北斗杯项目申请建议书-李智慧.doc

3S动态监测与三维态势信息模拟关键技术研究项目建议书Study on Key Technologies of 3D Situation Information Simulation and Dynamic Monitoring Based on 3S作者：李智慧 指导老师：陈秀万北京大学地球与空间科学学院 北京 100871摘要：3D可视化灾害仿真模拟研究，不仅可以实现对灾害空间数据进行有效的集成管理和时空分析，而且为灾害的防治、应急管理和灾后重建等提供可靠的依据，是解决灾害实验的危险性和不可重复性的最佳途径。对于灾害的监测，传统的手段往往比较单一、且人为因素干扰较大，已经无法满足应急管理的需求。而基于卫星遥感、雷达等3S技术的综合监测手段，实现对灾害环境空间不间断监测，并在此基础上建立基于3S集成的动态监测平台，不仅可以弥补地面观测体系的不足，还可以提高观测的科学性和时效性。随着科学技术的快速发展，3S集成技术必将在灾害应急管理中发挥更高的效益。关键词：全球定位系统、地理信息系统、遥感 1. 课题简介我国是一个灾害频发的国家，时常发生的地震、台风、旱灾、水灾等自然灾害以及火灾、水污染、工业事故等公共安全事件给广大人民生命财产安全带来了巨大损失。每一次重大灾害事故都在考验国家的防灾救灾水平。只有通过对环境进行全面、长期、有效和连续不间断的监测，才能对灾害起到有效的预防作用和灾害的紧急救援发挥重要作用。利用遥感技术（RS）、地理信息系统技术（GIS）以及全球卫星导航系统技术（GNSS）即3S技术对环境进行动态监测已经成为数字减灾的重要手段。然而，在我国目前的应急管理工作中，如何将3S技术集成到一起发挥更大、更及时的作用仍然是欲待解决的关键问题。随着虚拟现实和系统仿真技术的不断发展，应用领域的不断扩大，人们对虚拟场景的复杂度和真实感的要求不断提高。虚拟场景的快速生成是虚拟现实技术的重要课题。三维可视化应用于灾害事故现场的研究目的，主要在提高实时性的同时，尽可能保证灾害场景的逼真程度。为灾害的应急救援、灾情评估、指挥决策等提供可靠的依据。综上所述，综合利用3S动态监测技术与三维仿真技术，实现灾害事故现场及发展态势可视化的实时监控具有重要现实意义。3S动态监测与三维态势信息模拟关键技术研究的主要内容有以下三个方面：（1）研究基于突发事件现场的三维可视化快速生成模型，展现突发事件的发生条件、过程和破坏力以及根据已知历史经验数据，追溯突发事件发生过程及其参数变化，为应急指挥提供技术支持。（2）研究基于高分辨率遥感数据、GIS多数据源与GNSS位置等3S信息集成方法，利用GIS技术实现海量空间数据的加工、处理、集成、存储和管理，为灾害的应急管理提供多元化服务。（3）研究基于3S集成的动态监测技术，遥感作为国土资源环境监测的重要手段，已有一定的基础，结合发展迅猛的移动通信技术，利用GIS的时间和空间分析，从而模拟出环境发展变化的趋势，构成“天-地-现场”一体化灾害监测应急决策支持体系。预期目标：建立用于突发事件现场的三维可视化快速生成模型；建立用于灾害应急为目的的多源海量数据库系统；建立基于GIS的空间信息处理平台，对各类数据如地质、水文、气象、测量数据等进行整合、统计、分析、整理，按照规定级别层次实现不同类别GIS数据共享。2. 国内外发展现状与趋势（1）三维仿真技术研究现状：三维仿真技术已成为计算机图形学领域的热点之一，三维动画技术结合计算机视频、音频技术能很好的模拟仿真场景，三维飞行模拟、动态监测及三维Web技术的发展使得三维景观更加真实、直观、生动。因此，其应用范围非常广泛如影视特技、地形勘查、水电建筑工程规划设计选址等等。然而在应急减灾方面，三维仿真技术和实时的应急响应系统研究的结合才刚刚起步。