基于G/S模式的三維地質災害信息管理平臺研究

發布時間：2023-01-02 16:11

第 1 章緒論 1

1.1 研究背景及意義 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意義 3

1.2 國內外研究現狀分析 4

1.3課題來源 6

1.4 研究內容及技術路線 6

1.4.1 研究內容 6

1.4.2 技術路線 7

1.5 創新點與研究成果 8

第 2 章空間信息技術在地質災害防治中的應用需求分析 10

2.1 地質災害成因與危害 10

2.1.1 地質災害成因 10

2.1.2 地質災害分布 12

2.1.3 地質災害危害 13

2.2 地質災害減輕與災害管理 14

2.3 3S 集成在地質災害防治中的應用 15

2.3.1 遙感技術應用 15

2.3.2GNSS 技術應用 17

2.3.3 三維 GIS 平臺應用 17

2.3.4 3S 集成應用 18

2.4 本章小結 19

第 3 章基于空間信息服務的地災信息管理業務體系 20

3.1 地質災害信息管理 20

3.1.1 基本功能介紹 20

3.1.2 管理數據對象 20

3.1.3 數據特點 21

3.1.4 數據類型 21

3.2 地質災害信息管理中的空間信息服務 22

3.2.1空間信息服務概念 23

3.2.2空間信息服務鏈 23

3.2.3空間信息服務基礎 24

3.2.4 常用服務架構 25

3.3空間信息網絡服務模式-G/S模式 25

3.3.1G/S 模式概念 25

3.3.2G/S 模式特性 26

3.4 本章小結 27

第 4 章基于 G/S 模式的地質災害信息管理平臺總體設計 28

4.1 平臺構建機制分析 28

4.1.1 基于 G/S 模式的地災信息管理平臺 28

4.1.2 G/S 模式在地災信息管理中的應用特性 28

4.2基于G/S模式的地災信息管理平臺架構 29

4.2.1地災信息管理平臺的總體架構 29

4.2.2主要技術特點 31

4.3總體功能設計 32

4.4相關實現技術介紹 34

441 Java與JOGL實現技術 34

4.4.2富客戶端技術 35

4.4.3基于XML的地災標記語言 36

4.4.4地理信息技術 36

4.4.5海量數據管理技術 37

4.5本章小結 37

第 5 章平臺詳細設計 38

5.1數據注冊中心設計 38

5.1.1基于XML的地理標記語言 38

5.1.2超地理標記語言 38

5.1.3地質災害標記語言 39

5.1.4數據注冊中心 43

5.2數據組織管理 45

5.2.1基礎柵格數據管理 46

5.2.2空間及業務數據管理 50

5.3地學瀏覽器客戶端設計 53

5.3.1基礎開發框架 53

5.3.2地學瀏覽器設計 54

5.3.3GHML解析設計 69

5.3.4空間量算 73

5.4基于GHML的服務聚合 75

5.4.1工作特點 75

5.4.2工作流程 76

5.4.3服務聚合 77

5.5 本章小結 78

第 6 章地質災害信息管理平臺的實現 79

6.1 系統簡介 79

6.1.1功能模塊 79

6.1.2系統結構 80

6.2 系統實現 81

6.2.1用戶主界面實現 82

6.2.2服務聚合與共享 84

6.2.3高程數據應用 91

6.2.4空間測算 92

6.2.5投影變換 93

6.3 本章小結 94

結論 95

致謝 97

參考文獻 98

攻讀學位期間取得學術成果 105

第1 章緒論

1.1 研究背景及意義

1.1.1研究背景

人口、資源、環境和災害是當今人類社會發展所面臨的四大問題［1］。隨著全世界人口的不斷增長和城市化進程的不斷推進，使得人們對資源的需求日益增長，人類活動空間和規模的迅速擴大以及對資源的過度開采，導致了一系列環境問題，引起了一系列自然災害。在各種自然災害中，以地質災害為主的山地災害占有重要的比重，直接影響著廣大人民群眾的生命財產安全［2-4］。

2004 年國務院頒發的《地質災害防治條例》中將地質災害規定為由于地質作用引起的人民生命財產損失的災害。通常地質災害由自然營力和人類工程活動所引發，因此由降雨、融雪、地震等因素誘發的稱為自然地質災害，由工程開挖、堆載、爆破、棄土等引發的稱為人為地質災害。地質災害可劃分為30 多種類型，但常見的地質災害主要指崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等六種與地質作用有關的災害［2］。

我國是一個多山的國家，山地、丘陵占國土面積2/3以上，顯著的地貌分異、復雜的地質環境、頻繁的災害性天氣，使我國成為世界上地質災害廣泛發育、致災嚴重的國家之一［3］。我國是世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一。隨著我國經濟社會的快速發展，西部大開發戰略實施中人類工程活動引發的地質災害仍在增加；東部地區現代都市圈逐漸形成，水資源供需矛盾加劇，短期內難以控制地下水開采，城市地面塌陷、地面沉降和地裂縫災害仍呈上升趨勢。汶川、玉樹地震災區由于地震造成的次生地質災害和三峽庫區的地質災害都將是未來一段時期內的地質防治重點。另外，本世紀前期氣候變化和地震均趨于活躍期，強降雨和地震引發的滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫災害將加劇，未來 5—10 年仍是地質災害的高發期［3］。

我國大陸目前有百萬余處地質災害點，其中，重特大地質災害點34000 余處，而近24萬個的地質災害隱患點威脅著1359萬人口。我國西部山區是災害多發區，以四川省為例，目前省內工建設群防群測泥石流監測點3132個，滑坡監測點1225 個。我國主要地質災害及分布如圖 1-1 所示。

圖 1-1 中國地質災害圖

統計資料表明，發展中國家由地質環境惡化和地質災害每年造成國民生產總值的 5％以上的經濟損失，而我國各類災害帶來的經濟損失中有 35%是由地質災害造成的，其中，崩滑流（崩塌、滑坡、泥石流）及人為工程活動誘發的地質災害所造成的損失約占 55％［5］。雖然規模小于地震，但地質災害發生的頻率和影響范圍遠超過地震，據不完全統計，5.12汶川地震之前四川省具有一定規模并可能造成危害的滑坡、崩塌約10 萬余處，泥石流溝 3000余條，危及120 余座縣以上城鎮、800多個鄉鎮。5.12汶川地震之后更是觸發了數以萬計的地質災害，汶川地震引發的次生地質災害帶來的經濟損失將超過地震帶來的直接損失。而在經歷 2008 年汶川地震、2010 年玉樹地震后，由于地質結構受到很大影響，地震后的次生災害如滑坡、泥石流等頻發，2010 年的“8.7 舟曲”泥石流就是具有代表性的案例。2000年以來，我國突發地質災害平均每年造成死亡和失蹤約 1 100人、經濟損失 120 億—150 億元［3］。地質災害已成為影響人民安居樂業和經濟發展最重要的因素之一。

但是要對這些災害都進行治理顯然是不現實的，國家財力不允許，經濟上也不合理。由于我國地理環境、地質地貌、氣候條件復雜，加之構造活動頻繁，崩滑流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等地質災害具有隱患多、分布廣，且隱蔽性、突發性和破壞性強，防范難度大等特點，決定了要實現高效的防災減災工作必須做到各種監測手段相結合，對災害進行大范圍、全天候、全天時的動態監測，并建立有效的地質災害監測體系，實現從地質災害調查、監測、管理、發布（預警）、決策（治理）一體化的地質災害防治。近年來隨著遙感技術、全球導航衛星定位技術、地理信息技術、衛星通信技術、網絡技術、物聯網技術、無人機技術以及

視頻監控等技術被用于地質災害調查和監測，有關地質災害的數據呈現出多源性、時空性、多時相性、不確定性、異構性、多尺度、多分辨率等特點，同時由于地質災害種類多樣化、地質災害監測數據的實時化以及地質災害調查數據的動態更新高分辨率化，使得地質災害相關數據日益呈現出海量化發展的趨勢。但由于我國地質災害防治的信息化程度較低，地質災害調查數據、監測預警系統和決策會商系統相互獨立，缺乏地質災害信息的綜合管理和集成，因此如何利用現代信息技術手段建立具有一定通用性的信息集成平臺實現對多類地質災害信息的綜合管理、監測與預警，進行可視化表達，并為災后處置提供輔助決策，成為提升我國地質災害防治的信息化水平以及全面提升我國地質災害調查評價、監測預警、防控工程技術與應急處置水平的關鍵問題之一［6-8］。

1.1.2研究意義

（1）彌補傳統地質災害信息管理系統的不足隨著遙感技術、全球定位技術、地理信息系統技術和計算機技術等先進技術手段在地質災害防治中的應用，以及對地質災害預測預報需求的增長，表達地質災害信息的數據種類越來越多、數據量越來越大，數據的分辨率越來越高，粒度越來越精細，地質災害信息管理的對象不僅包括數字高程模型，地質調查數據，勘查數據和矢量地理數據，而且還包括了高分辨及多分辨率遙感影像、實時監測數據、無人機航測數據和視頻數據等，基于二維圖形數據開發的地質災害信息管理系統由于沒有統一的數據集成框架體系，已經越來越無法滿足對地質災害信息管理提出的新要求，如對海量的地質災害數據能夠實現高效存儲、集中管理、三維可視化和動態發布等。本文提出的三維地質災害信息綜合管理平臺以目前地質災害信息管理的新需求和發展趨勢為目標，能夠對各個領域、各種狀態、各類格式的地質災害信息實施合理有效的組織管理、集成和三維可視化展示，同時具有通用性強、性能可靠、開放易擴展、互操作性能優良等優勢。本研究在彌補傳統地質災害信息管理系統不足的同時，對豐富地質災害信息管理系統的功能、提高系統的工作效率和數據共享程度等方面都具有行之有效的借鑒意義［9］。

（2）提高了地質災害防治體系的快速反應能力和決策效率本文研究的三維地質災害信息綜合管理平臺基于新型的空間信息網絡訪問模式-G/S （地學瀏覽器/服務云）模式的架構體系，通過“請求-聚合-服務”工作模式，按照統一的地質災害數據管理格式對分布于不同部門、不同網絡節點的多源、多時相、多分辨率空間數據和地質災害專題數據、各類專業監測預警信息以及其他輔助數據進行快速匯聚，并在客戶端按需聚合地質災害信息管理系統的業務功能，在地學瀏覽器中實現地質災害綜合信息的管理和三維可視化展示。本文研究的平臺克服了專業 GIS 在數據集成、基礎數據獲取與更新、信息展示以及操作等方面的一些缺陷，既實現了監測數據和地質災害預警結果的可視化表達，又提供了簡便的用戶界面集成了信息和聚合了服務，有助于高層決策者和相關管理人員理解復雜的數據和分析結果，作出對應的決策，因此本研究將對提高地質災害防治體系的快速反應能力和決策效率具有重大意義［11,12］。

(3)深化地質災害信息綜合管理功能的應用將網格計算或云計算中的“聚合”理念與空間信息網絡服務模式相結合，在地

學瀏覽器端通過三維技術實現地質災害信息的多維表達與信息服務的聚合，能更好的解決海量數據組織、復雜數據計算、空間分析與信息共享、多模塊調用與互操作的問題，實現對異構、海量的地質災害行業數據的組織管理與分析表達，三維監測預警平臺的建立將對了解和掌握地質災害的發生與演化規律，捕捉成災的特征信息，及時預報地質災害的發生和發展趨勢，減輕地質災害損失等方面都具有積極意義［13,14］。

(4)推進地質災害防治的信息化進程本研究不僅能為政府相關部門提供地質災害監測數據、預報預警信息發布和

應急決策支持，還可以為科學研究和社會公眾服務，以信息化手段推進群策群防、群專結合的地質災害防治體系建設，提高公眾的防災減災意識。由于該平臺具有通用性、可移植性和可擴展性，并采用開放的接口和標準，所以該平臺既可以用于地質災害點的綜合信息管理、也可用于區域(縣、市、省級)內的地質災害點集的綜合信息管理，具有較為廣泛的推廣性。此外該平臺的客戶端不僅可以安裝到 PC 機，還可以安裝到手機及其他移動終端設備上，開發商或公眾可以根據 API 開發各類地質災害信息的增值服務。本研究對推進地質災害防治的信息化進程具有重要的現實意義。

1.2國內外研究現狀分析

我國是世界上地質災害類型多、發生頻繁、災害損失嚴重的少數國家之一，初步統計表明，我國每年發生重大地質災害 8000 次以上。地質災害發育的主要影響因素有地形地貌、地質環境條件、氣象條件及不合理人類工程活動等。而這類因素均具有地理空間位置特性，可以由矢量或者柵格的空間數據結構及相關的空間屬性來描述地質災害的發展與成災的時間和空間分布規律。因此，將地理信息系統應用于地質災害防治領域，如監測預警、災害評估、防災救災輔助決策等方面，已經成為利用信息化手段進行防災救災的重要手段［15］。然而，傳統的二維地理信息系統無法描述具有三維空間特征的地質環境，而類似崩滑流等主要的地質災害都具有三維空間特性，此外，地質災害勘查與監測數據也都需要基于三維環境的分析表達［16］。因此，構建三維地理信息平臺以應用于地質災害的監測、預報、防災、抗災、災害評估及救災的各個環節，提高地質災害防治的信息化水平，已成為地理信息系統與地質災害防治領域的重要課題。

美國、印度、加拿大等國家對 GIS 應用于地質環境及地質災害研究已作了很多工作。從20世紀80年代至今，GIS技術的應用已從數據管理、多源數據集數字化輸入和繪圖輸出，到數字高程模型(DEM )或數字地形模型(DTM )的使用、 GIS結合災害評價模型的擴展分析、GIS與決策支持系統(DSS)的集成，GIS虛擬現實技術的應用，并逐步發展與深入應用［6］。如美國科羅拉多州立大學 Mario Mejia-Navarro 和 Ellen E.Wohl 在哥倫比亞的麥德林地區，用 GIS 進行地質災害和風險評估［17］。利用 GIS 對麥德林地區地質災害進行了分析和研究，重點考慮了基巖和地表地質條件、構造地質條件、氣候、地形、地貌單元及其形成作用、土地利用和水文條件等因素;根據各因素的組成成分和災害之間的對應關系，把每一種因素細分為不同范疇等級，借助于GIS軟件(GRASS)的空間信息存儲、緩沖區分析、 DEM 模型及疊加分析等功能，對有關滑坡、洪水和河岸侵蝕等災害傾向地區進行了災害分析，并對某一具體事件各構成因素的脆弱性進行評價。美國地質調查局(USGS)已把加強城市地質災害研究列為21世紀初的重要工作，借助 GIS 編制美國主要城市地區多種災害的數字化圖件，這種做法與西歐國家的城市地質工作的總趨勢一致。

傳統的 GIS 訪問主要通過 C/S 模式來實現，以 ESRI、 MapInfo 等專業 GIS 軟件公司開發的 GIS 應用軟件為代表。 C/S 模式充分利用了本地計算機的運算能力，通過在本地安裝客戶端軟件實現客戶端到服務器端的數據交流，這種通過在客戶端處理數據后再提交給服務器的方式可以提高客戶端的響應速度，也能實現更強大的本地處理事務的能力。C/S模式雖然能很有效地管理和獲取空間信息，很好地對空間信息進行表達和顯示，但是通過客戶端-服務器訪問空間信息的方式，缺乏統一的客戶端平臺和數據交換與共享的標準，需要針對特定應用而設計，客戶端不僅需要完成交互與顯示工作，還要完成應用邏輯處理，系統可擴展性較差，難以共享服務。隨著互聯網技術的發展，基于 B/S 模式的 GIS 系統也不斷出現，通過在互聯網上發布空間數據服務，為用戶提供地理信息的瀏覽查詢與分析功能，當前各種 Web 地圖層出不窮， Google Maps， Yahoo Maps 等，基于 B/S 的空間信息訪問雖然應用方便，但是無法充分利用本地計算資源，缺乏客戶端的功能性，增加了服務器的負擔，難以實現定制功能，且對網絡帶寬要求較高，對空間數據分析處理能力較弱，難以滿足地質災害防災減災中專業分析測算等應用

G/S 模式于成都理工大學于 2007 年首次提出，它是基于 Internet 和下一代互聯網(NGI)的分布式環境下的、能對地理空間信息進行瀏覽、操作和分析的瀏覽器/服務器體系，是空間信息技術應用的基礎平臺，有重要的研究意義和廣闊的應用空間［21］。在空間信息技術、云計算技術、網絡服務模式等研究的基礎上，針對地質災害信息管理與監測預警的需求，以對海量異構數據實現交換的超地理標記語言 HGML 為核心，參考云計算架構，對分布在網絡中海量的、各類格式的數據進行存儲、組織、交換、調度和展示，按照請求-聚合-服務的“客戶端聚合服務”工作機制，通過地學瀏覽器客戶端實現地質災害信息綜合管理的功能需求。

1.3 課題來源

本課題來源于以下項目：

(1)國家自然科學基金項目“客戶端聚合服務的空間信息網絡服務模式研究”(61071121)。

(2)地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室課題資助項目“地質災害信息綜合管理及監測預警平臺”(SKLGP2011Z003)。

1.4 研究內容及技術路線

1.4.1研究內容

本課題針對目前地質災害信息管理系統在海量、異構地災相關數據的組織管理與分析表達方面存在的不足，以建立防災減災工程信息管理及輔助決策信息化平臺為宗旨，以相關課題為依托，在研究空間信息技術、三維展示技術、空間/ 非空間數據庫技術以及網絡技術等現代信息技術的基礎上，結合地質災害研究與防治的科學規律，建設一套基于地災行業分布式數據服務和地學瀏覽器客戶端聚合服務的地質災害信息綜合管理平臺，實現在三維環境下的基礎地理信息、地質災害信息、群測群防信息、監測信息的信息表達和一體化管理。為滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷等多類地質災害的減災防治研究工作提供統一的綜合管理、分析與防治決策平臺，為多樣、復雜的地質災害減災提供一種數字化輔助決策支持。主要研究內容包括：

(1)基于現代信息技術的減輕地質災害系統工程內涵的基礎研究；

減輕地質災害是復雜的系統工程，其中監測，預報，防災，抗災，災害評估，救災構成了一個相對完整的行為過程。現代減災工程要求必須依靠現代先進的科學技術，利用衛星遙感、航空探測、地面觀測手段，建立災害勘查與監測預報系統，利用現代信息手段建立多功能信息處理與災害管理信息系統。

（2）基于 G/S 模式的地學瀏覽器客戶端三維可視化地理信息集成管理平臺的研究與建立；

在網絡環境下，通過地學瀏覽器對相關的遙感影像、高程數據、地質調查數據、矢量化數據、實時監測數據、分析預警結果等完成獲取并進行三維表達，實現多元，多尺度地質災害數據的實時可視化與人機交互。如何通過計算機圖形技術實現模擬真實地理環境的三維場景實時建模，并在有限的計算資源下完成具有海量特征的多類地質災害數據疊加處理與外部服務的共享集成，達到具有快速響應和大數據吞吐量的技術要求，實現從宏觀到地質災害局部的三維立體場景流暢的可視化效果，并能實現三維環境下的空間量算與分析應用，是本文需解決的重要內容之一。

（3）面向地質災害應用的數據組織管理機制和調度模型研究；與地質災害信息相關的地理、地質以及各類監測數據等多呈現出海量、異構

的特點，為數據的高效存儲與組織調度帶來了很大難度。傳統的分布式存儲方案能夠解決數據的存儲問題，能夠保證數據的可用性，但由于其并非針對空間信息數據訪問中的空間性、多尺度、多時空性等特點，在組織和調度上存在效率低下的問題，難以滿足本系統在網絡環境下的數據應用需求，針對上述不足，研究針對空間信息訪問特性的數據存儲與組織方法，提高數據調度效率，是系統能否達到預期設計目標所要解決的關鍵問題。

