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(1.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；3.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

20世纪90年代以来，由于地理信息系统(GIS)强大的空间数据管理和空间分析功能非常适合解决地质灾害领域中诸如滑坡编录建库、空间预测、风险评价等许多问题，因此GIS在滑坡灾害中得到了广泛应用[1]。其中，随着信息技术的飞速发展，以GIS为核心技术建立滑坡等地质灾害数据库及空间信息系统，已成为有效开展防灾减灾、科学研究及指导工程实践等的重要基础性工作。在我国，从2000年开始，通过全国性的县市地质灾害调查与评价、区域性的地质灾害专项调查等项目[2-3]，不仅建立起了海量地质灾害空间数据库系统，而且提出了更完善、更广泛、更通用的标准规范，从而在很大程度上促进了我国地质灾害空间数据库系统的建设[4-7]。

然而随着应用深入，基于绝大多数地质灾害发生于具有三维空间特征的地质环境这一实际[8-9]，建立具有三维特征的滑坡灾害空间数据库及信息系统成为新的现实需求[10-12]。虽然3DGIS和3S集成、数字地球等技术得到了飞速发展，但要真正建立地质灾害3DGIS，却仍然面临着多源异构数据有效集成更新、海量空间数据有效存储和展示、三维场景模型建立等挑战。

西南大型水库库岸滑坡灾害3DGIS的建设，是水利部公益性行业科研专项经费项目《西南大型水库库岸滑坡灾害影响与对策研究》的重要研究内容和基础，其主要目的是建立西南代表性水库库岸滑坡灾害信息基础数据库，实现对海量、多源、异构信息集成动态管理基础上建设滑坡灾害三维GIS系统，以支撑项目实施并展示研究成果。

2 总体框架

系统总体框架由3大部分构成，分别为基础信息数据库、应用开发环境、网络三维GIS系统，见图1。

图1 系统总体框架图

2.1 基础信息数据库

位于系统底层服务器端，其主要功能是为上层滑坡灾害3DGIS系统提供数据存储、数据动态更新及管理维护等数据服务功能。该数据库从逻辑上分为空间图形库、属性库及多媒体文档库等3个子库，且子库之间通过以代表性水库+滑坡编号名称构成的关键字进行连接；物理上，空间图形库按照GIS数据格式保存成栅格、影像、矢量等图层文件集合，也可以通过空间数据引擎技术保存于关系型数据库中；属性数据则直接保存为关系型数据库中的二维表格；而多媒体文档库则采用文件格式保存到文件服务器，也可以直接在服务器端通过文档存储管理功能实现。

2.2 开发环境

基于服务器数据库及客户端网络3DGIS系统的功能需求考虑，采用目前流行的.Net网络应用开发环境进行上层3DGIS系统的搭建。选择好开发环境后，利用成熟的网页开发技术如ASP.Net结合WebGIS，ComGIS及3DGIS等二次开发控件和接口，就可以实现滑坡三维地理信息系统功能。至于与底层数据库的交互，可采用空间数据库引擎和关系数据库引擎技术予以实现。

2.3 网络3DGIS系统

实现包括后台数据管理维护、库区三维场景浏览漫游、滑坡灾害查询及空间定位、滑坡基础信息浏览等功能。用户通过网络浏览器输入系统网址，就可以直接进入系统操作，并且支持多用户同时应用。

西南大型水库库岸滑坡灾害三维地理信息系统总体上采用浏览器/服务器(Browser/Server)体系架构搭建，既实现了底层海量、多源、异构数据的有效存储和管理，又为前台用户提供了简单方便的浏览器操作界面和较为完善的数据管理及展示功能支持，从而为水库滑坡灾害科学研究、防灾减灾实践等提供强有力的数据和信息管理保障。

3 滑坡灾害基础信息数据库

3.1 数据分析

建设西南大型水库库岸滑坡灾害基础信息数据库的根本目的，是为开展项目研究提供综合信息集成管理支持，因此该数据库应包含所有水库库岸滑坡灾害研究中所涉及的基础信息、中间成果信息以及最终成果信息等。经过数据分析，滑坡灾害基础信息数据库的主要内容结构组成见图2。

图2 西南大型水库库岸滑坡灾害基础信息数据库内容结构图

数据来源主要包括已有资料(如地质、地形、勘查等)、遥感影像及滑坡灾害室内解译资料、滑坡实地调查资料、重点滑坡相关的监测数据资料，以及项目研究所取得的重要中间成果和最终成果资料等几个方面。