2006年美国福罗里达州国际大学在美国联邦应急管理署的支持下开发了用于飓风、风暴潮及洪水的三维可视化仿真系统，该系统利用数字地形模型、遥感影像中提取的建筑物、河流、道路、海洋等信息以及已有的GIS数据库和GPS地面调查数据结合高分辨率的风暴潮模型建立了对飓风近实时的三维仿真，对飓风的运动起到了很好的预报作用。2008年马来西亚大学用1米分辨率的LIDAR DEM数据和高分辨率的遥感影像建立了对吉隆坡市两条河流的特大洪水进行了三维动态仿真，该研究还在继续当中旨在进一步提高仿真的实时性。2008年捷克奥特拉瓦技术大学研制了用于紧急洪水灾害预报的2D/3D GIS系统FLOREON，并在随后的研究计划中拓展到交通管理、水和空气污染等领域的可视化仿真。（2）数字减灾遥感动态监测研究现状卫星遥感在数字减灾的应用方面，美国、欧洲、日本和澳大利亚等国家都开展了大量的研究。2004年受欧空局全球环境与安全系统计划支持，加拿大纽芬兰环境保护署T. M. Puestow等人利用RADARSAT遥感影像对大区域流冰和洪水进行了几乎近实时的监测分析，并对冰川进展过程进行建模。利用遥感图像对流冰运动的精确模拟，可以在两天内预报下游的洪水灾害，为下游居民的应对洪水灾害赢得了宝贵的时间。2006年在美国航空航天局的支持下美国马里兰大学的Yang Hong等人利用TRMM上的星载雷达对降雨的实时观测数据开发了基于全球范围内由降雨导致的山体滑坡进行实时监测及灾情预警预报的原形系统。2008年日本大学的Takashi等人从5月13日（汶川地震第二天）的AMSR-E遥感数据中监测到岩石破裂过程中释放的微波能量，而此前他们也曾从2004年2月22日摩洛哥地震前两天的遥感数据中监测到类似的微波能量。3. 研究内容、技术难点和创新点3.1 课题主要研究内容（1）基于突发事件现场的三维仿真研究空间信息在突发事件当中发挥着重要作用，但是2维的GIS数据或卫星遥感数据显然不能满足应急响应的需求。因此通过三维仿真建模，实现对事故场景的重现，发展过程的快速模拟仿真，并结合实时更新的空间信息模拟事故的演化规律，分析事故的破坏效应、影响范围，为事故的预警、预报，应急管理指挥工作，以及事故后的原因调查等提供直观的依据，并最大限度地减少损失具有重大意义。基于突发事件现场的三维仿真模拟研究主要包含四个方面的内容：a.通过移动终端在嵌入式GIS系统的支持下，以属性录入、录音、录像、拍照等方式对事故现场进行数据采集，通过2G/G移动通信功能发送到三维仿真模拟器中。b三维仿真模拟器能对收集到的各种空间信息进行处理，如CAD资料、2维图片资料，现场用户输入属性数据，地形图等数据信息用于对建筑物及事故现场周边环境的重构。c.三维仿真模拟器能根据终端设备所处位置快速、智能化地生成行动线路，如受害人员的最佳撤离线路、救援人员的最佳救援线路等。d.三维仿真模拟器能根据实时的现场事故演化数据，及时地向终端和指挥中心提供预警信息，例如火灾的蔓延趋势、毒气泄漏范围等等。为应急决策及人员的疏散提供智能支持。3D仿真模拟器的结构图如图3-1所示：图3-1 3D仿真模拟器结构图（2）基于高分辨率遥感数据、GIS多源数据与GNSS位置等3S信息集成方法研究在汶川地震的抗震救灾中，3S技术发挥了重要作用。灾区情况不明，而运用3S技术恰恰能从宏观尺度上给出灾情的总况。利用卫星遥感、航空遥感及GIS数据，及时获取灾区房屋倒塌、桥梁道路损毁等信息，对重大地质灾害的监测也做出了突出贡献。然而3S技术的优势在汶川地震中还没有完全发挥出来。因此，加快遥感、地理信息系统、全球卫星定位系统、网络通信技术的综合集成，成为当前应急管理工作的首要任务之一。基于高分辨率遥感数据、GIS多源数据与GNSS位置等的3S信息集成方法研究主要包含以下三个方面的内容：a.