1.4.2技術路線

本課題面向地質災害信息管理的應用需求，基于地質災害學、GIS、遙感、數字圖像處理、三維可視化理論和技術，從G/S應用框架和技術體系入手，分析地質災害各類信息的三維表達特點，研究各類地質災害信息要素，構建基于服務云架構的數據服務后臺服務器群架構，以“請求-聚合-服務”的客戶端聚合服務工作機制，實現地學瀏覽器客戶端的數據加載展示，并從系統的通用性和實用性角度重點研究地學瀏覽器端的三維表現形式和空間分析功能，通過研究數據注冊中心的工作方式完善客戶端服務聚合的工作機制，構建出基于網絡環境的、三維可視化的具有地質災害應用所需各類信息統一管理與分析功能的地質災害信息管理平臺。技術路線圖如圖 1-2所示：

G/S模式應用技術框架 :

系統原型構建

圖 1-2 技術路線圖

1.5 創新點與研究成果

(1)提出一種以地質災害標記語言(GHML)為核心的地質災害信息聚合與表達的數據交換體系。

在分析 GML 和 KML 等標記語言的基礎上，通過研究地質災害信息管理平臺中空間與非空間信息的組織管理與表達方式，以XML可擴展標記語言語法格式為基礎，設計了一種地質災害標記語言，用于對地質災害信息管理平臺中的空間數據、屬性數據、專題數據及數據服務等進行組織管理與描述，用于實現客戶端平臺的數據匯聚。

(2)提出一種基于地理位置的地質災害行業數據共享管理模型。

通過分析研究服務聚合的工作流程，提出了一種面向客戶端服務聚合的，以地質災害標記語言 GHML 為核心，以數據注冊中心為載體的地質災害行業數據共享管理模型，用于實現地學瀏覽器平臺間的數據服務共享與交換。

(3)初步建立一種基于 G/S 模式的地質災害信息管理系統技術架構。

研究了 G/S模式作為一種新型空間信息訪問模式的應用特點，并結合地質災害信息管理系統對空間信息服務的需求，明確了 G/S模式在地質災害信息管理中的適用性，并對基于G/S模式的地質災害信息管理架構體系和運行機制進行了分析研究，圍繞 GHML 對數據注冊中心進行了設計，并對服務器群和地學瀏覽器平臺中的關鍵技術進行了相應研究，初步建立了基于G/S模式的地質災害信息管理系統技術架構體系。

(4)初步構建地質災害信息綜合管理平臺。

基于 G/S 模式的技術架構體系，針對地質災害信息管理的應用需求，對后臺服務器及地學瀏覽器客戶端進行了詳細設計與構建，以GHML語言為數據組織核心，對以地質災害行業應用需求為主的信息及服務進行組織描述，并通過數據注冊中心實現數據服務的發布與共享，在地學瀏覽器端實現服務聚合與展示，初步構建了基于G/S模式的三維地質災害信息綜合管理平臺，對建立地質災害信息綜合管理系統及其他以空間信息為主的行業應用平臺具有一定借鑒和推廣價值。

第 2 章空間信息技術在地質災害防治中的

應用需求分析

2.1地質災害成因與危害

2.1.1 地質災害成因

地球自從形成以來，在漫長的地質歷史進程中，固體地球的成分和面貌時刻都在發生變化。所有引起礦物、巖石的產生和破壞，從而使地殼面貌發生變化的自然作用，統稱為地質作用［22］。地質災害是由于地質作用使地質環境產生突發的或漸進的破壞，并造成人類生命財產損失的現象或事件。地質災害是自然災害的主要類型之一，由于地質災害往往造成嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失，在自然災害中占有突出地位［7］。

我國地域遼闊，經緯度跨度大，自然地理條件復雜，構造運動強烈，自然地質災害種類繁多。同時，我國又是一個發展中國家，經濟發展對資源開發的依賴程度也相對較高，大規模的資源開發和工程建設以及對地質環境保護重視程度不夠，人為誘發了很多地質災害，是我國成為世界上地質災害最為嚴重的國家之一。地質災害與地形地貌、地質構造格局、新構造運動的強度與方式、巖土體工程地質類型、水文地質條件、氣象水文及植被條件、人類工程活動的類型有密切的關系，主要影響因素如下：

（1）地貌

我國陸地的地貌呈三級階梯狀。第一級由青藏高原及其山脈構成，平均海拔達到4000m以上，第二級為高原、山地和盆地，海拔高度在1000?2000m以下，第三級為東部平原和丘陵。從青藏高原世界最高峰到東部沿海地區海拔跨度極大，特別是一、二級階梯過渡地帶，有許多深切河谷和陡峭山坡，為地質災害的發生發展提供了轉化條件。

（2）地質構造

我國位于亞歐板塊、太平洋板塊和印度板塊交界處，特別是印度板塊活動強烈，近幾千萬年向北擠壓，導致古代東地中海的消失和喜馬拉雅山脈的崛起。至今青藏高原邊緣地帶仍是世界上地震與地質災害發生最強烈和最頻繁的地區之一。我國地質構造包括多個大地臺和褶皺系，新構造運動強烈，形成了146 條斷裂帶，不僅破壞了分布帶內的巖體完整性，而且經常成為發生地震的震源［2］。

我國地域遼闊，地層出露齊全，巖性復雜。其中巖性軟弱的有黃土、黏土、硅藻土等，本成巖有砂巖、粉砂巖、火山凝灰巖、泥灰巖等，在外力作用下極易解體。變質巖中的中板巖、千板巖和片巖等也極易風化。這些巖石都可形成大量松散碎屑物質，在這些軟弱巖石出露地易發生滑坡和泥石流。在花崗巖、石灰巖等硬質出露地則容易發生崩塌。第四季沖積、湖積、海積的黏性土和粉細砂土上結構松散，極易壓縮變形，容易發生地面沉降。碳酸鹽巖極易被雨水淋溶，形成溶洞而最終塌陷。

（3）氣候與水源

山地災害的發生通常與水的因素有關。我國大陸性季風氣候的一個顯著特點是降水集中在雨季。每年冬春旱季經過凍融和冷熱的物理風化作用，往往形成大量松散堆積物。雨季的降水一般要占到全年的 70%~80%［2］。年際變化也很大，多雨年和少雨年的降水量可相差四五倍。山區地形復雜，往往在迎風面形成暴雨中心。這種在時間和空間上高度集中的過量降水極易引發局部的地質災害。西部地區還有許多終年積雪的高大山脈，并發育了大量冰川。春季冰雪融化時如遇氣溫陡升或有降雨沖洗，往往成為激發地質災害的水源。

（4）不合理的人類活動

濫伐森林、毀林開荒是造成水土流失的主要原因。濫墾與超載放牧導致草原退化，可加劇風蝕沙化。開礦、筑路等大型工程建設任意排棄廢石廢渣，容易誘發山地災害。過量抽取地下水是平原地區地面下沉的最常見原因。在地質不穩定的山地修建水庫和水渠，也可能誘發地震或滑坡。

按照地質災害成因分類的原則，則可將地質災害可分為自然動力型、人為動力型和復合動力型［7］，如下表2-1 所示：

表 2-1 地質災害成因類型劃分表

類型亞類災害舉例

自然動力型內動力亞類地震、火山、地裂縫等

外動力亞類泥石流、滑坡、崩塌、巖溶塌陷等

人為動力型道路工程滑坡、崩塌、荒漠化等

水利水電工程泥石流、滑坡、崩塌、巖溶塌陷、地面沉降、誘發地震等

礦山工程地面塌陷、坑道突水、泥石流、誘發地震、瓦斯突岀等

城鎮建設地面沉降、地裂縫、地下水變異等

農林牧活動水土流失、荒漠化等

海岸港口工程海底滑坡、岸邊侵蝕、海水入侵等

復合動力型內外動力復合亞類泥石流、滑坡、崩塌等

內動力人為復合亞類巖爆、瓦斯爆炸、地裂縫、地面沉降等

外動力人為復合亞類泥石流、滑坡、崩塌、水土流失等

2.1.2 地質災害分布

我國幅員遼闊，經緯跨度大，根據地質災害宏觀類別，結合地質、地理、氣候及人類活動等環境因素，我國地質災害可劃分為四大區域。（葛中遠， 1991）

（1）平原、丘陵地面沉降與塌陷為主地質災害大區

位于山海關以南，太行山、武當山、大婁山一線以東，包括中國東部和東南部的廣大地區，地處華北斷塊東南部、華南斷塊、臺灣斷塊的主體部位。地貌上位于中國大地貌區劃第三級地勢階梯，以平原、丘陵地貌類型為主。區域內礦產資源較豐富，采礦業發達，大中城市分布密集，人口稠密，沿海開放城市工業發達、人類工程活動規模較大、強度高，誘發了嚴重的城市地面沉降、礦山地面塌陷、巖溶塌陷、水庫地震、土地荒漠化以及港口、水庫、河道等淤積災害，丘陵山區人為活動誘發的滑坡、崩塌、泥石流災害發育較多，是人類工程活動為主形成的地質災害組合類型大區。

（2）山地斜坡變形破壞為主地質災害大區

包括長白山南段、陰山東段，長城以南，阿尼瑪卿山、橫斷山北段一線以東，雅魯藏布江以南的廣大地區，屬于中國中部地區及青藏高原南部、東北部分地區，地處青藏斷塊、華南斷塊與華北斷塊的結合部位，地貌上位于中國大地貌區劃第二級地勢階梯，以山地和高原為主要地貌類型。區內礦產、水力、森林、土地等資源豐富，是我國新興工業區，人口密度較大，資源開發和農牧活動等經濟活動活躍，由于不合理開發利用山地斜坡、森林植被等資源，是地質環境日趨惡化、導致泥石流、滑坡、崩塌、水土流失等山地地質災害頻繁發生，災害損失嚴重，自然動力和人類活動相互疊加而形成的山地地質災害廣泛分布。

（3）內陸高原、盆地干旱、半干旱風沙為主地質災害大區

地處秦嶺-昆侖山線以北，在大地構造上屬于新疆斷塊并橫跨華北斷塊及東北斷塊區，位于中國大地貌區劃的第二級階梯部位，由高原、沙漠、戈壁及高大山系、盆地、平原等地貌類型組成。區域西部，活動性斷裂發育、地震活動強烈；內陸高原、荒漠地區氣候惡劣，風力吹揚作用強烈，沙質荒漠化災害日趨嚴重。河套平原等地區土地鹽堿化較發育；新疆、寧夏、內蒙古等地的煤田自燃災害比較嚴重；天山、昆侖山山地則主要發育雪崩、滑坡、崩塌等地質災害。北部地區是以自然地質營力為主并疊加人為地質作用所形成的復合型地質災害大區。

（4）青藏高原及大、小興安嶺北段地區凍融為主地質災害大區位于青藏高原中北部及大、小興安嶺北段地區，大地構造上屬于青藏斷塊和東北斷塊區。青藏高原為中國地貌區劃第一級地勢階梯上，平均海拔 5000m 以上，屬于高海拔凍土區，東北大興安嶺小興安嶺北段處于歐亞大陸高緯度凍土帶南緣，是我國高緯度多年凍土地區，由于氣候季節變化和日溫差變化，冰丘凍脹、融沉、融凍泥流、冰湖潰塊泥流等地質災害較為發育。本區主要是自然地質營力形成的以凍融、地震災害為主的地質災害大區。

2.1.3 地質災害危害

我國地質災害類型多、發生頻率高、分布地域廣、災害損失大。1949 年以來，因地震死亡 30多萬人，傷殘近百萬人，倒塌房屋 1000多萬間。其中， 1976 年 7月 28日在唐山發生的 7.8 級強烈地震，造成24.2萬人死亡、 16.4萬人傷殘，直接經濟損失人民幣100億元，一座擁有百萬人口的工業城市在23秒內被夷為平地。2008 年5月 12日的四川汶川8 級大地震，造成 69227人遇難， 374643 人受傷，失蹤 17923 人，直接經濟損失人民幣 8451 億元。據統計，中國共發生較大型崩塌 3000多處、滑坡 2000多個，中小規模的崩塌、滑坡、泥石流則多達 40 多萬處。全國共有 350 多個縣的上萬個村莊、 100 余座大型工程、 55 座大型礦山、 3000 多公里鐵路受崩塌、滑坡、泥石流的嚴重危害。2010年 6月 28日，貴州省安順市關嶺縣崗烏鎮大寨村因連續強降雨引發山體滑坡，導致 38 戶 107 人被掩埋。2010年 8月 7日 22時許，甘南藏族自治州舟曲縣突遭強降雨，縣城北面的羅家峪、三眼峪泥石流下泄，由北向南沖向縣城，沿河房屋被沖毀，造成 1434 人遇難、 331 人失蹤的嚴重后果。除北京、天津、上海、河南、甘肅、寧夏、新疆以外的 24個省（區、市）都發生巖溶塌陷災害，總數近 3000處，塌陷坑3 萬多個，塌陷面積300 多平方公里。黑龍江、山西、安徽、江蘇、山東等省則是礦山采空塌陷的嚴重發育區。據不完全統計，在全國 20 個省、區內，共發生礦山采空塌陷 180處以上，塌陷坑1595 個，塌陷面積達到 1000多平方公里。全國已有上海、天津、江蘇、浙江、陜西等16個省（區、市）的 46個城市出現了地面沉降問題。地裂縫出現在陜西、山西、河北、山東、廣東、河南等17個省（區、市），共400多處，1000多條。全國荒漠化土地面積達2.62xl06 km2，土地沙質荒漠化面積以每年2461km2的速度擴展，水土流失面積超過1.80X106 km2。[7,8]

作為世界上地質災害最為嚴重的國家之一，我國有 2/3的地區屬于山地，地質災害十分嚴重，崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地貌沉降、地裂縫等過程發育明顯，隨著國民經濟的快速發展，各種資源開發和工程建設活動的力度普遍增大，給我國本來就十分脆弱的地質環境帶來了巨大壓力。據國家統計局發布的《中華人民共和國2011 年國民經濟和社會發展統計公報》，全年各類自然災害造成直接經濟損失3096億元，其中因洪澇、滑坡和泥石流災害造成直接經濟損失1260 億元，全年大陸地區共發生5級以上地震17次，成災 15次，造成直接經濟損失 60.1 億元。各類地質災害已給人民的生命財產和公共環境安全與社會的和諧帶來巨大的威脅。

2.2地質災害減輕與災害管理

由于地質災害對人民生命財產和工程建設的重大危害，黨中央、國務院高度重視防災減災工作，先后多次召開會議，制定了一系列國家和地方的地質災害防治法規與規劃，力圖通過預測、預報、預警和及時采取避讓和有效防治措施減少人員傷亡和經濟損失。但是，地質災害的多樣性與復雜性，不僅使認識災害變得十分困難，而且對現代的災害減輕工程提出了挑戰。傳統的減災工程基本上局限于針對某一災害事件或某種災害，所采用的方法也比較單一，這些工程雖然為減輕災害損失發揮了積極作用，但還有很大不足。而現代地質災害減災強調的是多種措施相互配合與統籌規劃，介于地質災害對社會經濟發展的重要影響，在進行經濟建設統籌規劃時需同步考慮地質災害防治工作，地質環境保護與人類工程活動也需協調發展，促進社會經濟可持續發展。地質災害防治的主要任務包括研究減災防治的關鍵技術問題、建立完善的災害監測系統與信息分析處理系統；研究地質災害發育分布規律與成災機制、開展跨學科研究，研究準確及時的地質災害預警預報方法；開展全民減災防災教育，普及地質災害防災減災知識［6］。

現代減災系統工程的建立必須依靠先進的科學技術。充分利用現代通信、航空救援、救援組織與行政指令等手段，通過重大工程設施抗災能力的調研、工程設防標準和災害區劃工作、災害評估與對策方案的制訂、救災技術的研究與推廣和減災知識的全民普及教育，建立健全高效能的災害防治與救援系統［9］；利用衛星遙感、航空探測、地面觀測手段，建立先進的災害勘查與監測預報系統；利用現代計算機技術和信息高速公路，建立統一的多功能信息處理與傳遞和災害管理信息系統。

結合現代信息技術實現地質災害管理的主要內容包括地質災害調查與勘查管理、監測預報管理、災情評估管理等。地質災害調查與勘查、監測與預報是實現地質災害管理動態化和有效減輕災害損失的重要手段，災情評估管理是地質災害減災工作的基礎。及時進行地質災害災情信息收集與統計，積極開展災情評估與災害預測預報，可使各級政府和社會職能部門準確掌握地質災害災情現狀和發展趨勢，以便做出及時決策，采取切實可行的減災對策。

2.33S集成在地質災害防治中的應用

2.3.1 遙感技術應用

"3S"技術是英文遙感(RS, Remote Sensing)、全球導航衛星系統(GNSS, Global Navigation Satellite System )、地理信息系統(GIS , Geographical Information System)這三種技術名詞中最后一個單詞字頭的統稱［20］。

遙感,通常指通過某種傳感器裝置,在不與研究對象直接接觸的情況下,通過對物體的電磁波的輻射、反射特性的探測,獲得其特征信息,并對這些信息進行提取、加工、表達和應用的一門科學技術［23］。

當前遙感形成了一個從地面到空間,從數據獲取、處理到解譯和應用,能夠對全球進行全方位觀測的體系,成為獲取地球資源與環境信息觀察的主要手段。特別是近 20 年來,由陸地衛星、海洋衛星、氣象衛星等系列遙感衛星及地面各類地球觀測數據收集平臺等所組成的對地觀測系統不斷完善,對地觀測技術、計算機信息處理技術和信息傳輸技術的不斷發展,遙感技術已經越來越普及化與實用化,目前已經廣泛應用于資源普查和氣象觀測以及災害監測中［24］。

我國利用遙感技術開展地質災害調查起步較晚,但進展較快。我國地質災害遙感調查是在為山區大型工程建設或為大江大河洪澇災害防治服務中逐漸發展起來的。 80 年代初,湖南省率先利用遙感技術在洞庭湖地區開展了水利工程的地質環境及地質災害調查工作。有關單位先后在雅礱江二灘電站、紅水河龍灘電站、長江三峽工程等庫區開展了大規模的區域性滑坡、泥石流遙感調查；從 80 年代中期起,又分別在寶成、寶天、成昆鐵路等沿線進行了大規模的航空攝影, 為調查地質災害分布及其危害提供了信息源。 90 年代起,在主干公路及鐵路選線,如京九鐵路沿線等也使用了地質災害遙感調查技術。 90 年代末期在全國范圍內開展的“省級國土資源遙感綜合調查”工作中,各省(區)都設立了專門的中小比例尺“地質災害遙感綜合調查”課題,主要是識別地質災害微地貌類型及活動性,評價地質災害對大型工程施工及運行的影響等［5］。例如在5.12汶川地震中, 遙感影像在災情信息獲取、救災決策和災害重建中發揮了重要作用。玉樹地震發生后,通過衛星遙感獲得了玉樹地震受災情況的遙感影像,結合玉樹地圖資料, 提出切合實際的救援路線、方案,并依托遙感技術對泥石流、滑坡等次生災害趨勢進行實時監測,為災害預防提供處理依據。