分析上述资料中所包含的数据信息，不难发现这些数据从数据类型上可以分为空间数据和非空间数据，而非空间数据又可以进一步分为滑坡灾害相关属性数据以及由照片、图片、报告等组成的多媒体文档数据。以上数据中，空间数据可以看作信息基础和载体，而非空间数据则是对空间数据的详细注释和信息补充。进一步分析可知，在滑坡灾害基础信息数据库中，以空间图层形式存在的数据可以分为基础地理数据(包括地形图、遥感影像图、境界、水系、主要工程等)；基础地质数据(包括地层、构造、产状等)；滑坡灾害图形数据(包括灾害位置点、灾害GPS调查点、灾害监测点、灾害体范围等)以及专题成果图形数据(包括危险性区划、易损性区划、风险区划、防治规划等)。而以关系型数据库中二维表格形式存在的滑坡灾害属性数据主要包括特征点调查表、滑坡调查表、监测数据表、各类试验测试数据表及治理数据表等。以文件方式存在的多媒体文档数据则主要包括各类照片、图片、视频、文字报告、数据报表等。

可见，滑坡灾害基础信息数据库涵盖了不同来源、不同类型、不同存储方式的各类数据，具有典型的海量、多源、异构数据特征，因此设计有效的数据库建设和管理方案非常重要。

3.2 建设方案及技术选型

考虑到水库滑坡灾害所涉及到的数据类型及特征，提出以GIS空间数据管理为核心、结合关系型数据库管理和文档管理的数据管理方案，具体为：

(1) 基于ArcGIS平台和空间数据库技术，采用1954 北京3度带坐标系统组织以Shapefile或AutoCAD dxf格式存储的图层文件并建立地图，以实现滑坡灾害空间图形库。由于研究涉及的西南大型水库包括金沙江乌东德库区、滇中引水奔子栏库区、旭龙库区及怒江岩桑树库区等4个库区，分布于东经98°45′～102°40′、北纬24°24′～29°27′的大区域范围内，因此理论上采用经纬度球面坐标系统如WGS84可以将各库区集成到统一的空间场景当中，这样更具整体性。然而在实际应用中，由于各库区均有大量空间数据，如同时将这4个库区数据加载到统一的三维场景，会大大影响系统效率和用户体验，另外由于系统功能均针对各库区内部数据集，并未涉及到跨库区操作。因此，根据系统功能设定，同时为保证理想的系统运行效率和用户体验，确定采用北京54平面坐标系统将4个库区分开建立空间图形库。

(2) 基于SQL Server 2005关系型数据库，采用实体-联系模型(简称E-R模型)建立满足范式规则的滑坡灾害属性数据库。

(3) 利用文件集中分类存储方式建立多媒体文档库，通过多媒体文档记录表存储其隶属关系、存储位置、文件类型、简要说明等，以供空间数据库系统查询、调用。

可见，西南大型水库库岸滑坡灾害基础信息数据库在逻辑上由“空间图形库”、“滑坡灾害属性库”及“多媒体文档库”3个子库构成(图1、图2)，而这3个子库的数据信息围绕4个库区每一个滑坡灾害体为核心建立，并通过统一命名的关键字段“库区编码+滑坡灾害编码+滑坡名称”实现连接和相互调用。

4 滑坡灾害三维地理信息系统

4.1 技术选型及架构

随着GIS技术发展、高分辨率遥感影像数据以及电子地图服务应用的迅速普及，以谷歌地球为代表的3DGIS应用受到了普遍关注，而目前国内外各类3DGIS软件系统平台已超过了20种，这些软件各有优缺点。其中，Skyline[13]是目前制作大型真实三维数字场景的首选软件，用户可以基于Skyline利用航空和卫星影像、地形高程数据和其他的二、三维地理空间和属性数据，创建自定义的虚拟现实三维可视化场景，进行浏览、查询、分析和网络发布，并开放所有的API(应用程序开发接口)，不论是在网络环境还是单机应用，用户都能够根据自身的业务需求开发定制功能，建立个性化的3DGIS。综合来看，Skyline作为目前最为成熟的专业3DGIS平台，其在专业信息集成、开发效率、用户体验、安全性等方面都具有更加突出的优势，而且考虑到数据积累及信息系统功能需求，选定Skyline技术平台建设西南大型水库库岸滑坡灾害3DGIS系统。

图3 滑坡灾害三维地理信息系统技术架构图

图3为滑坡灾害3DGIS系统体系架构，主要构成及实施流程包括：

(1) 首先利用Skyline TerraBuider，基于1954 北京3度带坐标系统，通过在数字高程模型DEM上叠加遥感影像数据，分别创建4个库区的三维模型，并生成MPT文件。

(2) 将三维模型导入Skyline TerraExplorer Pro，然后在三维模型之上叠加各类专业图层数据(如工程地质图、滑坡灾害分布图、风险评价图等)，这些空间数据可以是shp，dxf，kml等多种格式，导入前只需要统一转换到三维模型数据的坐标系统。另外，还可以在TerraExplorer Pro中创建二维文本、图片对象和三维模型对象等。在将专业空间数据集成到三维模型之后，就可以建立系统所要处理的三维空间图形库，并生成FLY文件。

