CN108170714A - 一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统 - Google Patents

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李磊
郝明
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Abstract

本发明涉及一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，包括支撑层、数据层、中间层、应用层和用户层，支撑层用于提供对应的技术支撑平台；数据层用于采集台风专题数据、基础地理数据、承灾体数据和灾害预案数据，并形成空间数据体系；中间层用于利用Skyline三维地理信息平台对所述空间数据体系进行处理，并为所述应用层提供基础框架；应用层用于在所述中间层提供的基础框架上，对空间数据体系处理后的结果进行三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布。本发明可以为省及各级防灾指挥部门提供准确实时的决策支持信息，为防灾、救灾指挥提供科学依据。

Description

一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统
技术领域
本发明涉及气象监测领域，具体涉及一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统。
背景技术
台风预报评估工作在国内外一直被广泛关注，由于台风具有随机性强、影响范围广、爆发能量巨大的特点，以往的研究主要集中于台风强度及路径预测方面。美国国家飓风中心、日本东京台风中心和中国中央气象台等多个机构一直对不同区域的热带气旋的预报情况进行统计分析、总结和改进。
目前大多都停留在对台风的预测阶段，如何对台风灾害的监测与评估还是一个难题，不能为防灾、救灾指挥提供科学依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，可以为省及各级防灾指挥部门提供准确实时的决策支持信息，为防灾、救灾指挥提供科学依据。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，包括支撑层、数据层、中间层、应用层和用户层，
所述支撑层，其用于为所述数据层、中间层、应用层和用户层提供对应的技术支撑平台；
所述数据层，其用于采集台风专题数据、基础地理数据、承灾体数据和灾害预案数据，并形成空间数据体系；
所述中间层，其用于利用Skyline三维地理信息平台对所述空间数据体系进行处理，并为所述应用层提供基础框架；
所述应用层，其用于在所述中间层提供的基础框架上，对空间数据体系处理后的结果进行三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布；
所述用户层，其用于向用户提供三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布的服务。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述支撑层中建设有政务内网、政务外网以及公众服务网，所述政务内网、政务外网以及公众服务网三者之间进行物理隔离；
所述支撑层包括地理信息系统平台、数据库平台、以及开发环境和管理工具，所述支撑层所采用的软件构成了所述地理信息系统平台运行的底层技术支撑环境。
进一步，在所述应用层中，通过三维GIS展示子系统来展示三维GIS，所述三维GIS展示子系统支持同步显示二维图形和三维场景，并将二维图形和三维场景整合在一起实现联动。
进一步，所述三维GIS展示子系统还提供以三维交互浏览操作的方式来浏览三维GIS，所述三维交互浏览的方式包括高度控制、指北操作、旋转操作、地下浏览、平视操作、俯视操作、全图浏览和翻转操作；
在三维交互浏览操作的过程中，三维GIS展示子系统还提供设定及编辑兴趣点的功能，并保存所述兴趣点，且通过所述兴趣点指示出目前所处的空间位置。
进一步，在所述三维场景中，通过空间查询方式或属性查询方法，或空间与属性查询相结合的方式对所述三维场景中的信息进行查询；其中，
空间查询包括点查询、拉框查询、圆查询、多边形查询、缓冲区查询、穿越查询、边界查询和实时信息查询；