遙感技術的常規應用包括：基礎地理數據重要獲取手段，遙感影像是地球表面的“相片”，真實地展現了地球表面物體的形狀、大小、顏色等信息。這比傳統的地圖更容易被大眾接受，影像地圖已經成為重要的地圖種類之一；獲取地球資源信息的最佳手段，遙感影像上具有豐富的信息，多光譜數據的波譜分辨率越來越高，可以獲取紅邊波段、黃邊波段等［23］。高光譜傳感器也發展迅速，我國的環境小衛星也搭載了高光譜傳感器。從遙感影像上可以獲取包括植被信息、土壤墑情、水質參數、地表溫度、海水溫度等豐富的信息。這些地球資源信息能在農業、林業、水利、海洋、生態環境等領域發揮重要作用。

此外，針對地質災害領域，遙感技術的典型應用包括：

1 、地災發育調查與研究

研究表明，地質災害的發育主要有如下8種因子［5］：①累積降水量；②多年平均降水量；③地面坡度；④松散堆積物的厚度及分布；⑤構造發育程度（控制巖石破碎程度和穩定性）；⑥植被發育狀況；⑦巖土體結構（反映巖土體抗侵蝕、破碎的能力）；⑧人類工程活動程度。

上述8種因子中，其中①、②兩項因子可以通過地面監測完成，其他因子都可以通過陸地資源衛星數據通過遙感解譯并結合地質調查數據查明。通過遙感技術調查孕災背景是災害調查中最為基礎重要的工作。

2、地質災害現狀調查與區劃

地質災害作為一種不良地質現象，如崩、滑、流等可以通過遙感圖像所呈現的影像特征判讀災害的規模、形態特征與孕育特征。因此，基于災害體的影像和光譜特征，通過遙感解譯技術，實現地質災害體屬性信息自動、半自動提取，可以對區域內地質災害點和隱患點進行全面調查，通過分析分布規律、災害規模、發育特點與趨勢以及危害性和影響因素，進行地質災害區劃與評價。

3、災情實時（準實時）調查與損失評估

重大地質災害將為自然生態和人類工程設施帶來巨大破壞，如崩、滑、流、地震等將對地貌產生較大影響，利用遙感技術進行災害調查，通過衛星或者航拍影像等，可以宏觀或者微觀的對工程設施或自然資源破壞情況進行調查與評估，為抗災救災提供時效性的科學依據。

遙感技術具有宏觀性好、時效性強、信息量豐富等特點，已成為區域地質災害及其發育環境宏觀調查不可缺少的技術之一，在地震、滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和土地荒漠化等地質災害的調查、監測和研究工作中已發揮重要作用［25,26］。其應用隨著空間技術發展，尤其是地理信息系統和全球定位系統技術的發展及相互滲透，將會得到越來越廣泛的應用。

2.3.2GNSS 技術應用

全球導航衛星系統GNSS包含了美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的 Galileo、中國的北斗系統。我國的北斗系統于2000年建成導航實驗系統，目前已成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域,產生了顯著的經濟效益和社會效益,特別是在 2008 年汶川抗震救災中發揮了重要作用。但目前北斗系統還未進入大規模的民用階段,大部分成熟系統仍以GPS為主。

GPS是上世紀70年代美國軍方研制的衛星導航定位系統。其主要目的是為陸海空領域提供全天候、全球性和實時的位置服務，通過24顆GPS衛星星座可實現全球 98%區域的覆蓋率。定位系統由空間星座、地面控制和用戶設備組成, 高速運動的衛星不間斷的發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收后，采用空間距離后方交會的方法，經過計算求出接收機的三維位置，運動方向以及速度和時間信息。由于 GPS 技術所具有的全天候、全球性和高精度的特點，作為先進的測量手段，已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個領域。

在地質災害領域常見應用包括：（1）精密測量，采用 GPS 定位技術進行精密測量，平差后控制點的平面位置精度可以達到±（l?2）mm ,高程精度為±（2? 3） mm。在大地測量、地殼形變監測、滑坡監測、地質工程測量等諸多領域得到了廣泛的應用和普及。近年來，星載 GPS 接收機已裝配到遙感衛星上，進而可獲得遙感地面目標的自動定位，精度可達到米級。 GPS 的技術能力已從地球表面擴展到了航空測量和航天遙感上。（2）數據采集，通過手持GPS設備獲取地表災害體目標要素的空間坐標數據，可以方便的進行地質填圖的數據采集，減少野外工作量，縮短成圖周期［27,28］。另外，通過在監測設備上裝置 GPS 模塊能夠準確對監測設備的位置進行標定，結合 GIS 系統能方便基于位置對設備進行管理以及快速定位監測區域。

2.3.3三維 GIS 平臺應用

地理信息系統（GIS）是在地理學、地圖學、測量學和計算機科學等學科基礎上發展起來的一門學科。它是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，運用軟件系統工程和信息科學的理論，對具有空間內涵的地理數據進行綜合管理和分析，以提供管理、決策等所需信息的軟件系統。地理信息系統作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數據的重要工具、技術和學科，近年來得到了廣泛關注和迅猛發展。

GIS不僅可以像傳統的數據庫管理系統（DBMS）那樣管理文本或屬性信息, 而且還能管理空間信息，并利用空間分析方法對信息進行綜合分析處理。地質災害信息具有天然的空間屬性，因此，自80年代以來，GIS在地質災害管理中逐步得到深入應用：從簡單的災害數據管理、多源數據集數字化輸入和繪圖輸出，到DTM和DEM模型的建立和使用；從GIS結合災害評價模型的擴展分析，到 GIS 與決策支持系統的集成［29］。

傳統的 GIS 系統，在二維層面上難以給人真實的自然環境感受，隨著計算機信息技術的發展，三維GIS系統在二維GIS的基礎上將地理信息實現三維可視化表達，在地質災害評估中，地形起伏度和坡度、坡向不僅可以定量描述地形地貌特征，同時和滑坡災害的發育存在很大相關性，正是由于這種更清晰直觀的表現力，正越來越被重視并應用到地質災害的信息管理與監測預警中［30］。

利用地理信息系統的各種功能，建立地質災害空間信息管理系統，管理地質災害調查資料，顯示并查詢地質災害的空間分布特征信息，評價地質災害的危害程度，分析地質災害和影響因素之間的關系，提出減輕和防治地質災害的措施，對將來可能發生的地質災害進行預測。

2.3.4 3S 集成應用

3S集成技術是將全球定位系統（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統（GIS）根據應用需要，有機地組合成一體化的、功能更強大的新型系統的技術和方法。 3S已從各自獨立發展進入相互融合、共同發展的階段。集RS、GPS、GIS技術的功能為一體，可構成高度自動化、實時化和智能化的地理信息系統，為各種應用提供科學的決策咨詢，以解決用戶可能提出的各種復雜問題。

遙感技術可以為GIS提供地質災害區域相關的空間數據和屬性數據，是GIS 的重要數據來源；GPS通過全球定位可以為提供災害體的位置要素信息，為GIS 提供坐標數據； GIS 提供對各類數據的統一管理、存儲、分析處理與展示，能提供針對地理數據實現空間分析功能，并將結果進行二三維的可視化表達，為防災救災進行輔助的分析決策。［9］

3S 集成在地質災害領域的典型應用包括：

（1）數據獲取與處理：主要包括RS數據、GPS和實測數據、野外調查數據等。依據 RS 技術特性可獲取大范圍數據，具有獲取信息速度快，周期短，信息量大等特點，同時利用 GPS 的定位功能提供目標的詳細地理坐標，而實測數據及現場勘查數據可以對RS和GPS進行補充，獲得更加精確的數據，為系統提供準確的地質災害綜合信息。

(2)數據分析管理：基于GIS強大的空間查詢、分析和處理功能。通過GIS 平臺實現數據的錄入、處理和更新；空間分析和統計、圖形編輯等；同時利用 GIS 特有的空間分析功能，結合遙感及 GPS 數據，可以在地質災害監測系統中進行空間疊加分析、緩沖區分析等。可反映地質災害的分布特征與影響范圍，對防災減災具有指導意義。

(3)監測與預警：監測預警是地質災害管理系統功能之一，是災害預測預報的重要方式，將依托GPS和RS的數據更新能力，結合現場監測設備，通過監測數據的變化來反映災情的變化，為災害防治提供決策依據。

(4)分析決策：分析決策是地質災害防治的重要環節，在 GIS 系統平臺基礎上,結合RS、GPS等多元數據，構建決策分析模型，并進行可視化的數據表達, 能為相關部門提供科學直觀的決策依據。

不局限于二維 GIS 的常規應用，在地質災害領域中更希望能從三維空間來進行研究，如地形的起伏變化，坡度、坡向、流域地形等，三維 GIS 所具有的表現力愈來愈為大家所重視，通過在傳統 GIS 應用的基礎上疊加數字高程模型，實現具地形可視化表達功能的三維GIS,并結合遙感與全球定位技術實現數據管理與監測預警以及可視化分析，是實現防災減災的重要工具和手段，將在地質災害防治中發揮越來越重要的作用。

但是，不同于常規的信息管理系統，地質災害數據因為其本身的空間地理屬性，具有空間信息的分布性、海量性與異構性，數據類型繁多，兼有多源性、時空性、多尺度、多分辨率等特點。傳統的地質災害信息管理方法往往有數據不全面、時效性差、數據無法共享、系統功能單一、缺乏統一描述標準難以實現網絡訪問等問題。

介于上述問題，本文描述了一種基于地學瀏覽器實現3S集成，并通過客戶端聚合服務實現數據和功能聚合以構建三維地質災害信息管理平臺的方法。

2.4 本章小結

本章首先對地質災害的成因與危害進行了簡單介紹，引出了地質災害減輕工程的內涵，明確了地質災害管理在地質災害減輕工程中的地位與作用，并從地質災害防治應用的需求出發，對3S技術在地質災害防治中的積極作用進行了闡述, 探討了空間信息技術對地質災害防治的重要性。

第3 章基于空間信息服務的地災信息管理業務體系

3.1地質災害信息管理

3.1.1基本功能介紹

地質災害信息管理平臺是以地質災害的防災減災需求為指引，在“智慧地球” 理念指導下，以空間信息技術為基礎，基于三維地學瀏覽器客戶端平臺，提供地質災害信息的可視化管理、分析以及監測預警的綜合管理軟件平臺。

3.1.2管理數據對象

地質災害信息管理系統依托地理信息系統（GIS）,全球定位系統（GNSS）, 遙感（RS）技術，充分利用數據庫技術、物聯網技術、計算機信息技術、嵌入式技術、通信和多媒體技術等，集地質災害信息綜合管理、監測數據管理、分析表達等一體，實現地質災害防治管理的科學化、信息化、標準化和可視化、為防災減災決策提供科學依據，為地質災害防治工作質量、效率和管理水平的提高奠定基礎。

管理的地質災害數據內容主要有：

1.基礎空間數據

基礎地理信息主要是指由測繪部門發布的通用性最強，應用需求最大，為所有地理信息相關行業所采用的統一基礎空間數據，主要由自然地理信息中的地形、地貌、水系、植被以及社會地理信息中的居民點、交通、行政區劃、特殊地物、地名等要素構成。

2.業務數據

地質災害業務數據，包括災害點、隱患點、詳查點及監測點類型，位置、分布，范圍等基本信息。

3.專題信息數據相關部門或單位制作或積累的空間數據，主要有地質、植被、人類活動、教

育、醫療、衛生等相關信息。

4.監測數據即實時數據，主要是通過網絡接收遠程監現場測設備傳輸過來的水位、雨量、

裂縫深度、位移量等實時信息，用于地質災害的監測和預警預報的動態數據。

3.1.3數據特點

1.分布性地質災害相關數據的存儲具有分布特性，由于各職能部門功能不同，數據采

集方式不相同，數據具有差異，各自在不同地點進行發布后為管理平臺提供數據服務。

2.異構性地質災害數據處理由各種不同的應用軟件產生，又分散地存放在不同部門或

不同地點、不同類型的硬件設備上，具有異構特性，一般將異構數據分兩類處理: 規則數據與不規則數據。

3.海量性地災行業應用的不僅有文本數據，還有圖形、圖像、三維模型、矢量數據以

及各種分析計算過程中產生的結果和中間數據，特別是構建、瀏覽三維虛擬場景時往往采用是從整體到局部的LOD技術，為實現真實效果時常需要GB級甚至 TB 級的數據支持［13］。

4.空間性地質災害中的數據都大多與空間信息有著密切聯系，如地理區域范圍，災害

點位置、空間實體的空間位置、矢量數據特性等都有著密不可分的空間位置關系。

5.多分辨率由于數據采集方式和應用需求的不同，地質災害數據通常會涉及到多種分辨

率，以實現對不同尺度的目標進行相應的表示。除多種空間分辨率外，還有光譜分辨率、時態分辨率等差異。

6.多時相性地質災害管理中的數據不僅包括成災過程中各個時間段的監測信息，而且還

要包括與該地該類型災害相關的歷史記錄數據，此外，數據的采集與更新都要加入時間模型。

3.1.4數據類型

數據是信息的載體，根據其時空特征，可以分為空間數據和非空間數據：

(1)空間數據

空間數據是描述地球表層一定范圍內的地理事物及其關系的數據，是現實世界地理實體或現象在信息世界中的映射。通常用來表示空間實體的位置、形狀、大小及其分布特征諸多方面信息的數據，它可以用來描述來自現實世界呈現 2 維、3 維甚至多維的目標，它具有定位、定性、時間和空間關系等特性。不僅包含表示實體本身的空間位置和形態信息，還包括表示實體屬性和空間關系的信息。從數據類型上來說，可以是文本、表格、數字、圖形和圖像。按照空間數據的特征，可將其分為空間特征數據（定位數據）和屬性特征數據（非定位數據）。一般來說，空間特征數據包括地理實體的定位數據、拓撲數據和幾何特征，一般以坐標數據表示，如笛卡爾坐標等。屬性特征數據包括地理實體的專題屬性（名稱、分類、數量等）數據。

按照空間數據的數據結構，可分為柵格和矢量數據結構。柵格結構是以規則陣列表示空間地物或現象分布的數據組織，組織中每個數據表示地物或現象的非幾何屬性特征，如 DEM 格網和影像數據（衛星影像或航空照片）。矢量數據結構是通過空間坐標記錄的方式表示點、線和多邊形等地理實體。

（2）非空間數據非空間數據是對目標體除空間特征以外其他特性的描述，地質災害信息管理中的非空間數據是指與地理位置沒有直接映射關系，能夠科學、直觀、詳盡描述地質災害行業應用的多類數據，涉及多方面的信息，如人文經濟數據、服務設施類型、群策群防數據、工程設施資料等，以及相關的文本描述、圖像、聲音、動畫等多媒體數據、三維模型數據、視頻數據等。

根據數據變化周期的時間特征上說，又可將數據分為靜態數據和動態數據。

（1）靜態數據

靜態數據指數據更新頻度較低、變化周期較長的數據，如地質數據，包括巖性、褶皺、斷層等以及基礎地理數據，包括DEM柵格數據等。此類數據由于更新周期較長，可以作為基礎服務數據并在客戶端考慮采用緩存機制。

（2）動態數據動態數據具有較高的更新頻率，如視頻數據，雨量數據， GPS 位移數據等各

類傳感器實時回傳數據，需實時讀取更新。

3.2地質災害信息管理中的空間信息服務

地質災害管理中的數據具有時空特性和分布特性，其主要信息以空間信息為主，反映了地質災害相關行業數據的空間分布特征，兼具基礎性、異構性特點。傳統空間信息訪問架構采用“面向系統”的體系，數據應用環境相對封閉，難以擴展與共享，新型地理信息系統提出以網絡方式實現資源共享與集成。空間與非空間數據通過網絡實現數據共享和發布是通過空間信息服務來完成，地災中的空間與非空間信息密切相關，空間信息服務能夠實現網絡環境中空間信息收集，管理與傳輸，是實現數據共享與發布，為用戶提供信息服務的關鍵手段［31］。

3.2.1空間信息服務概念

在網絡環境下，應用軟件通常需要通過網絡實現資源訪問，而資源按照一定協議提供的訪問規則，被稱為服務(Service),它是可以通過一個接口來訪問的操作集合，它允許用戶通過觸發其行為來獲得響應的結果(ISO/TC211,2001a)。如果服務的屬性具有空間或地理信息屬性，則可被稱為空間信息服務或地理信息服務，準確來講，空間信息服務是以空間信息為主，能夠隨時隨地(Anytime, Anywhere, Anything)為用戶提供連續的、實時的和高精度的位置信息和周圍環境信息的服務［32］。

由于空間信息服務的服務主體是空間信息，因此，其區別于其他信息服務的關鍵是由空間信息的特殊性決定的。主要在于以下方面：

(1)封閉性

空間信息是以基礎地理信息為基礎，而這部分數據由專業部門生產與管理，造成了數據源具有一定的封閉性。

(2)安全性

高精度的基礎測繪數據屬于國家保密數據，因此，在服務方式上將區別于非保密數據，需保障數據安全性。

(3)專業性

空間信息服務具有較強的專業背景，隨著各行各業對空間信息應用的增多，需向大眾推廣空間信息服務。

(4)實現復雜性

由于空間數據的異構性與專業性，尤其在對數據的存儲，組織，管理，共享等方面，對信息服務的實現技術和提供方式有很高的要求。一般的信息服務技術和服務模式無法完全滿足空間信息服務的需求。

3.2.2空間信息服務鏈

在網絡應用環境中，根據系統應用的復雜度，空間信息服務通常將包括多個不同功能的服務，要實現完整功能則需要將不同功能的服務組合應用。 OGC 規范當中定義了用戶定義鏈、流程管理服務鏈和集成服務鏈等三種服務鏈［14,18,32］：

(1)用戶定義鏈又稱為透明服務鏈。由用戶將需要實現的原子服務組合在一起，完成復雜的空間信息服務流程。各原子服務對用戶來說都是透明的，由用戶控制服務鏈的整個流程。

(2)流程管理服務鏈又稱半透明服務鏈。在這種情況由用戶調用工作流管理服務，工作流管理服務控制服務鏈，用戶了解服務鏈中的各原子服務的調用情況，用戶通過工作流管理服務掌握服務調用。

(3)集成服務鏈又稱不透明服務鏈。這種情況下，用戶調用一個服務，該服務負責執行服務鏈，用戶并不了解服務鏈中調用的服務內容及組合方式。

3.2.3 空間信息服務基礎

實現空間信息服務的集成與聚合，目前正從面向過程的體系架構、面向系統的體系架構，發展至面向服務的體系架構，其主要技術包括：

(1)可擴展標記語言

可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML)是一個基于文本的標記語言。由萬維網聯盟(World Wide Web Consortium，W3C)組織制定的一種互聯網上交換和表達數據的標準，是一套定義語義標記的規則。通過XML可以嚴格的定義結構化數據，可以作為定義數據描述語言的語言。其主要特點有：

a.可擴展性。標記用于描述實體，允許用戶自定義專用的語法和標記。

b.結構化特性。XML文檔通過標簽的嵌套實現樹形結構，因此對于層次結構有很強的描述能力。

c.內容與表示的分離性。XML文檔只是對內容的描述，它的外觀需要通過 XSL(XML樣式語言)來描述。

d.平臺無關性。XML是一種自描述語言，數據本身就包含了元數據。其本身是一種純文本語言，能夠被各種平臺支持。

(2)Web 服務描述語言

Web 服務描述語言(Web Service Description Language,WSDL)是一個提供描述服務IDL標準方法的XML詞匯。WSDL文檔包含了服務URL和命名空間、網絡服務類型、有效函數列表、函數參數與類型、函數的返回值與數據類型等信息，其結構框架由XML Schema定義。它能夠描述基于HTTP協議上的GET， POST和SOAP綁定，GET和POST綁定可以支持對OGC網絡服務的描述。

