Hu Qingwu
(School of Remote Sensing and Information Engineering in Wuhan University,Wuhan 430079,China)

Abstract:Geological hazards in coastal district caused by land subsidence have greatly affected urban sustainable development．In this paper,a Tianditu based urban land subsidence information management approach for country-level city is proposed．Firstly,the urban ground subsidence information management framework is presented and designed based on MAPW．Secondly,the data storage and management model of urban land subsidence history observation data is designed．Finally,a county-level city in Yangtze River Delta is taken as an example and a county-level city ground subsidence information management system is devised and implemented．It can achieve online storage,visual management,performance prediction and InSar analysis on the settlement history observation information,which has promised applications．

Key words:tianditu;land subsidence;database;management;visualization

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-16-04中圖分類(lèi)號(hào):P208．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—07—19

作者簡(jiǎn)介:艾明耀(1988—),男,助理實(shí)驗(yàn)師,主要從事3S集成技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作。

通信作者:井研(1988—),女,碩士研究生,研究方向地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2010CB732106)