建立多时相、多尺度、多数据源遥感数据库系统，对应急管理遥感数据库的规范化设计和数据的快速实时更新方法进行研究，提出科学高效的数据结构模型和工作方式，提高数据录入、检索的速度；b.在遥感数据库的基础上结合GIS数据和GNSS实时的位置数据，对灾情进行动态跟踪分析，形成完善的数据集成管理、开发利用、快速更新、共享发布和应用服务机制；c.选定示范区，在示范区内对以往重大灾害数据进行统计分析，采用定性与定量综合集成方法，建立灾害行为时空模拟模型、灾情分析与评价模型。(3)基于3S集成的动态监测技术研究综合应用多种类型的立体监测数据，融合国内外多源空间数据，构建区域地震、滑坡、泥石流、洪水、旱灾等重大灾害的遥感监测平台，实现对多源卫星遥感数据的融合处理技术、灾情要素的目标识别与判读技术、灾害应急的快速制图技术、遥感数据处理业务化流程设计等技术的研究；图3-2是基于3S集成的动态监测平台结构模型图，整个监测平台由数据监测子系统、数据集成子系统、数据管理子系统、模型分析子系统、灾害预警子系统和数据产品子系统五部分组成。监测子系统由监测设备组成，它们之间通过有线和无线相结合的通讯网络连接，如图3-3所示。WEBGIS服务器GIS大用户客户端WEB客户端用户移动终端、手持设备等用户管理模块灾害预警子系统数据中心分布式监控中心数据预处理数据集成数据产品子系统数据集成子系统数据监测子系统灾害环境灾害环境数据采集系统监测数据通信设备GPS设备智能仪表监测要素监测数据通信设备GPS设备智能仪表监测要素模型分析子系统数据入库数据处理数据管理子系统图3-2 基于3S集成的动态监测平台结构图数据监测子系统位于监测平台的最底层，是整个平台的基础，为数据管理、模型分析以及数据产品子系统提供监测数据。数据监测子系统主要由数据采集系统构成，数据采集工作于现场监测平台上，通过和各类基本传感器的交互，自动完成海洋环境要素现场监测、采集，并实现数据预处理、暂存和传输的功能。其基本工作过程是：通过各类智能传感器，采集灾情环境中的基本监测要素变量(如温度、湿度、氧气含量等)，然后对其进行预处理，并按照系统定制的数据交换标准将采集的监测要素数据封装打包，通过数据通信网络(以太网或GSM/GPRS等)将封装好的数据包实时地传输给上层监测台站。数据集成子系统运行在监测台站上，负责接收底层来自多个不同现场监测平台(数据采集模块)发送的现场监测数据，对这些数据进行基本的校验、汇总处理，存入本地数据库，然后按照系统制定的数据交换标准将这些数据封装成标准的数据文档并发送至数据中心(数据管理子系统)。一个监测台站(数据集成模块)可连接多个现场监测平台(数据采集模块)。系统结构图如3-4所示。监控台站数据库WEB服务器GSMGPRS无线网络互联网监测设备通信基站局域网数据中心数据处理器 图3-3 基于3S集成的动态监测平台空间分布图基本监测要素监测台站GNSS信息采集终端监测移动车基本传感器Internet协议栈XML协议转换数据获取无线传输协议解析协议转换数据传输图3-4数据监测子系统结构图数据管理子系统是整个系统的枢纽。所有子系统都通过数据管理子系统实现数据的存储、交换等工作。而数据管理子系统设计的核心就是数据库建模，该子系统严格按照各种海洋监测规范、标准要求的数据格式设计、实施，并建立了一个集成、稳定、开放、可共享和可扩展的海洋环境资料数据仓库。数据管理子系统从集成子系统获取实时灾害环境监测数据，然后完成监测数据的数码转换、质量控制、数据分类等标准化、规范化处理，形成相互关联的时空数据集，并建立实时、延时和相关主题数据库，在此基础上构建环境资料数据仓库，为模型分析子系统和数据产品子系统提供强大的数据支撑。模型分析子系统功能主要是针对重大灾害（如台风）等根据已有数据资料进行建模分析并对其发生状况进行预测。