(3)簡單對象訪問協議

簡單對象訪問協議(Simple Object Access Protocol, SOAP)是 Internet 中交換結構化信息的輕量級機制。SOAP在請求者和提供者之間定義了一個通信協議，請求對象可以在提供對象上執行遠程方法調用。

(4)統一描述、發現和集成

統一描述、發現和集成( Universal Description, Discovery and Integration, UDDI）規范提供了一組公用的SOAP API,具有發布各種Web服務描述信息的能力。UDDI注冊使用的核心信息模型由XML Schema定義。

在面向服務的應用中，服務描述是關鍵問題，基本上服務描述技術都是采用 XML來表示，XML的自我描述特性，適合數據交換和共享，具有很強的開放性

3.2.4 常用服務架構

基于網絡實現空間信息匯聚的方式通常有客戶端/服務器模式（簡稱C/S模式）和瀏覽器/服務器模式（簡稱 B/S 模式）。

（ 1 ） C/S 模式

在 C/S 模式中，客戶端主要功能是管理用戶即可，處理應用邏輯，發送請求并從服務器接收返回結果。服務器則是通過數據庫管理系統來集中管理應用程序的各種數據。 C/S 結構具有很強的數據組織和事務處理能力，保證數據安全和約束完整性。但C/S模式開發及后期維護成本較高，客戶端龐大，系統使用復雜，無統一標準，難以適應空間信息異構服務環境下大訪問量和數據量的需求。

（ 2） B/S 模式

B/S 模式是 C/S 模式三層結構演化的體現，即“瀏覽器-應用服務器-數據服務器”三層。數據表達部分放在瀏覽器端，數據處理部分由應用服務器負責，數據管理由數據服務器完成。用戶端界面為 Web 瀏覽器，通過向服務器端發出服務請求，再通過網絡獲得服務器返回結果。B/S模式的瀏覽器由于弱化了 C/S模式中客戶端的功能，難以實現個性化功能要求，特別在三維空間呈現等需要富客戶端支持的方面相對C/S模式有一定不足。

針對上述 C/S 和 B/S 模式在空間信息網絡服務應用中的不足，引入了一種新型的空間信息網絡服務模式-G/S模式，它將網格計算和云計算中的“聚合”理念與空間信息網絡服務模式相結合，實現客戶端服務聚合。

3.3空間信息網絡服務模式-G/S模式

3.3.1 G/S 模式概念

空間信息G/S （地學瀏覽器/服務云）模式是一種基于互聯網的空間信息服務模式,不同于C/S與B/S模式,G/S模式提出一種以超地理標記語言HGML（Hyper Geographic Markup Language）為核心，在分布式網絡計算環境下，對網絡上海

量、異構的數據進行存儲、組織、調度，并通過客戶端實現動態聚合服務，建立起基于“請求-聚合-服務”工作機制的地學瀏覽器-服務云的技術體系架構，為海量空間數據的存儲及組織應用提供一種解決思路。 [36-38]

G/S模式中的G端-地學瀏覽器是以三維地理信息展示為基礎功能，在統一地理坐標下通過服務聚合實現多類空間數據匯聚表達的可交互客戶端軟件。S端服務云主要由基礎空間數據服務器和面向應用的行業數據服務器等服務器群構成，基礎空間數據服務器用來管理和發布影像柵格數據、矢量地理數據以及高程數據等基礎空間數據；行業數據服務器用與管理及發布詳查數據、地質數據、監測數據等針對不同行業應用的數據。 HGML 作為地學瀏覽器與服務器間數據組織的核心，發揮著紐帶作用。G/S模式示意圖如圖所示：

基礎數據+行業數據

圖 3-1 G/S 模式示意圖

332 G/S模式特性

（1）采用地學瀏覽器客戶端

G/S 模式充分利用當前終端設備比過去大幅提升的計算能力和圖形圖像處理能力，在客戶端實現基礎三維地理信息平臺，在統一地理坐標下根據空間位置完成空間數據三維環境瀏覽、查詢和分析。并通過HGML (超地理標記語言) 實現基于網絡的多類服務聚合，對基礎地理數據，如影像、高程等柵格數據實現緩存存儲以提高網絡訪問效率。

(2)統一的數據交換標準

G/S模式通過HGML對空間數據進行統一的組織和管理，它以XML為基礎, 借鑒了 GML管理空間數據的專業功能和KML展示空間數據的語法結構，以文本的形式描述空間實體幾何圖形以及屬性，是G/S模式中數據組織、管理、交換、展示的標準和規范。由于基于 XML 的開放性標準和格式，所以采用 HGML 還可以聚合基于 Web 的空間信息服務、基于云計算的空間信息云服務以及基于網格計算的空間信息服務，具有良好的可擴展性與可維護性。 HGML 是 G/S 模式的核心，也是G/S模式區別于B/S模式、C/S模式最顯著的特點。

( 3)分布式服務器結構

G/S 模式是以“數據分散、服務聚合”為原則的架構體系，通過分布式服務器群存儲異構數據，并通過 HGML 對分布式環境下的各種類型及格式的數據和數據集進行存儲、組織和管理。

3.4 本章小結

本章在分析研究地質災害信息管理數據對象特性的基礎上，針對地災數據對象的空間特性，描述了網絡環境下空間信息服務的特點與常見架構。結合空間信息服務在地質災害信息管理中的應用，探討了新型空間信息網絡服務模式-G/S 模式在構建地質災害信息綜合管理平臺中的適用性與基本的應用框架及應用特點。

第4章基于G/S模式的地質災害信息管理平

臺總體設計

4.1 平臺構建機制分析

4.1.1基于G/S模式的地災信息管理平臺

本課題是以地質災害防治信息化管理的需求為指導，以解決地質災害信息的三維表達與分析為核心，研究三維數據展示與服務聚合方法，基于地學瀏覽器- 服務云架構，實現在三維環境下的基礎地理信息、地質災害信息、群測群防信息、監測信息等地質災害相關信息的信息表達和一體化管理。

地質災害信息化管理中的數據以具有時空特征的空間數據為主，兼有非空間數據且與空間數據密切相關，各類相關數據具有海量性和異構性特點。管理系統需兼顧各領域、各種數據形式、各類存儲方式的特點，實現數據的組織管理與共享，并能在客戶端實現信息匯聚與表達。

G/S 模式作為一種新型的空間信息網絡服務模式，以空間信息服務為主，通過 HGML 以統一方式對空間及非空間數據進行存儲、組織、交換、共享、表達， G端地學瀏覽器是基礎地理信息及專題數據的組織與展示平臺。

地質災害信息管理系統是以共享、管理、展示空間信息及專題數據為主，而 G/S 模式是實現空間信息網絡服務的一種新型模式，是針對空間信息應用的一套理論和方法體系，因此，將G/S模式應用在地質災害信息管理系統中是切實可行的，也是G/S模式針對具體行業的一種實例化應用。

4.1.2 G/S模式在地災信息管理中的應用特性

不同于C/S或者B/S模式的應用，將G/S模式應用在地災信息管理平臺上將具有以下特點：

(1)在體系結構上，采用地學瀏覽器/服務云的結構，通過基于HGML擴展的針對地災行業應用的GHML (地質災害標記語言)實現數據組織管理，服務云端的服務器群負責存儲各種類型的數據，由GHML實現數據服務的組織與描述, 地學瀏覽器端通過 GHML 獲取服務，并聚合展示各類信息，具有客戶端強大的計算能力，并具有基于GHML的統一數據交換規范，兼具B/S與C/S的優點。

(2)在數據管理上，基于網絡通過分布式服務器組織，分為基礎地理數據服務器群和地質災害專題數據服務器群，使數據共享程度提高，基于分布式方式構建也降低了后臺異構數據服務器的耦合度，易于維護和管理。

(3)在數據組織上，采用以XML為基礎的GHML語言組織，由于XML本身具有良好的跨平臺性和可擴展性，易于實現新數據服務的描述與發布，并可擴展服務范圍。

(4)在數據應用上，以基礎地理數據為基礎，根據具體應用需求整合相關的專題數據，降低了數據的重復率。

(5)在功能實現上，以三維地學瀏覽器作為整合矢柵數據表達、行業數據管理與展示、地理要素標注、三維飛行漫游、綜合信息查詢與分析等功能的客戶端軟件，并根據地質災害應用需求深度定制，不僅具有更高的開發效率，也具有良好的系統穩定性。

因此，將 G/S 模式與地災信息管理系統相結合，不僅可以獲得逼近真實地理環境的三維展示效果，為科研人員提供直觀豐富的展示信息與良好的互操作性，降低專業軟件的操作復雜度，而且在數據共享、組織、管理上也能實現統一描述，降低網絡復雜度與計算復雜度。

4.2基于G/S模式的地災信息管理平臺架構

4.2.1地災信息管理平臺的總體架構

基于 G/S 模式的地災管理平臺的總體架構是由基礎地理信息及專題數據分布式服務器群、數據注冊中心和三維地學瀏覽器平臺組成。其總體架構如圖 4-1 所示。

4.2.1.1三維地學瀏覽器

三維地學瀏覽器平臺是系統數據可視化和分析應用的主要載體，是系統功能的實現基礎。地學瀏覽器以三維地球引擎為基礎，通過客戶端聚合服務，實現多源空間、屬性數據可視化管理與加載，如DOM （數字正射影像圖）、DEM （數字高程模型）和DLG （數字線劃圖）等基礎地理數據的按需加載，并能針對地質災害的應用，通過專題服務器實現災害點（體）、地形等高線、監測數據等專題數據的聚合展示以及根據基礎數據實現分析量算等功能。

4.2.1.2GHML數據注冊中心

數據注冊中心采用針對空間數據為主的輕量化注冊模型，其核心是以HGML 為基礎的，針對地質災害行業應用的GHML（Geo-Harzad Markup Language）。數據注冊中心用于實現分布式數據注冊以及為查詢請求返回服務地址。其基本的工作模型如圖 4-2所示：

圖 4-2 數據注冊中心基本工作模型

4.2.1.3分布式服務器群

分布式的服務器群是S端服務云的主要組成部分，是系統數據存儲管理及服務共享發布端，具有冗余存儲、動態協同、負載均衡、自適應的分布式數據管理方法及面向信息匯聚的數據調度機制，包括基礎空間數據服務器群和針對地質災害行業應用需求的專題數據服務器群。

(1)基礎空間數據服務器群基礎空間數據服務器用來組織和管理遙感數據、導航衛星數據、地形數據等

基礎空間數據。基礎空間數據服務器群接受來自地質災害平臺客戶端的數據請求，并按照請求參數將服務內容通過 Internet 向用戶終端的客戶端提供如 OGC 規則的柵格圖片、矢量空間數據、切片文件數據等基礎空間地理數據服務。

(2)專題數據服務器群專題數據服務器用來組織測繪數據、地質數據、環境數據等不同行業的專題

數據，如高清影像數據、水文數據，氣象數據，地質災害調查數據，區域地質調查數據等，以面向服務(SOA)為中心，通過網絡為地災平臺客戶端提供如分布式文件服務、OGC標準服務、Web服務、流媒體服務、數據庫服務等多類專題數據服務。

4.2.2 主要技術特點

平臺為地質災害信息組織管理與分析表達提供了整體的解決方案，具有如下的技術特點：

(1)以面向服務為中心的總體框架結構，基于分布式，低耦合度的服務器端和模塊化的客戶端三維地學瀏覽器軟件，能夠為地質災害防治管理提供一套通用的基礎方法和組件，保障了地質災害遠程監測、預警、多源異構空間信息的無縫集成。

(2)針對地質災害應用，在參照HGML的基礎上，提出了地質災害標記語言 (GHML)作為地質災害信息聚合與表達的數據交換規范。HGML克服了 GML

的復雜性和KML偏重于顯示的不足之處，在參考KML和GML的語法結構和專業功能設計的基礎上，基于標準XML定義了 HGML的語法結構和規則，針對地質災害信息的應用特性，在HGML基礎上擴展定義了 GHML的語法規范， GHML 不僅能夠對空間數據、分布式空間數據文件和數據庫數據等進行描述，而且能夠針對地質災害應用定義相應的語法規則，以便于共享維護。 GHML 是基于 G/S 模式的地災應用系統的技術核心。

(3)實現海量空間數據管理及三維數據支持，可以在三維地形之上，疊加顯示海量多層的矢量或柵格數據，比如基礎地質、災害易發性分區、防治規劃等專題地圖，為決策管理提供專業保障。

(4)基于三維虛擬現實技術，通過讀取地形數據與影像數據，構建可交互的三維地理環境作為基礎操作平臺，用以實現用戶基本交互操作。通過計算機仿真技術，能夠實現場景的動態切換與實時渲染，給用戶身臨其境的真實體驗，直觀表達三維場景，并能根據地形數據的讀取進行基礎的三維測算操作。

(5)支持基于地理位置的地質災害實時監測數據統一管理模型，能基于地理位置實現地質災害監測預警、決策中的實時監測數據，GPS車輛監控，動態目標監控的數據展示要求。

4.3 總體功能設計

(1)地學瀏覽器功能設計三維地學瀏覽器是面向終端用戶的交互界面，是平臺功能體現的最終載體，需界面美觀，操作性好，人機交互設計優良。具有強大的三維可視化能力是其基本功能，可實現地形及地表的三維模擬和三維漫游控制，并在其基礎上實現所需數據的疊加分析計算，其具有的主要功能子系統有數據管理子系統，三維交互子系統，三維模型管理子系統，空間計算子系統，監測預警子系統， GHML 解析模塊。具體如圖 4-3 所示：

圖 4-3 地學瀏覽器功能設計

(2)服務器群功能設計服務器群是應用數據組織管理與發布共享的中心，根據具體應用環境中數據

提供方式的不同，可以由分布式文件服務器、空間數據庫、數據庫服務器、地理信息系統服務器、Web服務器、流媒體轉發服務器等提供不同數據類型的服務器構成。

服務器端根據數據類型的不同及數據量的大小，從地學瀏覽器端展示效果及網絡資源的合理應用上考慮，主要服務類型包括：分布式文件服務、OGC標準服務(如， WMS、WCS、WFS)、 Web 服務、數據庫服務、流媒體服務及其他自定義服務等，各類服務通過注冊中心注冊，實現數據共享與發布。

(3)注冊中心功能設計作為服務器端與地學瀏覽器端聯系的紐帶，通過 Web 服務，注冊中心以

GHML 語言描述的方式提供各類數據服務的注冊、元數據查詢、數據交換參數等，并提供多用戶及權限管理功能，最終為地學瀏覽器端提供數據獲取服務。

注冊中心的核心是對GHML的組織與應用，GHML是基于HGML的擴展，實現數據描述、交互操作描述和服務描述。

數據描述主要包括對空間數據的描述，如點、線、面、體等空間實體的描述，并對其位置和空間關系進行定義。

交互操作描述是對客戶端的可視化表達與人機交互屬性的相關描述，包括對視點位置，視點高度，視點傾斜角度，視點方向角等的定義。

服務描述用于實現對服務器端提供的各類數據服務進行描述，客戶端通過讀取服務描述，構造服務請求，獲取服務內容。

4.4相關實現技術介紹

4.4.1Java 與 JOGL 實現技術

Java程序設計語言是一種完全的面向對象程序設計語言。自從1995年Java 語言正式發布以來，利用前瞻的設計理念，逐步贏得了廣泛的市場，成為當今軟件設計的主流語言。地學瀏覽器平臺采用 Java 技術開發，其諸多特性能充分支持地學瀏覽器的功能需求：

(1)分布式

Java是面向網絡應用的語言。通過它提供的標準類庫，可以處理TCP/IP協議規程，可以通過URL地址在網絡上訪問其他對象，能夠方便的實現與其他計算節點協同工作的目的。

(2)面向對象

面向對象是Java重要特性之一。與C++不同，Java不支持C語言的面向過程程序設計。Java支持靜態和動態風格的代碼繼承與重用，其代碼復用的風格非常適用于地學瀏覽器功能定制的應用環境。

(3)可移植性

地學瀏覽器設計思路不僅可以在 Windows 環境運行，根據不同的需求，需要也能適應其他操作系統或者移動計算設備設備oJava由于編譯結果將生產字節碼中間文件，再通過虛擬機解釋執行，因此只需要編譯一次，在配置了 Java 解釋器和運行環境的任何計算機系統上都能運行，具有良好跨平臺性。

(4)多線程

線程是操作系統中的概念，是處理器調度的基本單位，采用多線程可以同時訪問進程中的多個資源，使應用軟件更加具有交互性和實時響應能力，特別在地學瀏覽器的應用中，多線程能較好的實現不同類型圖層加載控制、交互操作控制、事件監聽等功能。

(5)高效性

Java的解釋器是針對字節碼進行解釋執行，由于字節碼的生成經過了優化，很容易翻譯成機器指令，具有較高的執行速度，特別在三維呈現上，保證了系統的運行效率與可操作性。

JOGL 即 Java Bindings for OpenGL,是 Sun 支持的對于 OpenGL 的 Java 類綁定。OpenGL是一個獨立于操作系統和圖形用戶界面的開放圖形軟件包[39,40],因此,采用JOGL開發圖形用戶程序可以方便的實現跨平臺應用。基于JOGL對三維 GIS 系統的開發有以下特點:

(1)建模快捷，JOGL提供基本的繪制點、線、面的函數外，還提供了較為復雜的繪制三維體及曲線、曲面的函數。

(2)圖像變換，JOGL的圖像變換主要包括基本變換和投影變換，基本變換如平移、旋轉、鏡像變化等，投影變換包括正射和透視投影變換。通過圖像變換可以提高三維系統的顯示效率。

(3)紋理映射(Texture Mapping),紋理映射是實現真實感圖像的一個重要部分，用于表現物體表面細節，以盡可能還原實物的視覺效果。

(4)位圖顯示和圖象增強，圖象功能除了基本的像素操作外，還提供融合 (Blending)、反走樣(Antialiasing)和霧(fog)的特殊圖象效果處理。可以使

得被仿真的物體更具真實感，增強圖像顯示質量。

(5)雙緩存技術(Double Buffering)雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，即，前臺緩存顯示后臺緩存的內容，同時后臺緩存用于繪制畫面，用于解決屏幕閃爍感，增強視覺效果。

因此，采用 Java 與 JOGL 結合的方式實現三維地學瀏覽器平臺具有開發與顯示效率高、移植方便等特點，是三維平臺開發的基本技術手段。

4.4.2 富客戶端技術

C/S 模式采用圖形用戶界面，客戶端集中了大部分的應用邏輯，因此數據處理能力比較強。但由于客戶端應用程序需要進行不斷的更新(因為應用邏輯總是在不斷的變更)，因此部署成本與維護成本比較高，只能為少數人所使用。這類客戶端通常被稱為胖客戶端。隨著網絡發展， B/S 模式也得到了廣泛應用， B/S 模式在企業級應用中，解決了 C/S 應用程序需在本地安裝以及更新較復雜的問題，降低了應用程序的維護成本。一般稱瀏覽器客戶端為瘦客戶端。由于B/S模式采用了 Web 頁面形式的用戶界面，客戶端是通過瀏覽器實現數據表現，本地數據處理能力較 C/S 應用程序有所降低。

Rich Client (富客戶端)提供一個運行時環境以承載已編譯的客戶端應用程序，它使得客戶端交互能力和傳統 C/S 模式中的客戶端能力相近，能夠處理大部分業務邏輯。Java富客戶端技術-RCP (Rich Client Platform)基于OSGi (Open Services Gateway Initiative)框架，該框架能實現一個完整的、動態的組件模型。而單獨的 Java VM 環境正好缺少這個模式。應用程序無需重新引導可以被遠程安裝、啟動、升級和卸載，API中還定義了運行遠程下載管理政策的生命周期管理，服務注冊允許應用程序去檢測新服務和取消的服務，然后相應配合。因此， Java RCP具有強大的本地運算能力和基于服務的面向對象模型，它具有B/S的業務簡單擴充性，部署簡易性，客戶端瘦小性等特點；同時擁有C/S的UI表現豐富，可脫機運行，擁有一定運算能力和邏輯處理能力等特點。RCP是C/S與 B/S 結合的產物，優秀的結合了 C/S 和 B/S 的特點，是基于 G/S 模式實現地質災害信息管理平臺建設的技術之一。