所述属性查询包括名称查询和表达式查询。
进一步，所述三维GIS展示子系统在展示三维GIS时，还提供基本测量工具和基本分析工具；
所述基本测量工具用于进行三维场景的空间量算，包括水平距离测量工具、空间距离测量工具、垂直距离测量工具和面积测量工具；
所述基本分析工具用于动态生成等高线，包括日照分析工具、通视分析工具和视域分析工具。
进一步，在所述应用层中，根据气象数据构建网格点生成等值线与色斑图，并将等值线与色斑图叠加在虚拟地球上，来展示气象数据三维实景；
其中，气象数据三维实景展示包括气象数据场运动模拟、气象云图模拟、天气现象模拟和回波体三维空间显示。
进一步，在所述应用层中，台风监测预警的具体过程为，通过将台风的动态信息叠加到GIS地图上来实现台风路径可视化，并根据台风路径做出影响范围的台风预警分析；
其中，台风预警分析包括对台风路径的缓冲区分析、台风预报点位置登录误差受影响区域分析和预报台风点位受影响区域分析。
进一步，在所述应用层中，台风灾害预评估的具体过程为，建设台风灾害模型，并通过对台风灾害模型进行灾害风险评估配置、灾害风险评估算法配置、风险评估要素指标权重配置和要素管理生成台风灾害预评估报告。
进一步，在所述应用层中，评估结果可视化展示包括定性的综合可视化展示和定量的单项承灾体可视化展示。
本发明的有益效果是：本发明针对台风活动频繁、危害严重的特点，通过对历史台风致灾成因的分析研究，运用可拓理论建立针对交通、农业等不同承灾体的台风灾害评估的实时评估模型，基于大数据分析确定评估模型中的各类参数；根据灾害评估结果提出台风灾害临灾预案的原则和内容；在计算机和GIS技术支持下，将台风监测、预评估、危险性分区、临灾预案等技术与方法集成为一个有机的综合台风灾害监测与评估三维模拟系统；系统平台采用先进的计算机网络技术、数据库技术、地理信息系统和信息三维可视化技术，建立适用于多媒体的GIS和RS一体化管理、面向空间层次体系的数据结构以及便于不断更新发展的开放式系统结构，提供各类信息网络化的传输处理、存储、调用、查询、发布及管理；并可实时在线查看三维可视情况下台风影响路径、承灾体影响情况、淹没情况、风险评估结果等，为省及各级防灾指挥部门提供准确实时的决策支持信息，为防灾、救灾指挥提供科学依据。
附图说明
图1为本发明一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，包括由底层到顶层依次层叠的支撑层、数据层、中间层、应用层和用户层，
所述支撑层，其用于为所述数据层、中间层、应用层和用户层提供对应的技术支撑平台；
所述数据层，其用于采集台风专题数据、基础地理数据、承灾体数据和灾害预案数据，并形成空间数据体系；
所述中间层，其用于利用Skyline三维地理信息平台对所述空间数据体系进行处理，并为所述应用层提供基础框架；
所述应用层，其用于在所述中间层提供的基础框架上，对空间数据体系处理后的结果进行三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布；
所述用户层，其用于向用户提供三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布的服务。
具体的：
所述支撑层中建设有政务内网、政务外网以及公众服务网，所述政务内网、政务外网以及公众服务网三者之间进行物理隔离；所述支撑层包括地理信息系统平台、数据库平台、以及开发环境和管理工具，所述支撑层所采用的软件构成了所述地理信息系统运行的底层技术支撑环境。即：支撑层包括计算机网络和软件支撑平台。计算机网络平台包括政务内网、政务外网以及公众服务网(Internet)部分，三者之间进行物理隔离。其中底层支撑层是整个系统所依赖的GIS平台、三维(Skyline)平台和涉及到的其他相关技术平台。包括地理信息系统(GIS)平台、数据库平台、各类开发环境和管理工具等，支撑层所采用的基础软件产品构成了地理信息系统平台运行的底层技术支撑环境。
