基于Cesium的滑坡監測數據管理系統設計與實現

李紅文 趙紹兵 李 楨

(1.自然資源部第一航測遙感院 陜西西安 710054；2.自然資源部陜西基礎地理信息中心 陜西西安 710054)

我國山地丘陵占比高，地質構造復雜，氣候類型多樣，人類活動豐富，自然災害隱患多、分布廣，是世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一。據統計，目前全國有地質災害隱患點20多萬處，其中特大型和大型滑坡、崩塌、泥石流地質災害隱患點近3萬處。因此，采用不同的監測技術在滑坡隱患點布設監測站點，進行高精度連續監測是滑坡預警、減災防災必不可少的關鍵環節。有效管理不同類型監測站點采集的監測數據，直接體現了整個滑坡監測預警系統的水平。

本文以某滑坡監測站點數據管理為例，基于開源平臺Cesium三維地圖引擎，利用EasyUI、High- charts和HTML5等技術構建滑坡監測數據管理系統。其中，Cesium是基于JavaScript編寫的使用WebGL的地圖引擎，支持3D、2D和2.5D形式的地圖展示及多源的地理空間數據和地圖服務，可以自行繪制圖形、高亮區域，并能提供良好的觸摸支持，兼容絕大多數的瀏覽器。Highcharts 是一個用純JavaScript編寫的一個圖表庫， 能夠在Web網站或是Web應用程序中很簡單便捷地添加有交互性的圖表。HighCharts支持的圖表類型有曲線圖、區域圖、柱狀圖、餅狀圖、散狀點圖和綜合圖表。

通過 Cesium在三維地圖上加載滑坡隱患處的地形數據和高分遙感影像等空間數據，以及位移監測、裂縫監測、降雨量監測、地下水水位監測、土壤濕度監測和視頻監測的站點數據，實現監測點位信息的快速查詢、三維瀏覽、監測數據管理、監測數據查詢和統計分析，并利用Highcharts圖表技術對監測時序數據進行可視化展示，為后續滑坡監測預警系統建設提供基礎數據支撐[1]。

1 滑坡監測數據管理系統設計及實現

1.1 系統架構

系統采用多層架構體系構建，包括數據采集層、基礎設施層、數據層、數據服務層和應用層。其中，數據采集層，通過在滑坡隱患體相關位置部署降雨量監測、位移監測、裂縫監測、地下水位監測、土壤濕度監測和視頻監控等設備，實時采集數據，通過互聯網、無線網和監測專網等基礎設施層設備傳輸到數據管理層；基礎設施層，主要由軟件系統、硬件系統和網絡設備組成；數據層，按照目前主流的監測預警系統建設技術標準構建，基于監測數據多源性，分級分層次組織存儲，主要包括滑坡體的基礎地理空間數據、監測站點信息及其實時監測數據；數據服務層，主要功能是將與滑坡有關聯的數據，發布為標準數據服務，以Web共享服務形式呈現給應用層；應用層，主要是實現系統功能，包括三維場景瀏覽、站點管理、數據查詢、數據統計和圖表分析等?；卤O測數據管理系統架構如圖1所示。

圖1 滑坡監測數據管理系統總體架構

1.2 數據庫設計

滑坡監測數據庫是輸入、輸出多源異構監測數據及提供數據服務的中心。數據庫采用“Geodatabase + SQL Server”構建模式，實現空間地理數據和時序監測數據的一體化管理、查詢和分析，為滑坡監測數據管理系統、監測預警系統和風險評估系統等應用系統建設提供數據支撐。

數據庫采用屬性數據庫與空間數據庫分離設計的思路，屬性數據選用主流的監測數據管理軟件SQL Server數據庫，空間數據采用ArcGIS的Geodatabase數據模型進行管理。屬性數據庫主要存儲和管理各種傳感器采集的監測數據和系統維護數據，其中，系統維護數據包括用戶信息、用戶權限和通用枚舉數據；監測數據包括監測站點基本信息和多種實時監測數據?？臻g數據庫存儲和管理基礎地理空間數據，包括基礎矢量數據，如行政界線、道路、河流和地名，以及滑坡隱患處的高分遙感影像數據。數據庫邏輯結構如圖2所示。

圖2 滑坡監測數據庫邏輯結構

1.3 功能設計

功能模塊包括三維展示、站點查詢、監測數據查詢、監測數據統計和系統管理[4]。

1)三維展示。使用Cesium技術開發三維Web前端展示頁面，實現滑坡三維場景渲染，完成三維地圖縮放、漫游、全圖顯示、標注、卷簾和清除等常用的基本操作功能；實現對滑坡點位、監測站點三維場景中的位置定位功能。