4.4.3基于 XML 的地災標記語言

XML （Extensible Markup Language）即可擴展標記語言，是 W3C為了補充超文本標記語言的不足而制定的一種類HTML標記語言，因此，XML也來自標準通用標記語言SGML，繼承了 SGML的擴展性、自描述特性和結構化文件的特性，適合數據交換與共享。基于XML的語法規則，開發者可以定義自己的標記，通過 XML 的結構化數據表示方式，實現數據和表達的分離，同時， XML 可以在客戶機上操作，無需與服務器交互，減輕了服務器的負擔。

XML 結構簡單，易于通過程序實現讀寫，而且也很容易加載 XML 數據到程序中并分析它，并以XML格式輸出結果，這使XML很快成為數據交換的唯一公共語言。

基于 G/S 模式的地質災害信息管理平臺中包括海量、多源、多時相、多分辨率空間數據和各種類型的地災專題數據，這些數據分散存儲于網絡環境，數據類型、存儲格式以及數據發布的方式都有較大差異，可利用XML跨平臺特性實現統一描述。GHML作為HGML在地災行業的擴展，它不僅能夠對空間數據、分布式數據文件和數據庫、視角等進行描述，對數據進行存儲、組織、管理，而且還能針對地質災害專題數據定制描述規范。

4.4.4地理信息技術

地理信息技術是指獲取、處理和應用空間地理信息的技術。它包括地理信息系統（GIS）、遙感（RS）、全球定位系統（GPS）和數字地球技術。“3S”技術是空間信息技術應用的關鍵，它是地理信息技術、遙感技術、全球定位技術與計算機技術、網絡技術、數字通信技術相結合，跨學科領域對空間信息進行獲取、處理、管理、分析及表達應用的現代信息技術。基于 3S 技術的數字地球技術則是在計算機技術、網絡技術和海量存儲技術基礎上，以地理坐標為參照對地球進行多分辨率、多尺度、多時空的三維描述技術［41,42］。

數字地球技術是構建基于 G/S 模式的地災平臺地學瀏覽器客戶端的技術基礎，地學瀏覽器參考數字地球的數據組織調度及三維表現能力，融入地災行業特性。 3S 技術能夠提供地災應用所需的地理數據及位置服務等，并可為地災平臺提供空間數據的管理、分析等功能。

4.4.5海量數據管理技術

海量數據的管理技術是指對各種海量的空間或非空間數據，如：多分辨率影像數據、地形數據、統計數據、監測數據、多媒體數據，進行高效組織管理以及共享調度的技術。主要包括數據融合技術、元數據技術、數據庫與數據挖掘技術。

在基于G/S模式的地質災害信息管理平臺中的應用數據以空間數據為主，由于行業應用需求，數據本身具有多尺度，多分辨率等特性，在存儲格式上也存在數據結構的差異，通過數據融合可以實現信息的重組，以獲得最為所需的有效信息。數據庫與數據挖掘技術用于存儲、管理和分析海量數據，并能根據用戶需求進行海量數據的快速存儲訪問和從海量數據中獲取有用信息。元數據是關于數據的數據，通常用于描述要素、數據集或數據集系列的內容、覆蓋范圍、管理方式、數據的所有者、數據的提供方式等有關的信息。在地災信息管理平臺中的元數據主要指空間數據的元數據，用于幫助用戶獲取數據服務。

4.5本章小結

本章對基于 G/S 模式的地質災害信息綜合管理平臺構建機制進行了分析與論述，設計了基于G/S模式的地質災害信息綜合管理平臺的總體架構，并重點對三維地學瀏覽器、GHML數據注冊中心、分布式服務器群等主要部分的功能設計進行了描述，最后對相關實現技術進行了基本介紹。

第5 章平臺詳細設計

5.1數據注冊中心設計

5.1.1基于 XML 的地理標記語言

XML是W3C為了補充超文本標記語言(HTML)的不足而制定的標記語言, 是超文本標記語言(Hypertext Markup Language， HTML)和標準通用標記語言 (Standard Generalized Markup Language， SGML)兩種標記語言相結合的產物。用戶可以自定義 XML 的標記， XML 具有良好的結構性、擴展性、開放性、交互性，適合數據交換和共享它獨立于系統，被看作是文檔的數據庫化和帶有標記描述的數據文檔化， XML 的簡單使其易于在任何應用程序中讀寫數據，被廣泛用來作為跨平臺之間交互數據的形式，常見的如GML、KML等。［43］

GML (Geography Markup Language)是空間數據建模標準規范的簡稱，是一種用于存儲和傳輸地理及與地理相關的信息的XML編碼語言，它包括了地理要素(Feature)與層(Coverage)的空間與非空間特征。GML是開放地理信息系統協會OGC(Open Geospatial Consortium)制定的基于XML的標記語言，其中立于任何廠商、任何平臺的地理信息編碼標準，主要用于地理信息的傳輸、存儲和發布［44,45］。由于GML數據是基于XML標準的空間數據，因此XML的所有技術都可以應用于GMLo目前GML技術在GIS領域得到廣泛的應用［46-49］。

KML 是 Keyhole 標記語言(Keyhole Markup Language)的縮寫，也是一種基于XML語法與格式的語言，是用于描述和保存地理信息，使用包含名稱、屬性的標簽來確定顯示方式，并被 Google Earth 和 Google Maps 識別并顯示的標記語言。OGC于2008年4月正式發表申明，宣布接受KML成為地理信息系統行業標準。利用KML，用戶可以實現與其他Google Earth或Google Maps的用戶分享地標與信息。

從功能上看， GML 以地理信息的傳輸存儲與發布為主，空間信息內容與表現呈分離狀態，數據描述與互操作描述過于復雜； KML 偏重于顯示，不能滿足海量空間數據領域的需求，而且，缺乏對專業領域中空間信息應用的支持。

5.1.2超地理標記語言

超地理標記語言 HGML 是一種以 XML 為基礎，針對海量異構空間數據應

用的標記語言。 G/S 模式通過 HGML 對空間數據進行統一、靈活、層次化的組織和管理，它既是 G/S 模式中數據組織、管理、交換、展示的標準和規范，也為數據交換提供一種統一規則。

HGML充分借鑒了 XML的開放性實現數據交換及共享，借鑒GML與KML 規范，針對異構海量空間數據的網絡環境應用，以文本文件的形式，實現分布式網絡環境下的空間信息的組織管理，存儲、處理和更新海量空間信息，包括對柵格數據、矢量數據，三維模型數據以及其他相關信息的描述。通過HGML，完成G/S模式下基本空間數據的組織與管理，實現由分布式服務器端到地學瀏覽器端的空間數據交換及展示。其主要功能定義如下：

(1)空間數據描述

HGML 對空間數據的描述主要包括點、線、面、體的數據要素，以及相應屬性如名稱、說明信息、顏色、尺寸、方位、坐標位置等。

(2)數據組織描述

HGML 對數據組織描述的作用是通過對分布在網絡上的空間數據文件、空間數據集和服務的描述，把分布在網絡上的空間數據或服務統一組織管理起來，進而實現可視化表達或其他應用。

(3)顯示控制

地學瀏覽器中的三維場景通過 HGML 實現初始化顯示控制，包括視點坐標位置與海拔高度、視線傾角、視線方向、圖層顯示狀態、透明度等。

HGML作為以XML為基礎的標記語言，也是一種元標記語言，通常創建新的標記需要通過文檔類型定義(DTD)或模式(Schema)來定義，文檔要與DTD 或XML Schema相比較，進行合法性檢驗，如符合約束則認為文檔合法，否則就是不合法的。由于DTD有基于正則表達式的有限描述能力、缺乏數據類型支持、約束定義能力不足、不夠結構化、非XML的描述手段等缺陷，HGML采用XML Schema 來定義［50］。

5.1.3 地質災害標記語言

地質災害標記語言(GHML)是在HGML的基礎上，應用于地質災害行業的擴展標記語言。 GHML 是基于 G/S 模式的地質災害管理的核心，用于實現對地質災害信息的組織管理與表達交換，平臺功能的實現圍繞 GHML 進行，依托 GHML 實現專題數據的交換與共享，主要包括災害點管理、地理標注、矢柵數據加載與展示、場景漫游、交互操作、分布式數據集成等。

在數據組織管理方面從空間數據的類別、文件描述、屬性、結構、層次級別等方面進行描述。在數據表達上能實現空間實體基本組成部分的抽象描述，包括點、線、面、體等對象及空間位置關系，以及柵格數據尺度、數據質量和空間范圍等屬性描述，同時能夠增強定義地質災害領域的特有屬性。

對于平臺中所需要的監測數據，歷史數據，專題數據以及DOM和DEM基礎空間數據等，雖然位于異構載體，如數據庫、空間數據庫、 OGC 服務器、文件服務器、Web服務器等，都可以通過GHML實現統一的管理調度，降低不同數據源數據耦合的復雜性，對于地質災害監測領域專用屬性字段也能通過GHML 實現統一標準的擴展以便于實現專用功能的定制服務。

5.1.3.1功能定義

以HGML為基礎，結合空間信息技術在地質災害行業中應用，GHML應具備的主要功能包括：

(1)空間數據描述功能

空間數據描述功能提供對點、線、面、多邊形、體等矢量類型數據以及其實現表達所采用的外觀、樣式等描述；對柵格數據(如，影像數據與數字高程格網數據)的描述，實現空間數據的疊加與可視化表達。

(2)地質災害信息描述功能

主要用于實現對地質災害相關信息的描述，目前主要包括地質構造特征，地質災害分類與地質災害點信息描述，各類監測數據與包括工程地質圖、水文地質圖在內的圖件描述，以實現地質災害相關信息在基于G/S模式的地質災害信息管理平臺上的數據共享與可視化表達。

(3)地理信息標注功能地理信息標注功能用于實現在三維地理信息平臺上的標簽形式的地理位置

標記，并可兼容HTML語言表達，存儲其對應的屬性信息。

(4)場景漫游控制功能

實現在三維地理空間中的交互與漫游，主要通過定義視點的位置、視角、方向角等屬性，實現三維定位與視角變換。

( 5)分布式數據集成描述功能

分布式數據集成與描述功能通過對分布在網絡上的空間數據文件、空間數據集和服務進行描述，把分布在網絡上的空間數據或服務集成起來，進而實現可視化表達或其他應用。

5.1.3.2語法規則

在G/S模式的設計中，HGML是針對網絡分布式環境下空間信息呈現的海量異構特性，意圖構建一種簡單實用的以地理信息標記語言為核心的，實現空間數據組織與共享的解決方案，提供一種空間信息的網絡服務模型。

GHML作為HGML的擴展，它遵循HGML的核心思想，以XML標準為基礎，結合KML的數據表達與GML的數據管理設計思想，建立一種分布式網絡環境下，針對地質災害行業應用的空間與非空間數據共享及可視化的描述語言。

GHML 采用 XML Schema 標準，可定義文檔中的元素與屬性，并可定義子元素與子元素數目，以及子元素是否為空或者可否包含文本，能夠定義元素和屬性的數據類型以及默認值和固定值。相對DTD, Schema更為完善，功能更強大, 還具有如下優點：

(1)可針對未來需求進行擴展

通過擴展Schema,可以在其他Schema中重復使用，創建衍生的數據類型并在相同文檔中引用多重 Schema。

(2)基于 XML 編寫

可以直接使用XML編輯器與解析器來解析Schema文件,可通過XML DOM 處理Schema，通過XSLT來轉換Schema。

(3)支持數據類型通過支持數據類型，可更方便的描述允許的文檔內容，更容易的驗證數據的

正確性，更容易的與來自數據庫的數據一并工作，更容易定義數據約束與數據格式，能便捷的在不同數據類型間轉換數據。

(4)采用命名空間

命名空間作為一個名稱集合，能解決XML文檔中命名的沖突問題，使XML 文檔編寫更為靈活。

由于GHML是基于XML規范的擴展定義，因此，GHML文檔遵循基本的 XML 語法規則，具體規則如下：

(1)所有 GHML 元素須有關閉標簽；

(2)GHML 標簽區分大小寫字母；

(3)GHML中的復合及單一標簽分別以大寫及小寫字母開頭；

(4)GHML標簽嵌套關系遵循XML規范；

(5)GHML 文檔以根元素起始；

(6)GHML 屬性值必須加引號；

(7)CR/LF 作為換行存儲；

(8)GHML采用和HTML相似的注釋方法。

GHML 中用于描述數據的基本單位是元素，元素是一個抽象化的概念，通過標簽的形式進行實例化。為實現元素對數據描述的層級結構，元素可分為父元

素和子元素，子元素繼承父元素的結構方法，在實例化中通過定義復合標簽與單一標簽實現繼承關系，如圖 5-1 所示：

Object

(has an id)

Geological

Geometry Q

i i

Position

Region

Orientation

Service

上圖描述了 GHML的元素繼承關系，虛線框代表抽象元素，所有的元素都繼承自 Object 并可指定 ID。

View作為抽象元素，不能直接應用在GHML文件中，需要通過＜Camera＞和＜ LookAt ＞元素進行擴展，實現視圖和場景的瀏覽。

Geological 是地質信息相關元素，定義基本地質環境要素， GeoHarzad ， DetailPoint 和 MonitorArea 繼承 Geological 的基本要素并實現災害信息、詳查點和監測區域的表達。

Geometry 作為抽象元素，通過子元素繼承實現點、線、面、體的矢量數據表達。

Position 元素通過經度、維度和海拔高度指定模型原點基于 WGS84 標準的精確坐標，用于實現精確定位。

Region元素用于通過地理坐標和海拔高度描述地理區域范圍以及LOD的狀態。

Orientation 元素通過 xyz 的值描述三維環境中坐標系的旋轉。

Service 用于描述可用服務資源類型，包括分布式文件系統數據資源，數據庫服務和Web服務等的URI描述。

TimePrimitive 是抽象元素，通過 TimeSpan 和 TimeStamp 描述一段時間或者一個時間節點。

Feature 是特征元素，通過子元素繼承實現用戶自定義標簽及疊加圖層，本地容器的描述。

LatLonBox 元素用于定義以經緯度表示的地面疊加范圍框。

5.1.4 數據注冊中心

5.1.4.1 應用框架

數據注冊中心在G/S模式下的應用框架如圖5-2所示：

(1)針對海量空間行業應用數據從組織結構、時間屬性、空間屬性等方面進行特征研究。

(2)在HGML的基礎上，根據行業數據特點，延伸針對地質災害行業的標記語言，并通過數據注冊中心進行組織與管理。

(3)針對行業應用建立數據分散，信息匯聚的數據服務體系。

圖 5-2 數據注冊中心應用框架

5.1.4.2應用設計

GHML數據注冊中心是服務器到客戶端之間聯系的紐帶，它以GHML為數據載體，標識資源位置以及共享數據存儲，是實現數據交換的核心，通過數據注冊中心提供的數據服務，客戶端獲取數據資源位置并進行數據訪問。標記語言與數據注冊中心在G/S模式中的技術實現流程如下圖5-3所示：

GHML 文檔

5.2 數據組織管理

近年來，依托衛星、飛船、航天飛機、飛機以及近空間飛行器等空間平臺，利用可見光、紅外、高光譜和微波等多種探測手段人類通過構建對地觀測系統，對大氣圈、水圈、陸地圈及生態系統、各種災害實現全球、全天候的觀測，獲得了海量的地理空間數據。這些地理空間數據已從傳統地理信息系統中的點、線、面等矢量數據擴展到包括了矢量、柵格（影像、DEM）、三維空間目標等多類空間數據。在獲得所需空間數據后如何組織管理這些海量、異構數據，使之能夠為行業應用所服務也是構建基于 G/S 模式的地災信息管理平臺需考慮解決的問題。

5.2.1基礎柵格數據管理

柵格數據是按網格單元進行行列排列的陣列數據，它是通過大小相等、分布均勻、緊密相連的像元陣列來表示空間地物或現象分布的數據組織，是一種最簡單直觀的空間數據結構。在三維地學瀏覽器平臺中，用于表現自然地理環境的柵格數據包括以DOM(Digital Orthophoto Map)數字正射影像圖和DEM (Digital Elevation Model)高程數據為主的基礎地理數據。將遙感或航拍片制作的數字正射影像圖與高程數據疊加，可以真實的反映出地表的地形起伏特征和地面影像，具有逼真的顯示效果，是構建三維地理信息系統的數據基礎。由于基礎地理數據，通常規模較大，層次結構相對復雜，是數據組織調度研究的重點［51］。

5.2.1.1高程數據

DEM 是真實地形數據的核心，它是由一組有序數值陣列表示地面高程的一種實體地面模型。用DEM建立地表地形模型，形成地形曲面，再通過疊加影像數據就構成逼真地面起伏的三維效果［44,52］。

DEM在實現地形三維可視化中常用規則格網模型與不規則三角網模型。

( 1)不規則三角網 TIN( Triangulated Irregular Network) 基于三角形對數字高程模型表面建模的一種方法。由一個三角形代表了地表上一塊傾斜面，其平面坐標(x, y)與高程(Z)數據集合的數學表達式為：

Z = a0 + a1x + a2y 其特點是基于三角形表面建模，地形表面由一系列無縫三角形所構成，結構簡單，能夠方便地融合斷裂線等數據。

(2)數字高程模型規則格網

是基于正方形格網對DEM表面建模的一種方法，由方格網4點高程構成一個雙線性表面，數學表達為：

Z = a0 + a1x + a2y + a3xy

基于方格網的表面建模，其地形表面是由一系列相互鄰接的雙線性表面所構成，與柵格地圖相同，數據存貯、處理極為簡便，特別適用于大區域、地形連續、全局性的 DEM 表面建模。此時， DEM 來源于直接規則矩形格網的采樣點或由不規則離散數據點通過插值產生，由計算機處理規則格網構成的二維矩陣很方便，能夠很容易地繪制等高線、計算坡度坡向、山坡陰影以及根據高程自動提取流域地形，這使得規則格網成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國家提供的 DEM 數據都是以規則格網的數據矩陣形式提供的。使規則格網的高程矩陣成為最常用的DEM。基于規則格網的以上特點，在三維地理信息系統中大規模地形數據多采用規則格網以柵格形式存儲,如本系統采用NASA的bil格式柵格文件, bil 規則格網采用二進制連續存儲數據，所存數值為相對海平面的海拔高度。另外，規則格網形式的柵格數據分層切片方式與下述影像數據一致，能方便的實現數據統一描述與組織管理，方便實現客戶端平臺上的數據疊加。

5.2.1.2影像數據

三維GIS的真實感需要由DEM和DOM疊加實現，隨著對地觀測技術的不斷提高，高分辨率的遙感影像早已不再遙不可及，高分辨率同時意味著大數據量。為解決海量數據的組織與調度問題，通常遙感影像數據都以地圖瓦片金字塔的形式提供，瓦片金字塔模型是一種多分辨率多層次模型，原始數據按不同分辨率重采樣產生層，同一層數據按指定的格網大小均勻剖分切片后即得瓦片，從底層到頂層瓦片分辨率越來越低，但地理范圍不變。構建瓦片金字塔首先需要對地圖投影按照度數進行切片(Tile)分層(Level)處理，通常切片成相同大小的正方形地圖瓦片，其中N+1層對N層總是四叉樹的繼承關系[52,57]，如圖5-4所示：