Skyline是实现整个中间层的基础和框架。除提供方便的开发模式外，还提供基本的业务分析、空间数据处理和应用功能，可以大大提高应用系统的开发效率。综合了多种关键技术部件，包括基础GIS功能、专题图生成技术、空间数据管理、元数据管理、日志管理、权限认证等。中间层的应用系统是在合理的软件框架下根据应用需要对Skyline类组件进行选取、编排和组合构建而成。中间层的组件秉承组件内紧耦合、组件间松耦合的基本原则，使得组件之间的相互依赖尽可能降到最低限度，从而保证整合系统具有良好的灵活性、伸缩性和可扩展性。中间层包括数据库管理子系统、共享服务子系统、资源展示系统、运维管理子系统和门户网站等组成。用户和中间层平台构建人员可据此快速搭建属于自己的地理信息服务平台。
应用层主要为实现台风监测、预评估、危险性分区、临灾预案等功能应用。包括三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示、临灾预案发布6个子系统。
用户层为对台风灾害监测与评估三维模拟系统实际应用的各业务部门、单位中的用户角色，包括业务管理人员、领导决策人员、普通大众等。
下面重点以数据层和应用层的建设对本发明进行解释说明；且本具体实施例以海南省为例。
数据层的建设
在所述数据层中，台风专题数据包括实时气象数据和历史台风数据。
实时气象数据主要来源于全国综合气象信息共享平台(CIMISS)接口调用、省气象台的预报产品、气科所的快速同化产品、省级网络中心相关数据库、省级气象台的预报决策产品等。气象数据主要来源于气象局内部，为了保证气象数据的安全性和保密性，数据交换均在内网进行，不通过互联网。
表1为以海南省为例的实时气象数据。
表1
历史台风数据包括台风灾情数据和台风路径数据；台风灾情数据包括台风编、登录时间、地点、影响地区、农作物受灾情况及死亡、安置人口、倒塌房屋数、直接经济损失等，以此来构建不同强度等级台风的损失标准；台风路径数据包括台风编号、名称、台风中心每隔6h的位置和台风强度信息，用了计算不同强度台风灾害的发生可能性。
表2为基础地理数据的数据目录。
表2
表3为承灾体数据的数据目录。
表3
灾害预案数据包括重点隐患区域及防护对象、风前防御、风中响应和风后救灾三部分，根据灾害评估结果指导抢险救灾决策。
重点隐患区域及防护对象包括各类水上船只及设施、水上养殖等作业人员、水库、堤防等水利设施、水库下游人员等。
省级台风灾害危险性分区历史数据：海南省是我国台风影响最频繁、台风灾害较为严重的省份，一般每年影响海南的台风约8～9次，风力一般在7～12级以上，且海南的台风多发季节大多是每年的8～10月份，正是海南岛农产品收获的季节，这样给省级经济带来严重的影响。通过对海南省近61年的台风数据进行整理和分析，构建台风灾害风险性评价指标体系，并利用GIS技术进行台风灾害空间分布和台风致灾因子危险性评价研究，绘制海南岛台风灾害致灾因子危险性区划图。
应用层的建设
应用层包括三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布。
三维GIS展示
在所述应用层中，通过三维GIS展示子系统来展示三维GIS。
三维GIS展示子系统还提供以三维交互浏览操作的方式来浏览三维GIS，三维GIS展示子系统提供易用的三维虚拟显示应用工具，三维GIS系统提供的操作功能包括场景浏览、场景切换、指北针、图层控制等。三维GIS展示子系统可以通过鼠标、键盘、操纵杆、控制面板或者任意组合方式来控制飞行的速度、高度视角，使得用户可以灵活、便捷的在三维场景中浏览漫游，操作简单，易于使用。所述三维交互浏览的方式包括高度控制、指北操作、旋转操作、地下浏览、平视操作、俯视操作、全图浏览和翻转操作。
在浏览三维GIS时，具体可以进行如下操作：地图缩放：通过鼠标滚轮滚动方式或者工具条来实现自由缩放三维地球，可以从不同的高度来浏览窗口，并且可以直接定位到房屋、街道、城市、国家、全球的高度；平移：通过鼠标的点按动作，根据鼠标移动的方向，实现对三维地球任意方向的平移；拖动：通过鼠标的点按动作，根据鼠标移动的方向，实现对三维地球任意方向的拖拽；旋转：通过点击旋转按钮，让用户以屏幕中心点为中心，做三百六十度环绕飞行，可从不同的角度查看目标，以便更加全面的查看对象属性；指北：当三维地球处于任何倾斜状态时，指北功能能够实现对影像地球的水平及垂直方向的回正；居中：通过鼠标双击三维地球上的某一兴趣点，向该兴趣点移近，并使该兴趣点自动在三维窗口居中显示。
在浏览三维GIS时，还可以实现我的收藏和快速定位导航：系统用户可以设定及编辑兴趣点，保存在数据库中，下次登陆时仍然可以访问到，同时，用户可以加载已保存在服务器上的标绘信息，可指示目前所处的城市空间的位置，可使你迅速到达想要到达的位置。
