艾明耀,井研,刘立,胡庆武(武汉大学遥感信息工程学院,湖北武汉 430079)

基于天地图的县级城市地面沉降信息管理技术研究

艾明耀∗,井研,刘立,胡庆武
(武汉大学遥感信息工程学院,湖北武汉 430079)

摘 要:沿海地区由地面沉降问题引起的地质灾害严重影响着城市可持续发展。本文提出了基于天地图面向县级城市地面沉降信息管理方法。首先提出并设计了基于天地图的城市地面沉降信息管理框架；其次,设计了城市地面沉降历史观测数据入库和管理模型,最后,以长江三角洲某县级城市为例,设计并开发实现了县级城市地面沉降信息管理系统,能够实现历史沉降观测信息的在线入库、可视化管理、动态预测和InSar数据分析等,具有良好的应用前景。

关键词:天地图；地面沉降；数据库；管理；可视化

1　引 言

目前,中国在19个省份中超过50个城市发生了不同程度地面沉降,累计沉降量200 mm以上的总面积超过7．9万km2,其中长江三角洲地区最近30多年累计沉降200 mm以上面积近1万km2,占区域总面积1/3。地面沉降带来众多地质灾害,对国民经济稳定发展和财产安全威胁巨大[1,2]。为有效控制城市地面沉降以及减少沉降造成影响,城市规划、地质等部门需掌握城市地面沉降状况,为城市规划建设提供科学依据[3,4]。为此,各城市相继开展城市沉降观测工作,积累了大量的历史观测数据,数据量大而杂乱。现有的城市沉降信息管理系统虽然可以对这些实测资料录入、管理,查询和统计,但没有充分利用沉降观测点的空间特性建立沉降时空数据库。此外,最新的航空摄影测量、InSAR等沉降监测手段获取的大面积沉降观测数据也不能进行有效的存储管理、分析和预测[5,6]。

目前,国内各个城市正在积极推动天地图市级节点的建设,其采用的基于空间信息服务的应用架构可为大数据时空沉降数据管理提供必要的技术平台和数据支撑[7,8]。本文提出了一种轻量级城市地面沉降信息管理方法,不仅能够有效地对观测资料进行管理、查询与统计,还可以进行相关的空间分析。该方法以天地图为基础地理信息平台,通过扩展的后台数据库实现城市地面沉降历史观测数据的动态管理,在此基础上以长江三角洲某县级城市为例,设计并开发实现了县级城市地面沉降信息管理系统,能够实现历史沉降观测信息的在线入库、可视化管理、动态预测及其可视化和InSar数据分析等,具有良好的应用前景。

2　基于天地图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观测数据的整理与和建库、沉降观测数据的空间可视化与查询以及沉降观测数据时空分析,为城市地面沉降的预测、防控、减灾提供支持。沉降观测数据通常为单一离散观测点,因此,对沉降观测信息的管理、分析和预测需要城市级基础地理信息数据支撑。本文提出以天地图作为城市离散沉降信息管理的空间数据源,其技术框架如图1所示。

图1　系统技术框架图

数据层主要包括沉降观测数据库与天地图地理空间数据服务,前者主要指在数据库管理系统环境下负责创建数据库以及对沉降数据相关的专题数据的管理等,后者主要指涉密的基础地理信息数据及非涉密基础地理信息数据服务及用于空间分析的GP服务等;技术层需要数据层提供业务数据支撑,为功能的实现提供技术上的支持;功能模块层直接面向用户需求提供的应用功能,包括数据管理、查询、统计、预测等模块;对外服务层为不同角色的用户可以根据自己的权限进行系统访问。

3　地面沉降观测数据库模型与入库

3．1数据库设计

基于B/ S架构的沉降信息管理系统设计中,数据库设计是非常重要的部分,它的好坏直接影响系统的性能[9,10]。本文采用Oracle11g数据库进行数据存储和数据交换。系统管理的沉降信息主要包括两部分,一是沉降观测点的基本信息,二是沉降观测点历年的观测信息,在数据库设计中主要分沉降观测点表和历年高程记录表,其E-R如图2所示。

图2　沉降数据E-R图

如图2所示,沉降观测点表主要存储试验区沉降观测点的位置信息和一些基本信息,包括观测点号、唯一标识GUID、观测点名称、经度、纬度、来源类型等字段,其中主键为GUID。历年高程记录表主要记录每一个沉降观测点不同年份观测高程值,包括唯一标识GUID、观测点的GUID、观测年份、高程值、来源类型等字段。其中沉降观测点表是一个关键核心表,历年高程记录表通过记录观测点的GUID字段(PGUID)与沉降观测点表进行关联。

3．2沉降数据入库

沉降数据来源比较复杂,基于观测点方式的数据来源包括水准仪观测沉降结果数据、GPS测量结果数据、沉降井观测结果数据[11,12]。系统主要提供两种沉降数据入库路径,一是单条数据添加,二是批量导入,入库时均需进行数据有效性验证,批量导入流程图如图3所示:

图3　批量导入技术流程图

如图3,在对地面沉降数据批量导入时,本文首先将不同来源的数据整理规范至同一Excel模板,然后将其上传至服务器并逐条进行验证,验证通过则信息入库,否则返回错误信息至用户。

4　县级城市地面沉降信息管理系统设计与实现

本文以中国东部某县为研究区域,采用的数据源有包括63个沉降站点的空间坐标、属性数据和沉降站点2009年和2010年的高程观测数据。其中,空间坐标用经纬度表示的,属性数据包括编码和名称等,高程观测数据记录包括沉降站点的编码、名称、高程值、观测条件等。底图数据采用天地图发布的城市地理空间基础框架数据。系统采用．Net开发平台,利用ASP．Net技术、Oracle数据库和基于天地图地图服务API实现的。

4．1功能模块设计

采用B/ S三层架构,PLSQL Developer进行Oracle 11g数据库管理,IIS发布网站,实现对城市地面沉降数据的管理、统计查询分析和预测分析等,其详细功能模块如图4所示:

图4　系统功能模块图

数据管理对数据库中的观测点及其历年高程数据进行添加、删除、修改与查看。数据导入与导出支持观测点及其历年高程值数据的批量导入与导出。系统支持自定义瓦片地图,用户可以使用底图管理模块将自定义地图服务配置为系统的底图,并且可以编辑已有的底图服务。系统能够实现包括框选、圆选、自定义区域选择和模糊查询等方式针对用户需要快速查找某一个观测点数据。等值线分析可根据用户选择的时间区间来计算观测的沉降量,然后根据观测点的沉降量和用户指定的等值线间隔来生成等值线,并将其在地图上显示。数据统计针对观测点的历年高程值进行统计分析,包括柱状统计与线状统计。此外,系统还提供对Insar数据管理,实现基于Insar影像文件做的沉降分析和无源淹没分析。

4．2城市沉降信息管理系统

城市沉降信息管理系统主界面如图5所示:

选择一个时间段,通过对该时间段内所有沉降观测点的沉降量进行统计分析,并将沉降量比较,找出最大最小值,在地图上标注显示出最大最小沉降位置,如图6所示:

图5　系统主界面

图6　柱状统计

进一步,通过对该时间段内所有沉降观测点的沉降量进行分析,制作沉降等值线图,并将沉降量比较,找出最大最小值,在地图上标注显示出最大最小沉降位置,如图7所示:

系统具备沉降趋势分析功能,根据观测沉降数据(水准、GPS、沉降井和InSAR沉降结果)分类预测沉降趋势,生成某一时刻的面预测沉降图,如图8(a)所示,进一步基于InSAR影像数据进行沉降分析和无源淹没分析,如图8(b)、图8(c)所示。

图7　沉降等值线

图8　分析结果

5　结 论

地面沉降问题已经成为21世纪国内外城市的主要地质灾害,严重影响着城市地区的经济增长和可持续发展。为了有效的控制城市地面沉降以及减少沉降造成的影响,城市规划、地质等管理部门需要了解掌握城市地面沉降情况,为城市规划和建设发展提供了重要的科学依据。本文提出的基于天地图的城市地面沉降信息管理方面,具有系统架构简便、可扩展性强和投入低等特点,可作为县级城市轻量级地面沉降信息管理建设参考。需要进一步研究地面沉降数据及预测信息的公众服务问题。

参考文献

[1] 王伟．抽取地下水引起的地面沉降可视化研究[D]．南京:河海大学,2006．

[2] 候卫生,吴信才,刘修国．基于GIS的城市地面沉降信息管理与预测系统研究[J]．岩土力学,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] 刘毅,张先林,万贵富等．上海市近期地面沉降形势与对策建议[J]．中国地质灾害与预防学报,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] 袁铭,杨朝辉,凡亦文等．苏州市地面沉降信息管理与分析系统研制[J]．苏州科技学院学报,2005:562～575．

[7] 陈踊,王芙蓉,崔蓓等．面向规划管理的空间信息移动服务平台建设[J]．测绘科学,2013,38(6):153～160．

[8] 王江．官方在线地图“天地图”问世信息共享与应用成发展趋势[J]．通信信息报,2010(10):1～2．

[9] 康铭东,彭玉群．移动GIS的关键技术与应用[J]．现代通报,2008(9):50～53．

[10] 李政．粮库经营信息管理系统的设计与实现[D]．济南:山东大学,2012．

[11] 赵海卫,王芹,刘照永等．基于ArcGIS的建筑物沉降观测数据分析及三维模拟[J]．城市勘测,2010:358～362．

[12] 金鼎．西安地裂缝地面沉降信息管理系统设计与实现[D]．西安:长安大学,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

文章编号:1672-8262(2015)05-16-04中图分类号:P208．2

文献标识码:A

收稿日期:∗2015—07—19

作者简介:艾明耀(1988—),男,助理实验师,主要从事3S集成技术与应用相关的实验教学和研究工作。

通信作者:井研(1988—),女,硕士研究生,研究方向地图学与地理信息系统。

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732106)