按照四叉樹結構將地圖切片成正方形的瓦片，構建瓦片金字塔。當原始底層數據(即最大分辨率底圖)大小為wxh,瓦片大小為tsxts像素(如，512x512), 相鄰兩層分辨率的變化倍率為m (m>1, 一般為偶數，常取值為2,即由2x2像素合成 1 像素產生上層瓦片矩陣)，則金字塔總層數：

ltot=max{[logm(w/ts)], [ logm(h/ts)]} (5-1)

設原始數據分辨率為r0, 0級瓦片經緯度范圍為do則當層級為1 (l<=ltot -1) 時，數據分辨率r”單瓦片經緯度范圍dl及瓦片數量nl間的關系如下所示：

rl= r0/m ltot-l-1 ( 5-2)

dl=d/2l ( 5-3)

nl= (180/d)*(90/d)*4l ( 5-4)

0 層切片度數 36 度為例，地圖切片的各層級關系如圖 5-5 所示：

層級度數瓦片數

Level 0 36 50

Level 1 18 200

Level 2 9 800

Level n 36/2n 50*4n

圖 5-5 切片層級關系

由式(5-2)，(5-3)，(5-4)可知，瓦片金字塔層級增加，瓦片數量以指數規模上升，總體覆蓋經緯度范圍不變但單個瓦片表示的經緯地理范圍縮小，瓦片分辨率提高。基于這種多分辨率層次的結構，便于實現LOD (Levels of Detail,多細節層次)，以提升顯示速度和性能，而且通過線性四叉樹索引也能方便的根據經緯度實現瓦片定位。定位方法如下：

采取笛卡爾坐標，原點(x = 0, y= 0；在投影坐標左下方，即南極點 (-90,-180)，如圖 5-6 所示：

根據經緯坐標lat, lon (緯度，經度)及層級1和切片度數degree，則可獲取其對應的圖片笛卡爾坐標值，計算公式如下：

X =[(lon+180) / degree] * 2l

Y =[(lat+90) / degree] * 2l 因此，本系統的瓦片文件存儲采取以下規則：

..\L\Y\X.png

其中，L為層級數，Y為坐標系中的行數，X為圖片名。如圖5-6中所示Level 0 級中黑色圖片的存儲位置則應為：

..\0\0002\0007.png

5.2.1.3基于GHML的數據組織

在將數字高程及影像柵格數據進行瓦片金字塔的切片分層并進行分布式部署后，需通過HGML描述數據組織關系和數據管理。使作為展示平臺的地學瀏覽器根據 HGML 中的組織定義完成所需資源的匯聚，實現可視化的三維數據表達。

通過HGML實現數據組織的主要語法定義如下：

(1)柵格數據類型描述

<ImageFormat>elevation/bil16</ImageFormat>

表明高程數據為bil類型文件格式，且為16bit連續存儲柵格文件。 <ImageFormat>image/png</ImageFormat>

表明影像文件為png格式的圖像文件，若支持多種文件類型，如png, dds, tif 等其他常用圖像格式，可增加定義如下：

(2)數據金字塔層級描述

</PyrLevels>

其中，count用于描述瓦片金字塔的層級數量，15表明層級編號從0?14層。 empty表明顯示層級，0表明從最小縮放級別即開始載入。

(3)切片屬性描述

<TileOrigin> <units>degrees</units> <latitude>-90</ latitude > <longitude>-180<longitude>

</TileOrigin> 用于表明切片基本屬性，采用經緯度數值來描述笛卡爾坐標系原點對應的經緯值。

<units>degrees</units>

</LevelZeroTile>

表明以經緯度坐標作為參照進行切片分塊時， 0級瓦片覆蓋地理尺寸的經、緯度數，上例為經緯度分別以 36 度為界劃分。

</TileSize>

用于描述切片的長寬值，上例表明一個長寬均為256像素值的正方形切片。

<Area>

<units>degrees</units>

</SouthWest>

<units>degrees</units> <latitude>90</latitude> <longitude>180</longitude>

</NorthEast>

</Area>

用于描述當前柵格數據的覆蓋范圍，由西南角和東北角兩個經緯坐標點構成的矩形區域，如上例所示即表明覆蓋全球區域。

5.2.2 空間及業務數據管理

業務及專題數據主要包括地質調查數據、災害區域數據，防治區域空間數據，歷史數據等。對于空間數據，通常都會通過地理信息服務器進行數據管理，常見的如ArcGisServer, GeoServer, SuperMap iServer等，數據通過地理信息服務器組織，以服務方式提供訪問，并在數據注冊中心中進行資源注冊以便實現網絡共享。對于結構化非空間業務數據則通常都通過數據庫管理系統進行組織管理。

5.2.2.1 OGC地理信息服務

專題數據包括地質災害相關的空間信息和非空間信息，對于空間信息，采用基于OGC服務(WMS, WFS, WCS)的做法。

OGC (Open Geospatial Consortium)開放地理空間聯盟，是一個非盈利性質的國際標準化組織，為空間地理信息網絡互操作和基于位置的服務提供一種解決方案，它由 442 家企業、政府機構和大學共同參與制定公開可用的互操作接口標準，不但包括ESRI、Google、Oracle等領頭企業，也包含W3C、ISO、IEEE等系會或組織。地理信息系統的軟件開發人員以此接口規范對空間數據進行讀寫，用以實現不同廠商、不同產品間通過統一接口進行互操作。OGC的標準是包含接口或編碼的技術文檔，GIS產品可對照這些文檔定義服務接口、空間操作方法等。常見的服務互操作標準有網絡地圖服務，網絡要素服務，網絡覆蓋服務。

(1)網絡地圖服務

網絡地圖服務(Web Map Service, WMS)用于根據地理信息動態生成具有空間參考數據的地圖的服務。地圖并不代表數據本身，而是對數據繪制后的圖片，可以是PNG、GIF或者JPEG,也可以是基于矢量圖形元素的格式如svgo包括三個操作：GetCapabitities返回服務元數據的XML,描述了服務內容與參數； GetMap用于返回數字柵格地圖的內容與表達形式；GetFeatureInfo(可選)用于獲取地圖上某個地理要素的詳細信息。

(2)網絡要素服務

網絡要素服務(Web Feature Service, WFS)提供了對地理要素進行訪問和操作的接口，WFS通過XML定義接口，采用GML表達要素信息。常用操作定義有： GetCapabilities 返回 WFS 服務元數據的 XML 文檔； DescribeFeatureType 返回能夠提供的地理要素類型的描述文檔；GetFeature根據查詢條件獲取地理要素； Transaction 描述地理數據變化的操作方法； LockFeature 在一個事務處理期間鎖定一個地理要素類型中一個或多個實例。

(3)網絡覆蓋服務

網絡覆蓋服務(Web Coverage Service, WCS)基于柵格數據模型，以地理覆蓋(Coverage)的形式提供地理信息，不同于WMS, WCS提供了數據和數據的描述信息。定義了三種操作,GetCapabilities返回WCS服務的服務元數據XML 文檔； DescribeCoverageType 返回 WCS 能夠提供一個或多個描述覆蓋數據的 XML文檔；GetCoverage用于請求獲取所需的Coverage數據。

OGC服務是目前地理信息服務中普遍遵循的服務規范，基于OGC標準實現服務器端的服務發布，能夠輕易實現跨平臺的互操作特性，以及保證系統良好的

兼容性與服務的可重用性，對于客戶端程序開發也能較方便實現功能移植。

5.2.2.2 數據庫結構設計

針對地質災害行業應用中對結構化數據的需求，數據庫分為空間數據庫和屬性數據庫存放與地災相關的空間及屬性數據［58-60］。

(1)空間數據庫

空間數據庫存放與地理空間位置有關的數據，如氣象資料數據、地理相關數

據、地質數據、災害數據等。地理數據為地理信息系統的基礎數據，如行政界線、

交通水系數據等。地質數據如地質構造，巖性等是地災行業應用中所需的基礎數據。災害數據如災害點、隱患點、易發區、防治區等是地災應用的管理與監測的對象。由于氣象條件是引發地災的重要因素，因此氣象數據也是地災信息管理中不可獲取的專業數據。

圖 5-7 空間數據庫結構

(2)屬性數據庫屬性數據與空間數據密切相關，描述地災應用系統中的非空間信息，主要包括業務數據和監測數據。業務數據如群測群防數據，地災詳查和勘查數據以及工程防治數據等，以及監測數據中的歷史與實時監測數據，都是地質災害防治應用中分析決策的重要數據源。

屬性數據庫

5-8屬性數據庫結構

5.3地學瀏覽器客戶端設計

5.3.1 基礎開發框架

地學瀏覽器的開發采用富客戶端技術，基于Eclipse RCP框架，RCP是一項位于Eclipse平臺核心的功能框架，主要包括以下五個方面，如圖5-9所示：

Workbench Help

SWT/JFace

WorkSpace Team

PlatForm Runtime

圖5-9 RCP框架

( 1) Workbench 工作臺

工作臺建立與 SWT (Standard Widget Toolkit) /JFace 之上，JFace 是在 SWT 之上封裝的結構，工作臺在JFace之上增加了描述與協同能力，對用戶來說，工作臺是由views和editors通過布局構成。實際上工作臺提供了一種可擴展UI的工作模型，如 UI 中的 windows> perspectives> views> editors 以及 actions 元素。

( 2) Workspace 工作區

工作區用于組織管理用戶開發項目及代碼。工作區內可管理多個項目工程 (project)及其相關文件，并負責處理文件變更信息。

( 3)Help 幫助系統

幫助系統是軟件應用不可獲取的子系統，Eclipse RCP提供了基于Eclipse自身風格和可擴展能力的幫助系統，通過幫助系統的導航結構，允許工具以超文本文件的形式添加幫助文檔。

(4)Team 團隊支持系統團隊支持用于實現團隊開發中的版本控制和配置管理。

( 5)Platform Runtime 運行平臺

平臺運行庫是整個Eclipse的運行基礎，它在啟動時檢查已安裝了哪些插件, 并創建關于它們的注冊表信息。為降低啟動時間和資源使用，它在實際需要某個插件的時候才加載該插件。

基于RCP框架的地學瀏覽器客戶端總體框架，從底層Java運行環境到頂層地學瀏覽器平臺架構如圖 5-10 所示：

地學瀏覽器平臺

數據管理調度空間測算

GHML解析空間標繪

基礎用戶界面

SWT/ JFace API 三維虛擬地球模型

RCP Platform Java OpenGL

Java Runtime

圖 5-10 基于 RCP 的客戶端架構

5.3.2 地學瀏覽器設計

5.3.2.1 三維地球平臺

基礎三維平臺為地學瀏覽器提供基本的三維運行環境，包括地球橢球體模型

構建，三維場景瀏覽控制，基本影像展示，數據緩存及投影轉換功能等，本系統

基礎三維平臺基于NASA的設計[61-63],其關鍵類和接口如下表所示:

表 5-1 三維平臺關鍵類與接口

名稱主要作用

itu 頂層包

itu .WorldWindow 窗口應用程序接口

itu.Model 三維球體基本模型接口

itu.SceneController 三維場景控制接口

itu.awt 基于awt顯示的相關類

itu.avlist 常量管理相關類

itu.cache 緩存管理相關類

itu.event 事件相關類

itu.exception 異常相關類

itu.formats.dds dds讀取與解析處理類

itu.formats.gpx GPS交換格式

itu.formats.tif tif格式數據處理

itu.geom 幾何與數學相關類

itu.geom.coords 坐標轉換相關類

itu.globes.Earth 地球模型類

itu.layers 圖層管理相關類

itu.layers.Earth 地球相關圖層類

itu.render 基于JOGL的圖形渲染相關類

itu.view 視圖控制相關類

基礎三維平臺主要有模型、視圖、事件監聽和數據構成，三維模型主要由球體模型，圖層和貼圖控制構成，在三維模型基礎上建立視圖，視圖通過顯示控制器展示，并根據用戶操作通過場景控制反饋到視圖，事件監聽可以對所有事件進行監聽并調用相應程序，圖層數據通過本地緩存文件或者通過Internet訪問服務器群數據獲得。基于三維平臺的應用模型如下：

圖5-11三維應用模型

基礎三維平臺作為底層功能實現，除構建基本三維球體外，針對地理信息系統的應用，還具有的主要功能有以下三個方面：

(1)空間參照系統與坐標系由于地球的自然表面起伏不平，通常須建立大地水準面便于數學表達，大地

水準面包圍的球體即大地球體，基準面采用黃海平均水準面，本系統參照 WGS84 橢球設置，長半徑設置為6378137m,短半徑設置為6356752.3m,第一偏心率e2 為 0.00669437999013。采用大地經緯度的地理坐標系，平面地圖須經投影轉換才能在球體顯示。

(2)地圖縮放與視角控制地圖縮放用于控制當前視圖顯示比例尺，根據縮放級別確定當前顯示范圍及

相對應的比例尺圖層。對于三維平臺來說，具有XYZ空間坐標的三項參數調節，視角控制是實現三維立體感受的主要功能，能夠根據視點確定當前顯示范圍與視線傾角。

(3)基礎地理信息查詢根據當前視點位置獲取視點高度，并能通過鼠標拾取鼠標位的海拔、經度、

緯度等基本地理信息。

基礎三維平臺設計的基本類結構圖如下所示：

圖 5-12 基礎三維平臺類結構圖

基礎三維平臺實現效果如圖：

5.3.2.2 數據請求

在地災平臺中顯示的數據包括各種分辨率的遙感/航拍影像，高精度影像，

1:25萬?1:5萬各種比例尺地形數據，災害點介紹，監測數據，地質構造、巖性等專題數據，異構數據通過不同方式存儲及發布，數據服務器呈異構分布網絡的特性，圖層作為三維平臺的顯示載體，需要承載不同類型數據，平臺通過數據請求模塊從注冊中心獲取相關資源地址，并從服務云中獲得相應數據服務，將數據通過圖層在三維球體中加載顯示。

G/S 模式是一種空間信息訪問服務模式，其主要特點是通過客戶端聚合服務的方式實現多類服務的數據匯聚，主要如OGC地理信息服務，切片文件服務，數據庫服務等服務的客戶端聚合，如下圖 5-14 所示：

圖 5-14 數據服務模型

(1)地圖請求服務

以 OGC 服務中的 WMS 地圖請求服務為例， WMS 常用于請求地圖，它能夠根據用戶的請求返回相應的地圖(包括 PNG， GIF， JPEG 等柵格形式或者是 SVG和WEB CGM等矢量形式)。WMS支持網絡協議HTTP，所支持的操作是由 URL 定義的。

WMS 請求的內容包括請求的操作、地圖顯示的信息、要顯示的地球區域、需要的坐標參考系統、輸出圖片的高度和寬度，以及不同來源的地圖的圖片疊加等。

通常通過GetCapabilities獲取服務列表，查詢其服務內容，根據元數據再通過GetMap獲取地圖服務。以國家測繪局天地圖的WMS服務為例，對其線劃地圖請求WMS服務，根據WMS請求語法規則，通過以下地址 “http://tilel.tianditu.com/wmsdlgdom/wms7requestnGetCapabilities” 獲取的服務元數據有：

-<Layer>

<Title>defaultMap</Title>

<AbstractxJefaultMap</Abstract>

-<Layer queryable=r,Or,>

</Layer>

-<Layer queryable="O">

圖 5-15 服務屬性

通過 GetCapabilities 返回 XML 格式的元數據文件，通過元數據文件確定

GetMap 請求參數， GetMap 主要請求參數如下表所示：

表 5-2 請求參數

參數必須作用

VERSION 是 WMS服務版本

REQUEST=GetMap 是發送GetMap請求

LAYERS 是有效圖層名稱

STYLES 是圖層風格設置

CRS 是坐標參照系，對應元數據的CRS設置

BBOX 是請求地圖的CRS下的坐標區域

WIDTH 是指定產生的地圖整數值大小，x方向

HEIGHT 是指定產生的地圖整數值大小，y方向

FORMAT 是根據元數據聲明返回地圖格式

TRANSPARENT 地圖透明度調節

BGCOLOR 指定地圖無數據區的背景色

EXCEPTIONS 異常返回形似

結合元數據返回值，將GetMap各參數值確定后，按以下URL地址請求:

http://tile1.tianditu.com/wmsdlgdom/wms?service=WMS&request=GetMap&ve rsion=1.3.0&crs=CRS:84&layers=A0512_EMap&styles=&transparent=TRUE&form at=image/png&width=512&height=512&bbox=103.5,30.375,104.625,31.5

獲取的返回.png圖片如圖5-16所示：

圖5-16 GetMap請求數據

對于地圖服務的數據請求方式，可以根據圖層名按照經緯度區域請求數據，并按照指定大小及格式返回圖片文件，對于數字地球地表影像的獲取具有一定的靈活便捷性。

（2）切片文件請求服務對于大規模的柵格數據（如，影像數據，地形格網數據等），需要采用 LOD 技術增強顯示效果，如在“基礎柵格數據管理”一節中所提到，服務器將構建多分辨率影像分層（即瓦片金字塔）文件系統，采用切片文件的形式發布，客戶端直接通過文件系統訪問對應層級與位置的圖片文件，獲取后通過圖層加載。

瓦片金字塔的構建采用線性四叉樹的形式，如下圖所示，方形代表葉子節點，即每個非葉子節點只有四個分支的樹形結構，便于實現空間遞歸查詢。

圖 5-17 瓦片金字塔四叉樹結構

因此，根據經緯坐標lat, lon (緯度，經度)及層級n和切片度數degree,

則可獲取其對應的圖片文件號,圖片號對應公式為：

行號：[(lat+90) / degree] x 2n

列號：[(lon+180) / degree] x 2n

其中，視角高度值Alt與切片層級n的關系是：

Alt=( LZTS xC/ 2n ) xX

上式中，LZTS是0級切片的度數，如BlueMarble圖層LZTS為36度,LandSat 圖層LZTS為2.25度，C為設定km常數，X為修正因子，根據圖層數據實際情況進行設置。

通過數字地球平臺封裝 URL 請求時，根據區域經緯度范圍及切片規則確定笛卡爾坐標(x,y)值以及圖層等級l,以國家測繪局MODIS衛星影像切片服務為例，在基礎三維模型基礎上疊加MODIS影像圖層如下圖5-18所示：

相對于WMS簡單靈活的數據請求，切片方式由于需要對原始文件進行切片發布，并按切片規則訪問，且不同于 WMS 具有 OGC 標準規范，訪問方式相對復雜，但由于直接獲取文件的方式效率較高，所以在大范圍的海量柵格數據訪問上，多采用切片文件方式，局部小規模數據可采用WMS實現。

(3)數據庫訪問

數據庫存儲，特別是關系型數據庫系統(RDBMS)是地質災害平臺業務數據的主要存儲方式，由于三維系統運行對網絡資源及本地計算資源耗費較大，在常規訪問數據的基礎上，還需要對數據庫訪問進行優化設計以保證系統的穩定性和流暢度。

Java 通過 Java DataBase Connectivity (JDBC)訪問數據庫，JDBC 是一組為數據庫開發人員提供的標準API,它由Java語言編寫的類與接口構成。通過 JDBC,用戶可以使用標準SQL語言存取數據庫中數據，使得用戶可以通過統一風格實現對不同類型數據庫的操作，而不用針對數據庫系統來編寫其對應的 Java 程序。 JDBC 結構如下圖所示。