该子系统是利用先进的数据挖掘算法（模糊聚类分析、支持向量机等）建立灾害预报模型，为不同类型灾害的预警提供支持。预警模型分析子系统提供短期、中期和长期预报三种预报模式，用户可以根据不同需要选择适当的预报模式。同时模型分析子系统既可以在线运行，也可以离线运行。模型分析子系统可以根据预报结果和真实发生状况对预报模型进行在线自动修正，确保预报模型的精确性和可用性。灾害预警子系统主要功能是根据不同类型的灾害提供预警。目前海洋、灾害一般分为三类：气象灾害、海洋灾害和地质灾害。气象灾害主要有干旱、暴雨洪涝、台风、热浪、寒流等。海洋灾害包括风暴潮、海浪、赤潮等。地质灾害主要指山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害。根据不同地域环境现场监测数据以及历史数据，分析实验区主要环境要素的时空分布状况，客观准确地分析与评价实验区环境特点和研究不同的灾害类型特点，制定不同的预警等级标准，确定合理的预警戒值。形成实验区环境变化趋势预警、多参数综合评价动态预报。建立快速的重大灾害预警发布渠道。准确无误地将预警信息及时发送到群众及政府各应急部门。3.2技术难点及创新点本课题中所采用的关键技术主要有三个方面：近实时的三维仿真动态模拟技术研究，基于高分辨率遥感数据、GIS多源数据与GNSS位置等3S信息集成方法研究，三维仿真动态模拟技术与3S技术相结合，实现对环境进行实时动态监测。通过本项目的研究，预期在如下方面取得突破和创新：（1）重大灾害监测新方法：综合利用遥感技术（RS）、地理信息系统技术（GIS）以及全球卫星导航系统技术（GNSS）数据，探索、突破3S技术数据融合与空间信息同化技术，创建重大灾害监测新方法，提高遥感监测精度和准确度，为应急管理决策提供科学依据；（2）基于高分辨率遥感数据、GIS多源数据与GNSS位置等3S信息集成新技术：充分发挥我国应用电子和通讯领域的技术优势，结合北斗系统工程，研究、突破基于基于高分辨率遥感数据、GIS多源数据与GNSS位置等3S信息集成新技术，如对多源卫星遥感数据的融合处理技术、灾情要素的目标识别与判读技术、灾害应急的快速制图技术、遥感数据处理业务化流程设计等技术的研究等；（3）三维仿真技术和实时的应急响应系统的结合。在应急减灾方面，三维仿真技术和实时的应急响应系统研究的结合刚刚起步。本课题拟完成三维仿真技术与3S技术集成，实现对灾害态势可视化的实时动态监测。4. 课题预期达到的目标、主要技术和经济指标，可获得的成果预期目标：（1）建立用于突发事件现场的三维可视化快速生成模型；（2）建立用于灾害应急为目的的多源海量数据库系统；（3）建立基于GIS的空间信息处理平台，对各类数据如地质、水文、气象、测量数据等进行整合、统计、分析、整理，按照规定级别层次实现不同类别GIS数据共享。主要技术：（1）建立基于3S集成的动态监测平台；（2）完成三维仿真技术与3S技术集成，实现对灾害态势的实时动态监测。预期成果：（1）3S动态监测与三维态势信息模拟关键技术研究报告（2）三维仿真技术与3S技术集成软件及3S技术数据库5. 课题拟采取的研究方法，课题技术路线及其可行性分析研究方法：（1）本课题拟从三维仿真技术与3S技术集成相结合的角度出发，对灾害和重大公共安全事件及其环境进行实时动态监测的研究与分析。（2）选定示范区，在示范区内对以往重大灾害数据进行统计分析，采用定性与定量综合集成方法，建立灾害行为时空模拟模型、灾情分析与评价模型。技术路线：（1）建立多时相、多尺度、多数据源遥感数据库系统，对应急管理遥感数据库数据快速实时更新方法进行研究，提出科学高效的数据结构模型和工作方式；（2）建立基于3S集成的动态监测平台，在遥感数据库的基础上结合GIS数据和GNSS实时的位置数据，对灾情进行动态跟踪