(3) 在建立的滑坡灾害基础信息数据库基础上，利用Skyline TerraExplorer Pro API，在.Net开发

环境中，根据项目系统需求开发定制功能，将整合之后的三维空间图形库构成的三维场景发布到网络环境。同时通过与SQL Server 2005数据库、多媒体文档库建立连接，实现空间数据与属性数据、多媒体文档之间的数据集成和交互，以实现西南大型水库库岸滑坡灾害三维地理信息系统。用户通过安装有TerraExplorer插件的网络浏览器，就可以实现轻松快捷的三维交互式体验，以接近真实场景的独特视角浏览、分析西南主要大型水库库岸滑坡灾害的基本信息和空间分布特征等。

4.2 主要功能

(1) 代表性库区滑坡灾害空间数据加载。由于系统共有4个相互独立的西南代表性水库库区，而3DGIS系统每次加载其中1个库区三维场景，因此系统入口设计为基于Google Map的4个库区标记及范围，并链接到对应库区的3DGIS系统。单击进入具体库区后，系统将自动加载包括“地理背景”、“地质背景”、“库岸地灾”等3个主题的所有空间图层，并将这些图层采用树状列表的方式显示于系统功能操作栏中的“图层”窗口(图4)。

图4 系统空间数据加载后的三维场景

(2) 库区三维场景浏览及漫游。由于各个库区空间图形库均构建在三维模型上，因此可以充分利用Skyline的显示速度和效果，实现以库区滑坡灾害为核心的三维场景浏览，从而大大提升用户体验和直观形象感受。

(3) 滑坡查询及空间定位。系统提供滑坡灾害体查询功能，通过输入滑坡名称或编号等字符串，可以查询列出所有符合条件的滑坡灾害，再通过点击具体滑坡，三维场景将自动飞往并放大到该滑坡场景(图5)。

图5 系统的滑坡查询及空间定位

(4) 滑坡基础信息浏览。系统将与具体滑坡相关的所有基础信息(包括表格属性、多媒体、文档等)用统一的属性窗口进行集中展示。点击具体滑坡灾害体时，系统会自动弹出该属性框，其中包括全貌照片、平面图、剖面图索引，灾害体类型等基本属性信息，以及PDF文档链接。进一步通过单击图件及文档链接，可以查看更为清晰的全景照片和CAD版的平、剖面图，以及包含了该滑坡所有详细信息(如勘查资料、稳定性计算成果等)的PDF文档(图6)。

图6 系统的滑坡基础信息浏览

(5) 不同库区三维场景切换。提供在4个代表性库区3DGIS系统之间的方便切换功能。

(6) 后台数据动态更新管理维护。西南大型水库库岸滑坡灾害3DGIS系统是一个动态数据库系统，这种动态表现在随着水电工程以及科学研究进展，工作程度将越来越高，相关库区滑坡灾害信息会不断更新和积累，因此提供系统数据的动态更新维护功能必不可少，系统通过独立的后台数据管理程序加以实现。根据前文数据分析，对于每个库区滑坡灾害体均对应有空间图形、属性和多媒体文档等3类信息，故对于滑坡的新增、修改和删除等更新维护也实现了对这3类数据的同步联动操作。

5 结论与展望

西南大型水库库岸滑坡灾害三维地理信息系统的建设是以具体项目作为支撑实施的，无论是对于我国大量的水库滑坡灾害管理还是对于防灾减灾工程实践，都具有重要参考价值，主要表现为：

(1) 对水库库岸滑坡灾害空间数据库进行了针对性设计，搭建起了有效集成管理库区滑坡灾害相关信息的数据平台及框架。由于该数据库设计是在充分分析研究所有水库滑坡灾害信息管理和功能需求的共性基础上实现的，因此包括数据内容、总体框架、技术方案等都极具参考借鉴价值；

(2) 建设完成的4个大型水库库岸滑坡灾害基础信息数据库，填补了我国在西南地区水库滑坡灾害数据库建设方面的空白。这一方面可以直接为这4个水库建设前后的库区地质灾害防治提供有效的信息管理平台，另一方面也可以为西南众多即将或正在建设中的水库地质灾害基础信息管理提供参考和借鉴。

(3) 采用最新的3DGIS、数字地球等技术，基于水库滑坡灾害基础信息数据库，建设完成了包括三维库区场景浏览漫游、滑坡灾害信息查询、数据动态更新维护等数据管理及展示功能齐全的水库库岸滑坡灾害三维地理信息系统，可以为相关系统建设提供参考和借鉴。

当然，本文论述的西南大型水库库岸滑坡灾害3DGIS，主要是依据项目任务要求而实现的以水库滑坡灾害基础信息集中动态管理及展示为主的系统，并未涉及滑坡灾害业务管理中所需的辅助决策等高级功能。因此，对于下一步工作展望，一是期望建立更加完整地涵盖大型水库滑坡灾害调查、勘查、分析研究、监测评价、预测预报、防灾治理等全过程的数据库系统，真正实现水库滑坡灾害信息的全方位和全过程动态管理；二是进一步实现包括库区滑坡基础信息管理、实时自动监测、动态分析评价、应急管理、辅助防灾预警等功能完善的基础信息服务及决策支持平台，真正实现对水库滑坡防灾减灾快速、准确、有效的辅助决策。

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