圖 5-19 JDBC API 與數據庫之間的關系

基于 JDBC 開發數據庫訪問程序，通常采用加載驅動、創建連接，然后通過數據庫連接訪問數據庫，最后釋放連接的流程，如圖 5-20 所示。但由于連接釋放后，會交由 Java 垃圾回收來處理，將由垃圾回收器將連接所占內存釋放，如果多客戶端對數據庫進行頻繁讀取時(如，讀取實時監測數據庫)，采用連接- 使用-釋放的方式會頻繁的建立連接并釋放內存，給系統帶來較大負擔，影響運行效率。

圖 5-20 傳統訪問機制

地學瀏覽器在實際工作中會不斷從數據庫中讀取各類環境采集數據，如傳感器實時更新數據，位置數據等。為解決這種數據庫訪問頻繁的應用環境中，傳統連接數據庫方式的上述弊端，用以提高地學瀏覽器的數據讀取效率，設計采用連接緩存的工作方式解決反復新建數據連接帶來的性能影響，基本原理如圖 5-21 所示。連接緩存的運作方式是初始化一定數量的數據庫連接并儲存在一個內存區域內，應用程序發出數據連接請求即從內存緩存中取得連接，連接“釋放”后并不由垃圾回收機制回收，而是返回緩存，這樣可以有效避免數據庫連接的頻繁建立、關閉的開銷，讓應用程序與數據庫之間能獲得最大的訪問效率。

圖 5-21 連接緩存示意圖

連接緩存的工作流程主要由創建連接，管理連接，釋放連接三部分組成。其

基本工作流程如圖 5-22所示。

圖 5-22 連接池工作機制

a.創建連接

連接的創建是通過加載相應的數據庫驅動后，實例化一個 Connection 對象產生，緩存區的建立需先創建一定數量的 Connection 對象并放入其中， Java 提供的容器可以用來構造緩存區，如Vector、Stack、List等。系統初始化時創建若干條連接對象并放入對象容器，根據請求需要從容器中獲得對象或者在操作完成后將連接對象釋放回容器，避免了頻繁創建及回收連接對象而增加的系統開銷。

b.管理連接

用戶請求數據庫服務的過程，是通過 Connection 對象完成，用戶并不直接建立 Connection 對象訪問數據庫，而是從緩存區獲取可用連接對象，如果不存在可用連接，則根據當前設定的最大連接數，判斷是新建連接還是等待其他用戶釋放到緩存中的連接，超出等待時間將拋出無連接超時異常。

c.釋放連接

當 Connection 對象使用完成時，將 Connection 對象釋放，但此時的釋放并非將對象交由垃圾回收機制處理，而是將其返回緩存區，以備下次獲取連接時再次從緩存獲取對象，由于有一定數目的連接對象常駐內存，因此相對傳統創建、釋放連接的過程有更高的效率。

G/S 模式作為一種空間信息訪問模式，對網絡和計算資源的合理利用有較高的要求，對于數據庫訪問比較頻繁的應用場景，通過采用連接緩存技術對數據庫連接根據實時訪問量進行動態管理，在增加有限的內存消耗情況下，可以一定程度上提高對數據庫服務器的訪問效率。

5.3.2.3 圖層管理

(1)應用框架

圖層(layer)是在三維球體上展示數據的基本單元，如點、線、面等矢量數據以及切片地圖、全球地圖等柵格數據，三維球體通過圖層疊加的管理方式控制顯示內容，應用場景如圖 5-23 所示，根據應用需求形成不同類型圖層，如地形數據圖層、影像數據圖層、矢量數據圖層、專題數據圖層等，通過圖層管理模塊(圖層控制器)按覆蓋順序進行圖層到三維平臺上的渲染。

由于采用JOGL實現圖形渲染，為方便實現圖層管理，在圖層管理模塊的開發中對圖層類的基本操作封裝了 Layer接口，并通過AbstractLayer設計抽象類實現Layer接口，系統中所有圖層都必須繼承自AbstractLayer類以實現Layer接口，其接口主要方法包括設置圖層可見性，圖層名稱、透明度、最高分辨率等。

圖層(layer)類結構如下圖5-24所示：

(2)圖層描述

在基于G/S模式的地學瀏覽器設計中，空間信息的可視化表達主要通過圖層在三維基礎平臺上的疊加(overlay)實現，根據應用需求不同，圖層類型及內容也不盡相同，對圖層的元數據描述通過 GHML 實現，并通過數據注冊中心實現圖層數據共享。

.\layer.ghml

.\xxxlayer.ghml

.\layer.ghml

.\WMSimagelayer.ghml

.\Placenamelayer.ghml

圖 5-25 圖層描述組織結構

如圖 5-25 所示，在數據注冊中心中，對于不同需求用戶組(如，地質災害用戶組，數字旅游用戶組等)通過文件夾進行分組管理，用戶文件夾中的 layer.ghml是該用戶組圖層的總覽性描述文件，以上圖中grpl組的管理圖層為例，其 layer.ghml 文件對圖層的描述內容為：

</LayerList>

其中<LayerList>元素包含了該組中所有圖層的引用地址及標題名稱，actuate 用于表明圖層是否顯示， onLoad 表明平臺啟動即加載該圖層。

grp1 組中其他文件，如 WMSimagelayer.ghml 和 Placenamelayer.ghml 則是對指定圖層的具體描述文件。以 WMSimagelayer.ghml 為例，與圖層有關的數據服務元數據描述部分如下所示：

<Layer layerType="DLGLayer"> <DisplayName>WMSLayer</DisplayName>

http://tile0.tianditu.com/services/A0512_EMap /GetCapabilities </GetCapabilitiesURL>

<GetMapURL> http://tile1.tianditu.com/wmsdlgdom/wms

</GetMapURL> <LayerNames>A0512_EMap</LayerNames>

</Service> <Sector>

</Sector>

</Layer>

依次描述了圖層名稱< DisplayName >；數據元數據<Service>，包括服務類型，版本，屬性及地圖獲取URL地址，請求圖層名；圖層覆蓋區域<Sector>；

G/S 模式下的圖層描述都采用圖層列表文件+圖層描述文件的方式實現，這種設計方案易于在數據注冊中心實現用戶分組下的圖層管理，為海量及異構數據的組織管理與交換共享提供了一種輕量級的訪問架構。

(3)目錄管理

客戶端程序將根據圖層列表文件創建管理目錄，由于通常應用系統中圖層數量較多，分組級聯情況較復雜，而樹結構最適合分層結構的表達，因此設計采用符合大眾操作習慣的樹狀管理方式在客戶端對圖層目錄進行管理。

考慮到G/S模式的特點，樹形菜單數據由GHML文件提供，在客戶端實現數據表達，且需要功能上對樹目錄能夠增刪及修改數據，在樹形目錄的設計模式上采用MVC模型（Model-View-Controller）將數據與視圖分開，通過控制器控

制與數據的交互。結構圖如圖 5-26 所示：

樹形目錄管理中的關鍵元素是節點（Node）和數據項（Item）,根據樹節點特性抽象出ITreeElement接口，構造節點和數據項的實體類NodeEO和ItemEO, 通過TreeMaker構建樹形目錄內容，其中TreeMaker需要獲得圖層列表文件中的圖層列表構建系統樹目錄，用戶也可以通過TreeMaker創建自定義樹。對圖層實現樹形目錄管理的效果如下圖左側所示：

圖 5-27 圖層樹管理

5.3.3 GHML 解析設計

533.1SAX 與 DOM

GHML文檔的應用首先需要對文檔進行解析，由于GHML是G/S模式實現數據交換的核心，高效的解析方法將提升整個平臺的運行效率。目前基本解析方式有兩種，SAX與DOM。SAX是基于事件流的解析，DOM是基于XML文檔樹結構的解析。

SAX（Simple APIs for XML, XML簡單應用程序接口）提供了一種對XML文檔進行順序訪問的模式。當使用SAX解析器對XML文檔進行分析時，會觸發一系列事件，并激活相應的事件處理函數，從而完成對XML文檔的訪問。XML 提供一種順序訪問機制，不支持隨機存取，只是順序的檢查XML文檔中的字節流，而且作為簡單應用程序接口，SAX標準功能較少，相比DOM解析器，SAX 解析對XML文檔的處理缺乏一定的靈活性［22］。

DOM（Document Object Model,文檔對象模型）是一種獨立于平臺和語言的文檔對象模型，可以跨平臺的訪問修改文檔內容，是唯一成為W3C正式標準的解析模型。DOM的特點是用樹結構表示整個XML文檔，并置入內存。樹上的每一個節點都對應DOM模型中的一個元素，用戶可以通過一系列的DOM應用程序接口訪問和修改DOM樹元素和結構。

DOM具有以下優點：將文檔映射成DOM樹，將所有XML信息裝入內存，遍歷簡單，提供了訪問API,增強了易用性，在應用程序中可以通過API控制 XML 文檔內容，為元素的查詢、增加、刪除、修改等操作提供極大的靈活性；

DOM模型采用與XML 一致的樹形結構，無需單獨轉換，配合DOM提供的API 函數操作，簡化了程序開發的難度。

5.3.3.2 GHML文件解析

基于DOM對GHML文件進行解析時，首先將讀取的GHML文檔解析為獨立的元素內容、屬性等數據，并在內存中將這些數據組織成DOM樹的形式，每個樹節點表示一個可以交互的對象；DOM提供一系列的應用程序接口，通過應用程序接口訪問DOM樹的內容，對GHML內容實現查詢與讀取，并將操作結果返回［65,66］。基于DOM模型的GHML文件解析器應用流程如圖5-28所示：

圖 5-28 GHML 解析

(1)創建DOM工廠，并從該工廠獲得文件加載器，文件加載器用于將GHML 文件生成的輸入流讀入內存。

(2)加載文件輸入流后，形成樹狀結構文檔作為返回值。

(3)由文檔對象獲得根節點及其相應的子節點。

(4)利用DOM API獲取GHML元素。

(5)根據獲取元素類型判斷空間與非空間數據。

(6)對于空間數據中的矢量數據直接圖層加載繪制，柵格數據通過描述獲取數據服務再由圖層加載繪制，對于非空間數據直接讀取后繪制顯示。

5.3.3.3 GHML 數據加載

對 GHML 文檔完成解析后，根據數據內容的不同，表達方式也有所區別，非空間數據可以通過表格、圖片、文本等方式表現。對于具有位置屬性為特征的空間數據，通過數字地球平臺加載并展示的工作流程如圖所示：

圖 5-29 數據加載流程

以矢量數據的加載為例，以下內容為截取一 GHML 文件中矢量數據的描述部分，已聲明兩種矢量數據類型：一個多段連接線段以及一個閉合連接線段構成的多邊形。

</LinearRing>

</Polygon>

GHML解析器實現對GHML文件解析后，根據上述元素描述內容，將線段 (LineString)元素按照位置(position)描述的坐標進行分段直線連接，并設置相關屬性(property)；將多邊形(Polygon)通過閉合線段(LinearRing)根據位置描述連接構建；在創建的圖層上加入矢量數據內容，最終在三維地球平臺上完成渲染顯示。其顯示效果如圖 5-30 所示，在太平洋區域的黃色線段與閉合區域即根據上述 GHML 構建的矢量圖層，藍色節點為連接線段的坐標控制點。

圖 5-30 矢量數據加載

5.3.4空間量算

空間量算是地理信息系統的基本功能之一，是進行高層次的空間分析的基礎，也是地質災害應用中不可或缺的基本功能。在三維地理信息系統應用中，經常需要用一些簡單的量測值對地理分布或現象進行描述，如長度，面積，距離，形狀等，空間量算是獲取地理空間信息的基本手段，獲得的基本空間參數是進行復雜空間分析、模擬與決策制定的定量基礎。

5.3.4.1空間維

空間實體用于描述空間中的靜態物體，通常以 0 維， 1 維， 2 維， 3 維方式存在。

0維即點狀地物，就是空間中的一個點（Point）,即點是0維的表示。在2 維歐氏空間中點用惟一的實數對（x,y）來表示，在3維歐氏空間中用惟一的數組（x, y, z）來表示。在0維空間中用點代表空間目標時，只考慮目標的位置、與其他目標的關系，而不考慮它的大小、面積、形狀等屬性。在 GIS 空間量測中， 0維空間目標包括實體點、標號點、面點標識及節點等，點是構成線、面或體的基本組成元素。對于點狀地物，主要考慮它的屬性特征。對點的直接量算一般沒有什么意義。

1維即線狀地物，表示空間中一個線要素，或者空間對象之間的邊界。 1 維線狀要素在表示空間目標時同樣沒有考慮面積、體積、形狀等屬性，而是突出地物的長度、曲率和走向等特征。另外， 1 維線狀要素也是組成面或體的構架，沒有粗細。

2維即面狀地物，在二維歐氏平面上指由一組閉合弧段所包圍的空間區域。由于面狀要素由閉合弧段所界定，故2維矢量又稱為多邊形。常見的量算如面積、周長、中心和質心等。

3維即體狀地物， 3 維空間存在的空間目標是由一組或多組閉合曲面所包圍的空間對象。 3 維空間目標可以由 2 維空間目標組合，也可由 3 維體元構成。 3 維空間目標的量測可以獲得體積、表面積、表周長等信息。

5.3.4.2基本空間量算

（1）線長度計算

對于線狀地物對象，最簡單的測量參數是長度。在矢量數據結構下，線由點坐標構成，如（X, Y）或者（X, Y, Z）的序列，在不考慮比例尺的情況下，線長度的計算公式為：

n — 1 n

l =》［E+i -x.y + (耳+1 -耳尸 + 運+i — = »(

t=0 t = l

對于復合線狀地物對象，需要對諸分支曲線求長度后，再求其長度總和。

(2)面狀地物的面積

面狀地物最基本的屬性計算為面積計算。由于面狀地物可以看作多邊形，在矢量化的結構里，其外形輪廓通過多段連接線段閉合構成。對于非重疊且沒有空洞的多邊形來說，假設頂點個數為N,其面積計算公式為：

N-2

s =吃［工*兀+1 —陷1叫)+ (-V1 —心曲］|

1=1

采用截面計算方法，即沿多邊形的每一頂點作垂直于X軸(或Y軸)的垂線，然后計算每條邊與其兩條垂線所截得 X 軸部分所包圍的面積，求出面積的代數和，即多邊形面積，對于有孔的多邊形，可依上述方法摳取差值計算多邊形面積，同樣也適用于體積的計算。

(a)路徑計算 (b)面積計算

圖 5-31 基本測算

如圖 5-31 所示，圖 a 黃線標注為天府廣場周邊道路測量線，藍色節點為線段控制點，計算出黃色線段總長度為1.254公里。圖b天府廣場所在閉合圖形面積為 74000 平方米。

在基礎測算的基礎上，引入高程數據就可實現三維空間測算，如體積，表面積以及在地質災害行業中用到的剖面圖，如圖 5-32 所示，從西藏林芝地區到四川成都的海拔剖面圖，通過獲取黃色線段途徑點高程值并插值繪制曲線，從曲線圖上可知途經海拔最高點 5267 米，進入四川盆地海拔驟然降低，最低點在成都平原附近為 504米。

5.4基于GHML的服務聚合

5.4.1工作特點

G/S 模式的工作機制是基于“請求-聚合-服務”計算模式的客戶端聚合服務工作模式，其實現的核心是通過GHML對數據進行調度、共享與展示，并能夠對矢量數據、柵格數據和模型數據實現一次下載多次使用，最終在客戶端實現服務聚合。體現“數據分散，信息匯聚，服務聚合”的新型空間信息服務模式，在數據、信息、服務三個層面體現出如下優點：

(1)應用與數據相分離

在客戶端聚合服務理念下，客戶端將更關注應用本身，實現應用邏輯，服務器實現數據組織管理，通過基于 GHML 的服務描述實現從數據到信息再到最終提供服務的過程。客戶端只需從注冊中心獲取GHML，服務器只需通過GHML 實現元數據描述，即可在客戶端實現服務聚合，應用與數據的分離，提高了客戶端開發與工作效率。

(2)通過統一規范支持異構客戶端

參照 GML 與 KML 建立的 GHML 數據描述規范，描述了數據服務接口、訪問協議以及矢量數據體，并可通過網絡共享，只要文檔解析時遵循統一描述，可在網絡上的異構客戶端使用服務，如手機客戶端， Pad 客戶端等。

(3)簡潔的數據維護方式

數據與應用呈松散耦合，數據提供者與使用者相分離，通過 GHML 數據提供者實現數據注冊，使用者也通過 GHML 實現自身數據管理，低耦合系統降低了復雜度，數據維護更簡捷。

(4)更好的解決數據時效性由于客戶端只獲取數據服務，不承擔數據本身的維護與更新工作，數據更新交由相應的服務器完成，保證了多用戶系統的數據一致性與更新及時性。

5.4.2工作流程

服務聚合的工作流程可分為兩個部分：一是將空間數據轉化為空間信息后通過地理信息服務器實現存儲、轉換、發布的信息流動過程實現空間信息服務；二是用戶通過客戶端服務請求與相應的服務聚合規則在客戶端實現按需聚合服務的過程。

圖 5-33 服務聚合工作流程

5.4.3服務聚合

在 GHML 的語法規則中，服務資源通過 Servic 描述，在 Service 元素中通過屬性 serviceName 定義服務類型， version 定義服務版本。在 GetCapabilitiesURL 定義資源服務能力 URL 地址， GetMapURL 定義數據獲取地址， LayerNames 定義獲取數據的圖層名稱，由ParseGHML類負責解析。

<Service serviceName="ServiceType" version="ServiceVersion"> <GetCapabilitiesURL>CpapbilitiesURL</GetCapabilitiesURL> <GetMapURL>ResourceURL</GetMapURL> <LayerNames>layername</LayerNames>

</Service>

服務類型可以是基于網絡的標準地理信息服務如OGC服務、REST服務等，也可以是根據自身切片規則定義的文件訪問服務，數據庫服務，甚至可以是脫機訪問本地資源不依賴于網絡的本地文件存取。

需要網絡服務資源的圖層需包含Service相關描述。為實現多類服務聚合，設計時采用工廠模式如圖5-34,基礎工廠BasicFactory實現Ifactory接口，用于實例化非圖層類型的非空間信息處理對象，圖層工廠BasicLayerFactory繼承于基礎工廠并依賴于GHML解析對象，實現Service類型解析，并根據不同類型服務創建不同圖層實例，圖層實例繼承于 Basicimagelayer、 BasicVectorlayer、 Renderablelayer 三個大類，三大類繼承于實現了 Layer 接口的抽象類 Abstractlayero基礎工廠通過創建非空間信息服務處理的實例對象以實現服務。而圖層工廠針對空間信息表達方式，根據不同圖層實例創建返回不同表現類型的圖層，并通過圖層控制器疊加，實現客戶端的空間信息服務聚合。

.ghml

圖 5-34 圖層工廠示例

5.5 本章小結

本章主要描述了基于G/S模式的地質災害信息綜合管理平臺的詳細設計，按照G/S模式的設計架構，分別對數據注冊中心的構建,數據組織管理方式的設計, 地學瀏覽器客戶端設計，以及G/S模式的客戶端服務聚合工作機制進行了詳細闡述。論述了以 GHML 為核心的地質災害行業數據交換與共享管理方式以及基于 G/S 模式的地質災害信息管理平臺技術架構。

第6 章地質災害信息管理平臺的實現

6.1 系統簡介

地質災害信息綜合管理服務平臺基于G/S模式開發，以GHML作為數據共享與交換規范，以分布式服務器群為數據存儲平臺，通過計算機網絡在基于地學瀏覽器的客戶端實現服務聚合與數據匯聚。并利用三維可視化與數據分層分級技術，實現海量基礎數據及業務、專題數據的調度與三維可視化展示，通過三維直觀表現形式與基本空間量算功能為地質災害的分析研究，同時，基于GHML的應用也為地質行業應用中的數據共享提供了一種參考規范。