2)站點查詢。實現監測站點基本信息查詢，包括位移、裂縫、降雨、地下水、土壤濕度和視頻等站點部署設備基本信息查詢和位置快速顯示。

3)監測數據查詢。實現任意監測點位的實時監測數據、歷史數據的查詢和瀏覽。

4)監測數據統計。實現任意監測點的監測數據，按照時間和類型進行統計，利用Highcharts技術開發曲線圖、折線圖、餅狀圖和柱狀圖等多種圖形展示及對比分析。

5)系統管理。實現用戶增加、刪除、編輯、權限設置和角色分配等功能，以及對各種數據信息的查詢、添加、編輯、刪除、導入和導出等數據常用管理功能。

1.4 系統實現的關鍵技術

1)采用開源Cesium技術開發滑坡監測數據管理系統的三維功能模塊。Cesium是一個較優秀的三維地球GIS引擎(開源且免費)，能夠加載各種符合標準的地圖圖層，支持瓦片圖、矢量圖等，支持3DMax等建模軟件生成的obj文件，支持通用的GIS計算和DEM高程圖。國內許多三維GIS產品都基于Cesium進行封裝。針對滑坡監測數據管理系統功能需求，在Cesium原有功能基礎上進行定制研發，快速構建跨平臺、易共享、易維護的三維數字地球可視化Web系統[2-3]。

2)采用數據融合技術處理和管理多源的監測數據。要實現滑坡隱患處的三維呈現和傳統監測數據的管理，必須解決數據融合問題。系統涉及的數據包括滑坡隱患處的高分影像、地形數據、基礎矢量數據、滑坡點位和監測站點專題數據，以及位移、裂縫、降雨量、地下水位和土壤濕度等監測設備采集的時序數據，其中，時序監測數據量大、時間跨度長且數據之間缺少關聯。在系統設計相應的數據融合模型時，以基礎矢量地圖為底圖數據，利用數據融合處理工具，采用人工和自動化處理，實現多源滑坡監測數據的融合、組織和管理[4-5]。

3)采用Highcharts技術實現系統圖表展示。目前多源、長時序監測數據圖表展示采用的軟件包括國產的Echarts和國外的Highcharts。Highcharts底層采用SVG技術，具有不依賴分辨率、支持事件處理器、適用于帶有大型渲染區域的應用程序等特點，另外Highcharts界面美觀、兼容性好。Highcharts由于使用JavaScript編寫，不需要像Flash和Java那樣需要插件才可以運行，而且運行速度快，支持當前大多數瀏覽器。Echarts底層采用Canvas技術，具有依賴分辨率、不支持事件處理器、文本渲染能力較弱、能夠以PNG格式保存結果圖像等特點。由于滑坡監測數據管理系統涉及的統計圖表要求不受分辨率的限制，能夠支持事件響應，能與用戶進行交流，因此，選擇使用Highcharts技術開發本系統的統計圖表展示功能[6]。

4)采用.NET MVC技術實現數據管理功能。MVC (Model View Controller)是模型-視圖-控制器的縮寫，是一種設計創建 Web 應用程序的框架模式，它強制性地使應用程序的輸入、處理和輸出分開。使用MVC應用程序被分成3個核心部件：模型、視圖和控制器，它們各自處理自己的任務。其中，Model(模型)表示監測數據記錄對象；View(視圖)顯示數據，建立在Model層之上；Controller(控制器)讀寫監測數據，控制用戶輸入，并向模型發送數據。MVC 模式同時提供了對 HTML、CSS 和 Java-Script 的完全控制。本系統采用.NET MVC技術實現了滑坡監測數據的查詢、瀏覽、編輯和統計分析等數據管理功能。

5)采用EasyUI技術實現系統界面布局。 EasyUI是一種基于jQuery、Angular、Vue和React的用戶界面插件集合，開發人員采用EasyUI技術能快速地創建Web程序頁面，而且開發的應用頁面完美支持HTML5，頁面互動性強。

1.5 系統實現

滑坡監測數據管理系統基于Cesium、EasyUI、Highcharts和HTML5等技術開發，采用MVC三層架構實現了監測數據的獲取、查詢、瀏覽、編輯和統計分析等功能，提供了良好的三維場景瀏覽和傳統數據管理功能。圖3所示為某滑坡監測站點的數據管理系統的主要界面。

圖3 系統實現的主要功能界面

2 結 語

本文基于Cesium定制研發的滑坡監測數據管理系統，具備了跨平臺、易共享、易維護和投入少等特性，具有三維瀏覽、點位查詢定位、監測數據查詢和統計分析等功能，滿足了用戶基本三維場景展示功能的需求，實現了對滑坡監測數據查詢、統計和管理。這是一次利用開源平臺開發傳統數據管理應用系統的嘗試，可為相關應用系統架構、設計和功能的實現提供思路和參考。