三维GIS展示子系统支持同步显示二维图形和三维场景，在三维场景中漫游时，二维图形实时指示用户的位置和行走方向；能随时切换二维图形和三维场景两种模式进行浏览。
将二、三维两种平台整合在一起，且使两者产生联动效果。充分发挥二维平台强大的空间分析能力和Skyline平台的三维展示效果。这样就等于给三维平台装上了强大的基础引擎，且使二维平台有了赖于依附的强大外壳。由于地理信息系统的数据量往往较庞大，因此在程序的设计中，最大程度的优化了数据的加载和处理能力，使用户在与二三维平台交互时达到可接受的流畅效果。
在浏览三维GIS时，还可以进行属性和空间信息查询：对于三维场景中的特定区域、指定对象(文字标注、建筑物等)，系统能够使用超链接技术，给其赋予属性信息。该信息可以是网页、应用程序或者多媒体数据集。
属性信息：通过点击触发事件，进行属性信息查询。系统可以链接网页类型的属性信息，该网页里可以包含文字说明、现场照片。
地名查询：输入查询的地物名称，系统通过模糊查询，在查询结果框中显示所有的查询结果，双击某地名，三维窗口居中显示该地区。
多媒体属性信息：多媒体信息是指包含声音、视频等信息文件。系统可以将多媒体信息作为属性数据接入系统，对兴趣地区进行更形象生动的说明。
依据查询的途径不同，可分为空间查询方式(图形查属性)、属性查询方式(属性查图形)以及空间查询与属性查询相结合方式。
空间查询方式
空间查询方式是指依据空间位置进行查询。包括：
点查询：点击某个综合应急相关地理空间信息查询其相应的信息。
拉框查询：用户在地图上用鼠标拉出一个矩形框，查询该矩形框内的所有综合应急相关地理空间信息相关的信息。
圆查询：用户利用系统提供的工具在地图上画圆，查询圆内的所有综合应急相关地理空间信息相关的信息。
多边形查询：用户利用系统提供的工具在地图上画任意多边形，查询该多边形内的所有综合应急相关地理空间信息相关的信息。
缓冲区查询：用户选择地图上特定的对象，输入缓冲大小创建缓冲区，查询缓冲区范围内综合应急相关地理空间信息相关的信息。
属性查询方式
属性查询方式是指直接依据综合应急相关地理空间信息的属性信息进行查询，包括：
名称查询：提供对话框，输入某公路、航道等名称，查询出系统中相关的图形、属性信息。可进行模糊查询(近似相同)。
表达式查询：依据综合应急相关地理空间信息的某类属性或几类属性进行查询。分为单条件查询和多条件查询。单条件查询是依据综合应急相关地理空间信息的某类属性进行查询，如坐落位置在某个市内的公安局等。多要素查询是依据综合应急相关地理空间信息的几类信息进行查询，如坐落位置在某个市在什么时候建的公路。
空间查询与属性查询相结合方式
该查询方式是指用户先设置好一个属性查询条件，然后进行空间查询，系统将即满足属性查询条件又满足空间查询条件的对象列出。
基本测量工具
所述三维GIS展示子系统在展示三维GIS时，还提供基本测量工具，用于进行三维场景的空间量算；包括距离测量、高度测量和面积周长测量，可以获取一些常用的测量信息。
系统提供交互式的工具来进行三维场景的空间量算，包括真实坐标、方位、高度、空间距离、面积等；量算的单位是米。主要包括如下工具：水平距离测量工具、空间距离测量工具、垂直距离测量工具和面积测量工具。
水平距离测量：可自由测量任意折线段路径距离，并显示出结果，如：三维窗口中两点间和多点之间的距离；
空间距离测量：可以对三维场景中空间任意点之间的距离进行计算，并显示出结果；空间测距的结果既包括两点之间的绝对距离，也包括两点在x、y、z三个方向的相对距离。
垂直距离测量：可以对三维场景中任意一点到指定高度的垂直距离进行计算，并显示出结果；
面积测量：可以对三维场景中任意一个闭合的面进行计算，并显示出面积值。
基本分析工具
所述三维GIS展示子系统在展示三维GIS时，还提供基本分析工具，用于动态生成等高线；在三维场景中，勾画一个平面，该平面下的地形通过颜色渲染表现出不同的高程，或者只标绘出指定等高距的等高线。
其中基本分析包括：
日照分析
系统提供了一个新的阴影机制，可以为整个场景显示阴影效果(包括地形、所有三维模型、对象以及建筑物)，支持实时效果，并且能够控制阴影的颜色和不透明度，支持为选中对象显示阴影。
通视分析
能对三维场景中两点之间的可见性进行通视效果演示，并以不同颜色的线来表示通视性。绿色为可见，红色为不可见。通视分析也就是选定特定地点作为视点位置，分析视线所能到达的范围，这一功能可以用于分析某一个或某几个建筑物是否会遮挡其他建筑物。