6.1.1 功能模塊

針對最終用戶的主要功能模塊包括：

(1)三維可視化地理信息平臺三維可視化平臺是系統數據可視化和分析應用的主要載體，是系統功能的實

現基礎。具體功能包括：

a.三維影像數據的基本瀏覽及輔助功能。包括如飛行定位、地圖縮放、瀏覽視角控制等的基本功能；以及如歷史影像數據的跨時域對比瀏覽、比例尺控制、圖層透明渲染等輔助功能。

c.基礎地理信息(經緯度、海拔、比例尺、地形、正射影像等)表達，基本空間量算。

d.系統矢量及柵格疊加圖層基于樹形菜單的統一管理，圖層可見性控制、透明度控制、添加圖層及調整疊加順序。

e.視頻、圖像、聲音等多媒體信息的多元表達。

f.空間數據、實時監測數據與地質災害基礎數據的聯動查詢。

g.可共享服務與數據描述

(2)災害點管理

a.災害點屬性管理，獲取災害點信息及詳細屬性信息。

b.災害點編輯，可移動災害點位置、編輯災害點屬性信息。

c.關鍵字查詢，支持災害點的模糊查詢，并能夠飛行到指定災害點。

d.災害范圍編輯，可以對崩塌實形、不穩定斜坡、滑坡實形等圖層進行編輯。

(3)坐標轉換

按照不同投影規則實現球面坐標與平面直角坐標(包括北京 54和西安 80) 之間的轉換。

(4)地災專題數據管理對地質災害中應用的專題數據，如工程剖面圖，等高線圖等，實現一體化管

理。

(5)空間分析

空間分析實現常規GIS和三維GIS空間分析功能，主要包括：

a.坐標及高程信息查詢。

b.常規空間計算功能，如表面直線及路徑距離測量、地形剖面、表面積測量等。

(6)三維建模包括地形建模，地物建模，表面高程模型等。

(7)實時監測實時讀取監測數據，包括視頻，傳感器數據等，并根據預設閥值實現基本預

警功能。

6.1.2 系統結構

系統采用 G/S 模式架構，即地學瀏覽器/服務云架構，主要用于實現網絡環境下的空間信息服務以及地質災害的行業應用。如圖 6-1 所示，面向終端用戶的系統前臺使用整合了地質災害專業分析功能的地學瀏覽器平臺，具有三維展示、建模、人機交互、實時監測、數據管理和空間分析等功能。數據服務需求通過數據注冊中心查詢文件系統中的 GHML 文檔獲得。服務器群提供多類服務功能，通過在數據注冊中心注冊使得服務可發現，并按需為地學瀏覽器平臺提供各類服務。

、

本地緩存

客戶端三維地學平臺

（三維展示,人機交互,數據管理, 空間分析,三維建模,實時監測）

查詢

數據注冊中心

WebService

按需服務

八

注冊服務

增刪改查

服務器群

圖 6-1 基礎架構

6.2 系統實現

系統總體功能類圖如圖 6-2 所示：

文件系統

.ghml

6.2.1 用戶主界面實現

客戶端平臺采用Eclipse RCP富客戶端技術開發，RCP本質上是Eclipse的插件，利用RCP開發應用程序時，可以充分利用Eclipse平臺UI外觀和框架快速開發，采用SWT+JFace開發GUI也完全能夠替代傳統的AWT+Swing，能夠實現與本地操作系統統一風格的用戶界面。

RCP 程序運行主要依賴于下述類：

Plugin：用于創建整個插件的對象，是插件的全局對象，可以通過其靜態方法獲得插件對象的引用，然后獲得插件各種信息。

Application:應用程序類，用于創建Display對象并創建工作臺對象。

ApplicationWorkbeanchAdvisor：工作臺類，定義默認透視圖ID并創建工作臺窗口類。

ApplicationWorkbenchWindowAdvisor:工作臺窗口類，對工作臺進行設置并定義窗口變化時對應的調用方法。

ApplicationActionBarAdvisor：操作類，用于創建及管理菜單欄、工具欄及狀態欄。

Perspective :透視圖類，創建工作臺對象時指定的默認透視圖對象，用于管理窗口組件顯示布局關系。

SWT_AWT：基于JOGL開發的三維操作球體，對AWT支持較好，在與SWT 應用程序的結合中通過SWT_AWT類實現球體畫布Frame到RCP View類中的嵌套與通信。

完成用戶界面如下圖所示：

圖 6-3 基本界面

界面主要功能定義：

(1)菜單欄與工具欄，菜單欄包含所有操作功能，工具欄顯示常用操作按鈕，如點、線、面標繪，基本測量等。

(2)搜索窗，位置搜索，根據自定義常用地名列表、地名模糊查找、經緯度查找三種方式查詢并飛行定位。

(3)自定義窗，用戶可自定義的本地數據圖層列表。

(4)圖層窗，從數據注冊中心獲取圖層列表并表示為樹狀結構，是客戶端圖層組織管理圖層，調整圖層屬性的主要工具。

(5)屬性窗，查詢并顯示選中元素屬性信息。

(6)主窗體，用于顯示三維球體以及羅盤和地圖比例尺的界面，是實現三維人機交互功能的主窗體；

(7)狀態欄顯示鼠標所在點經緯度，海拔高度，視點高度，正北線方位角，視線傾斜度等基本空間信息。

除以上初始界面顯示窗口外，還包含視頻窗口，文檔窗口，空間分析工具窗口以及各種交互對話框和表單窗口等。

6.2.2 服務聚合與共享

客戶端聚合服務的目的是通過地學瀏覽器平臺實現數據按需的匯聚、表達與共享，實現客戶端服務聚合與共享的關鍵是基于GHML規則的服務描述。聚合是解析GHML獲取服務的過程，共享是根據服務描述和數據對象構建GHML以實現服務和數據共享的過程。

各類數據服務通過 GHML 在客戶端實現服務聚合，通常把基礎影像（如，全國1:30萬和主要城市1:2000數據），高程信息（如，全球90m或30m高程數據）以及地名服務聚合作為地學瀏覽器數據基礎，在其基礎上根據行業應用需求再聚合行業數據服務。

6.2.2.1基礎數據展示

基礎數據具有較大的數據量，影像和高程數據都采用柵格形式存儲，通常采用分層切片方式提供文件服務。客戶端加載根據視角高度與顯示范圍動態請求數據，通過實現 LOD 以獲得高效率的渲染運算，能明顯增強系統運行流暢度與用戶的體驗感。切片文件通常按照層級，行、列號的形式請求數據。服務請求流程如下：

圖 6-4 基礎數據服務流程

圖 6-5 所示，為加載高分辨率城市影像的運行效果圖，服務源來自國家測繪局發布的城市影像地圖服務，高分辨率影像通過切片與LOD技術加載，能在客戶端有限的計算資源及網絡帶寬情況下實現良好的可視化效果與順暢的人機交互。

圖 6-5 高分辨率城市影像

圖 6-7 是加載柵格高程數據與正射影像圖后的運行效果（場景為 512 震后映

秀鎮附近山區），通過加載切片高程數據實現的三維可視化效果能更直觀展現震

后映秀山區的地貌變化。

圖 6-7 DEM 數據加載

6.2.2.2行業數據展示

行業數據根據應用需求，通常既包括如地質行業所需的地層巖性、地質界線、構造、水系等空間數據，也包括數據庫屬性數據，工程文件數據，多媒體數據，文檔報告等各類非空間數據，一般為相關部門或單位制作或積累的數據。

對于空間數據的獲取流程與基礎數據服務類似，同樣是監聽視圖變化發送數據請求，但根據行業數據量大小或設計服務架構的不同，在數據請求時需要根據 GHML的服務描述，按照切片服務或OGC服務或其他服務類型的數據請求規范實現服務請求的封裝。對于非空間數據，采用GHML進行元數據描述，對各類非空間數據資源進行URI定位，再通過需求調用相應功能模塊獲取對應數據。

地質災害行業數據常包括如監測區域高分辨影像圖，大比例尺地形圖， CAD 工程圖等，災害點信息，示范區信息，監測預警信息等，都通過客戶端平臺實現統一化的管理與展示。如圖6-8所示為清平鄉航拍影像圖與高精度DEM（由CAD 地形圖轉換為柵格DEM）加載后的展示效果。

圖 6-8 高分辨率影像與 DEM 加載

圖6-9是直接加載CAD等高線圖的展示效果，用于實現定量分析計算。

圖 6-9 CAD 等高線加載

圖 6-10 是對龍門山帶地質災害點及監測示范點的查詢，包括地理定位及屬性列表描述，同時能通過彈出浮窗快速瀏覽概要介紹。

圖 6-10 災害點管理與標注

圖 6-11 是通過文件方式訪問溝道剖面工程地質圖文件的展示。

圖 6-11 溝道剖面工程地質圖

對實時監測數據的管理與展示是地災平臺實現監測預警的基礎功能之一，下圖是調用外部模塊通過讀取監測數據庫數據顯示某地降雨量及累計雨量圖的展示效果。

圖 6-12 實時監測

6.2.2.3矢柵圖層管理

矢量或柵格數據展示都通過圖層對象完成，多個圖層的管理及層疊控制通過圖層控制器實現，疊加順序通過圖層控制器中的列表容器來定義。程序實現流程如圖 6-13 所示：

圖 6-13 圖層管理流程

如圖 6-14 所示為水系圖層與基礎影像圖層及地名圖層疊加的顯示效果。疊加順序從下至上分別為基礎影像、地名圖層、水系圖層。

圖 6-14 圖層疊加

圖 6-15 展示了貴州省地質線與評價點圖層，在基礎柵格影像圖層的基礎上實現點、線矢量數據的一體化展示。

圖 6-15 矢柵一體化展示

圖 6-17 為貴陽地層巖性與褶皺，斷層的疊加查詢，通過對巖性圖層透明度調節實現的展示效果。

圖 6-17 圖層透明度調節

6.2.3 高程數據應用

利用高程數據實現數據分析與三維可視化展示是三維地理信息系統具有的特點之一。為實現輔助分析，可獲取當前視圖某一海拔高度的等值線，也可獲取某一指定區域高程值后，建立渲染模型或繪制指定間距等高線，效果如圖所示:

圖 6-18 高程渲染表面模型

圖 6-19 動態生成區域等高線

6.2.4空間測算

剖面分析是地質災害應用中常見功能之一，沿地表某一直線方向垂直剖面圖用以顯示剖面線上斷面地勢起伏狀況。通過采樣線段途經點的高程數據(Z坐標值)并將其作為二維剖面圖Y坐標值繪制高程樣條曲線。如圖6-20所示，Y方向黃線標明當前采樣位置，Y坐標值為高程數據。

圖 6-20 剖面高程分析

面積計算分面狀地物面積(二維平面面積)和體狀地物面積(表面積)兩種，表面積相對二維面積計算引入DEM高程數據，采用設定經緯度步長劃定格網并對格網內采樣高程點后計算斜面面積的方式實現表面積計算。效果如圖 6-21 所示，實現周長及表面積計算。

回顯5遊制點回顯示標注

14.045 km 4.964 km2

b5S 0®D 30.66, 104.06 31.5337,104.1201

104.1353味 31.5473T匕海拔：1,264 米視高： 5 km 方位 113.70° 剛 50.29°

圖 6-21 地表面積

6.2.5投影變換

為了實現同一平臺下二維空間數據的整合，需要進行投影變換，如圖 6-22

和圖6-23分別為WGS84平面墨卡托投影轉換和加載二維平面地圖的應用。

圖 6-22 平面投影

圖 6-23 二維平面地圖加載

6.3 本章小結

本章介紹了基于G/S模式的地質災害信息管理平臺的相關具體實現。首先針對地質災害信息管理的應用需求確立了系統主要功能模塊，并介紹了應用系統的實現結構，其次，從主界面實現、基于 GHML 的服務聚合與共享、高程數據應用、空間測算、投影變換等功能描述了基于G/S模式的三維地質災害信息綜合管理平臺的具體實現成果，展示了基于本文所述架構下的地質災害信息管理平臺原型系統。

結論

近年來，隨著國民經濟的快速發展，我國城鎮化、工業化和農業現代化過程中人類工程活動強烈，給地質環境帶來巨大壓力，且我國地質環境多樣、氣候條件復雜、構造活動頻繁，各類地質災害嚴重影響了人民生命財產與公共環境安全，為國民經濟帶來巨大損失。由于地質災害種類多樣化、地質災害數據又呈海量化發展趨勢，利用現代信息技術建立地質災害信息綜合管理系統對地質災害防治工作具有積極意義。

地質災害信息多與地理位置相關，具有空間信息特性。G/S模式是一種新型的空間信息網絡服務模式，具有“數據分散、信息匯聚、服務聚合”的特點。 G/S 模式充分借鑒C/S和B/S結構的優點，為地質災害信息管理系統中海量、異構數據的組織管理與分析表達提供了一種應用模型。

本文針對地質災害防治工作對地質災害信息管理的需求以及傳統地質災害信息管理系統的不足，從研究地質災害信息管理中空間信息服務的應用模式出發，將 G/S 模式應用于地質災害信息管理，并在研究地質災害數據特點的基礎上，從數據組織管理與服務聚合的角度，對平臺架構和運行機制進行了深入分析與研究，在此基礎上，設計了地質災害標記語言GHML及數據注冊中心模型，并以此為核心確立了地學瀏覽器和服務器端的工作模式，建立了基于G/S模式的地質災害信息管理平臺架構體系，并實現了原型系統。本文主要工作如下：

(1)研究分析了空間信息技術在地質災害減災防治中的應用現狀與發展趨勢，明確了空間信息服務在地質災害信息管理中的業務需求。

分析了空間信息技術在地質災害減災防治中的重要作用以及地質災害管理對現代減災工程的意義，結合地質災害信息管理平臺中地災信息的空間特性，在研究空間信息服務特性的基礎上，對空間信息在地質災害信息管理平臺中的應用架構和服務模式進行了探討，研究并確立了空間信息服務在地質災害信息管理中的業務需求。

(2)提出了一種以地質災害標記語言(GHML)為核心的地質災害信息聚合與表達的數據交換體系。

(3)提出了一種基于地理位置的地質災害行業數據共享管理模型。

以“數據分散、信息匯聚、服務聚合”為理念，分析研究服務聚合實現模式，提出了一種客戶端服務聚合的，以地質災害標記語言GHML為核心，以數據注冊中心為載體的地質災害行業數據共享機制，用于實現地學瀏覽器平臺客戶端間的數據服務共享與交換。

（4）初步建立了一種基于G/S模式的地質災害信息管理系統技術架構。

研究了 G/S 模式作為一種新型空間信息訪問模式的應用特點，并結合地質災害信息管理系統對空間信息服務的需求，明確了 G/S 模式在地質災害信息管理中的適用性，并對基于G/S模式的地質災害信息管理架構體系和運行機制進行了分析研究，圍繞 GHML 對數據注冊中心進行了設計，并對服務器群和地學瀏覽器平臺中的關鍵技術進行了相應研究，初步建立了基于G/S模式的地質災害信息管理系統技術架構體系。

（5）初步構建了基于G/S模式的三維地質災害信息綜合管理平臺。

采用 G/S 模式的架構體系，針對地質災害信息管理的應用需求，對后臺服務器及地學瀏覽器客戶端進行了詳細設計與構建，以GHML語言為數據組織核心，對以地災行業應用需求為主的信息及服務進行組織描述，并通過數據注冊中心實現數據服務的發布與共享，在地學瀏覽器端實現服務聚合與展示，初步構建了基于G/S模式的三維地質災害信息綜合管理平臺，對建立地質災害信息綜合管理系統及其他以空間信息為主的行業應用平臺具有一定借鑒和推廣價值。

G/S 模式作為一種新型的空間信息網絡服務模式，工作機制與服務模式尚未完全成熟，在針對地質災害行業的應用中尚需對其理論體系和應用模式進行不斷的豐富與發展。基于G/S模式的地質災害信息管理平臺也還有進一步的優化和擴展空間。因此，在本文對基于 G/S 模式的地質災害信息管理平臺研究的基礎上，還有一些問題需深入研究，下一步的工作主要包括：

（1）進一步了解地質災害減災防治的相關知識，繼續深入研究現代化信息技術手段對地質災害信息管理帶來的影響，豐富地質災害信息管理內容，為決策分析提供更多輔助支持信息。

（2）繼續對G/S模式的工作機制與應用架構進行深入研究，將G/S模式的最新進展與地質災害信息管理結合起來；

（3）繼續研究GHML語言規范，進一步的結合地質災害行業應用需求完善 GHML 的體系結構。

致謝

光陰似箭、歲月如梭，轉眼間即將走完博士研究生的求學生涯，值此博士論文完成之際，盡管感謝已不足以回報老師、同學以及親朋摯友為我付出的教誨、幫助、支持和無盡的關懷，但此時此刻，唯有感謝才能表達我心中的感激之情。

首先，衷心感謝我的導師-苗放教授，三年來對我的諄諄教誨和悉心關懷。在這三年的學習過程中，我所取得的每一點進步都離不開苗老師的耐心指導。是苗老師引領我邁入空間信息技術的研究領域，從論文選題、實施，到論文的撰寫與修改，每一個環節中無不凝聚著苗老師的悉心指導。感謝苗老師三年來對我無微不至的照顧以及為我提供了良好的工作條件和參加科研項目與學術交流的機會。苗老師嚴肅的科學態度、前沿而精髓的學術造詣、淵博的學識、敏銳的洞察力、誨人不倦的師德以及儒雅的學者風范，不僅使我明白了如何進行科研和看待事物，而且還讓我明白了許多待人接物與為人處世的道理，并將影響我今后的工作和生活。同時也非常感謝楊文暉老師在學習生活中給予的諸多關心與幫助，在此致以衷心的感謝和崇高的敬意！

在論文完成之際，也非常感謝地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室的黃潤秋教授、許強教授、巨能攀教授以及何政偉教授對本研究課題專業性的指導，同時感謝黃健博士，范強博士，以及何朝陽，南希，李旭龍同學對我的幫助。

非常感謝在項目組一同工作、學習的羅慧芬、曹蕾、程付超、陳墾博士，以及倪翔、蒙安泰、劉尹、鄭新建、胡尊玉、梅玉、史宏宇、邱建松、柴森、解巖、肖在昌、孟慶凱、趙國祥、劉淑俠碩士的幫助，沒有你們的參與和幫助，我的論文很難如此順利的完成。感謝已經畢業的劉瑞、郭曦榕、葉成名、劉斌、譚力博士，你們的建議與鼓勵，使我得以順利完成博士論文。還要感謝徐淞浦、史繼軍、李權國、劉軍、文武、岳焱、盧涵宇、王合闖博士，感謝你們在學習期間對我的支持與幫助。此外還要向那些在我攻讀博士學位期間曾經幫助過我，而不能在這里一一列出的同學們表示誠摯的謝意。

在即將完成學業之際，感謝陳麗老師在我研究生學習過程中給予的熱心幫助，以及博士期間曾經給予我指導和幫助的所有老師。

感謝我摯愛的故友新朋，你們的理解、支持、鼓勵和無私的關懷與幫助，讓我讀博士期間的生活充滿了陽光般的溫暖和泉水般的清新，你們為我所做的一切將化作我一生最美好的回憶。

最后，還要深切地感謝我的家人多年來對我學業的理解、支持以及對我的關懷和牽掛。衷心祝愿我的親人們健康幸福！

謹以此論文獻給所有關懷、幫助、支持、鼓勵我的親人、師長、學友和朋友！

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