视域分析
分析观察点对可见区域地形及3D模型和对象的图形表示。并且支持动态视域分析。
气象数据三维实景展示
气象数据运行数据载入：系统能够把气象数据导入平台，通过构建网格点生成等值线与色斑图，叠加在虚拟地球上。计算展示气象数据效果、以不同的颜色进行区分，来展示气象数据三维实景。
气象数据三维实景展示包括气象数据场运动模拟、气象云图模拟、天气现象模拟和回波体三维空间显示。
气象数据场运动的模拟：平台能够实现和专业气象数字模型整合、对空间数据进行插值处理；首先是对原始离散数据网格化，然后对数据进行的插值处理，得到插值结果，为后续的可视化工作奠定了基础；气象数据的三维显示，利用插值得到的动态数据，用箭头符号等方式，形象生动地展示大气流场的运动。
气象云图模拟：可在虚拟地球上叠加气象云图，可已以动画的方式播放气象云图的变化。
天气现象模拟：通过对天气现象进行分类，通过气象报文数据解析分类，通过模型各种天气现象，进行解析组合分类，来近似表达天气的实况，提供一种天气现象的仿真的途径。为非气象专业人员，提供解析与理解专业气象数据的可视化途径。
回波体三维空间显示：实现周边雷达的拼图显示。使用雷达回波立体结构分析算法，实现雷达回波三维显示，展示回波空间结构和剖面显示。
台风监测预警
台风监测预警的具体过程为，通过将台风的动态信息叠加到GIS地图上来实现台风路径可视化，并根据台风路径做出影响范围的台风预警分析；其中，台风预警分析包括对台风路径的缓冲区分析、台风预报点位置登录误差受影响区域分析和预报台风点位受影响区域分析。
台风路径可视化：显示台风动态信息，内容包括中心位置、中心气压、近中心最大风力、10级风区半径、7级风区半径及预报信息。台风信息叠加到GIS地图上。
台风预警分析：根据台风的实时移动路径或者预报路径作出相应的可能影响的范围(台风预警区)，以便给防汛等决策部门提供必要的信息，及时部署区域和沿海鱼排养殖人员撤离。
台风路径的缓冲区分析：对于单台风路径,根据台风路径范围、台风两侧距离以及所需分析的受影响区域,即可在该台风路径两侧一定距离内做出受影响区域的范围。
台风预报点位置登录误差受影响区域分析：台风预报点位与实际点位之间存在误差,若以误差范围为半径做圆,那么该区域内的范围就是该预报点位可能的登陆区域,据此可以做出台风预报点位可能影响的区域范围。
预报台风点位受影响区域分析：由任一台风点位,根据影响范围半径并选择受影响区域,就可以该台风点位为中心,影响范围为半径,得到受影响区域。
台风灾害预评估
台风灾害预评估的具体过程为，建设台风灾害模型，并通过对台风灾害模型进行灾害风险评估配置、灾害风险评估算法配置、风险评估要素指标权重配置和要素管理生成台风灾害预评估报告。
模型配置：对台风灾害进行模型建设，可扩充的专业影响评估模型接入，进行模型配置；以降雨量风险预报评估为例，灾害风险模型管理：提供本系统涵盖灾害风险模型的信息总览，包括该模型的简介、注意事项等；灾害风险评估配置：根据不同灾害，可以对选定区域的GIS信息资料、基础监测采集数据、社会经济数据及灾情数据的配置；灾害风险评估算法配置：根据不同灾害，对灾害孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体易损性、防灾减灾能力的算法公式配置，建立风险评估模型。风险评估要素指标权重配置：确认孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体损性、防灾减灾能力，并选择四者相应的指标，确定各指标的权重。
要素管理：针对模型所需各类数据等要素进行管理。实现模型所需要素的增减，参数的设置。其中要素管理包括，孕灾环境敏感要素管理：提供对气候特征、水文信息、重点区域的地形地貌、植被等数据的录入、查询和管理功能。致灾因子要素管理：提供对自然灾害类型、强度、频率、灾变等级气候特征的录入、查询和管理功能；承灾体要素管理：提供对人口密度、经济密度等信息的录入、查询和管理功能；防灾减灾要素管理：提供对财政收入、防御设施建设信息的录入、查询和管理功能。
报告生成：通过模型分析进行风险评估，将风险结果以文字、图片、表格的形式进行输出，为突发事件提供辅助决策依据。报告提供自然灾害在风险区划内生成灾害发生的可能性，结合预案与历史典型天气案例，提供防灾减灾措施的参考建议。评估建议的内容包括灾害发生的可能性，受灾影响范围，人口、社会与经济损失估算。
台风灾害预评估有两种评估模式，分别为前端请求评估合格后台自动评估。
前端请求评估：通过前端操作页面，向风险评估服务接口发送评估请求；其中，风险评估服务接口处理评估请求的过程为，1.风险评估接口调用风险评估服务，获取所需的观测数据、预报数据和基础数据，代入评估模式进行风险评估，获得评估结果；2.风险评估服务根据评估结果生成评估报告文档；3.风险评估服务将评估结果提交给数据共享系统，供其他系统及相关应急联动部门参考；4.风险评估服务通过接口向前端返回评估结果(数值)及评估报表，由前端呈现呈现。
后台自动评估的过程为，1.后台定时任务根据配置，定时启动自然灾害的风险评估；2.风险评估服务完成评估后，后台定时任务对评估结果进行监测，如果超过设定的风险阈值，则通过消息推送程序，向前端监控页面推送风险消息；3.前端监控页面呈现风险消息，提醒用户关注风险。
评估模型接入：综合几种常见的灾害影响评估的产品规格(点、线、面的灾害影响评估数据)，开发基于通用格式的专业影响评估模型接入模块，如风暴潮漫滩模型、污染扩散模型、城乡积涝模型等。并为以后类似模块的接入提供可扩充性。
评估结果可视化展示：
评估结果可视化展示包括定性的综合可视化展示和定量的单项承灾体可视化展示。
评估结果综合展示：平台根据相关阈值自动判断暴雨灾情，如果有灾情发生，平台以醒目的方式显示发生灾情的具体地理位置、受灾面积，受灾人口。自动在地图上相关的天气、水文、视频监控、农林牧渔、灾害安置点等信息；右侧上方为简要的统计信息，包含受影响区域面积、受影响人口数量一些统计信息，点击蓝色文字可在地图上进行高亮显示；右侧下方为不同叠加要素的简要统计信息。
在评估结果综合展示的过程中包括全空间三维高性能可视化表达、多源海量空间数据一体化建库与管理、三维空间数据共享与服务发布和优秀的交互设计与绝佳的操控体验。
全空间三维高性能可视化表达：海量影像、地形、矢量、地名、地图、三维模型等空间数据的高性能三维可视化浏览。具备地表、地下、天空、太空、室内、室外在内的全空间三维可视化能力。同时包含二维和三维的功能，实现二三维一体化浏览和互操作。
支持发布各类型(影像、矢量、地形晕渲)瓦片服务、三维地形服务、三维模型服务、地名地址服务、元数据服务、资源目录服务等数据服务，以及空间查询服务、空间分析服务等功能服务，支持发布OGC标准的WMS/WMTS/WFS服务，并具备方便快捷的服务配置和管理能力。
多源海量空间数据一体化建库与管理：多源异构海量DEM、DSM、影像、矢量、地图和三维实体等三维空间数据的高效整合建库与动态集成，并支持海量数据的集群建库处理。支持各种通用影像、地形、矢量、注记、三维模型的数据格式。三维数据集支持MongoDB、Berkery DB、Oracle GeoRaster等多种存储方式。支持对原始数据和三维数据集的入库、更新、提取、查询、统计、组织、浏览及安全和备份等数据管理能力。
全球海量、多源、多时态、多尺度的影像、地形、矢量、地名、地图、三维模型等各类空间数据的高性能三维可视化和二三维一体化展示。同时，支持文档、表格、图片和视频等关联性多媒体信息的交互展示，以及各类通用三维空间分析和仿真模拟应用。
实现PB级三维数据集基于MongoDB非关系型数据库的分布式存储，具备对原始数据和三维数据集的入库、更新、提取、查询、统计、组织、浏览及安全和备份等数据管理能力。
三维空间数据共享与服务发布：支持发布各类型(影像、矢量、地形晕渲)瓦片数据服务、三维地形服务、三维模型服务、三维地名服务、地名地址服务、元数据服务和资源目录服务。支持发布符合OGC标准的WMS/WMTS/WFS服务。支持发布空间查询服务、空间分析、全文检索服务、地理处理服务。支持服务的配置与管理，支持对服务运行状态和软硬件运行状态进行监控。服务引擎具备高性能、高并发、高可靠性、分布集群、跨平台部署等特性。
多源异构三维空间数据的高效建库处理，并支持海量数据的集群式处理。实现多种格式DEM、DSM、影像、矢量、地图、三维实体数据的自动整合建库与动态集成。
优秀的交互设计与绝佳的操控体验：系统交互设计简洁优雅，界面效果轻快流畅，让用户获得极佳的沉浸式人机交互体验。支持操作系统和交互设备级的多点触控技术，支持基于主动偏振光设备的真三维立体显示。
在评估结果综合展示的过程中，需要进行要素叠加的处理；其中要素叠加包括气象要素叠加、水文信息叠加、农林牧渔信息叠加和物资信息叠加。
气象要素叠加：当前有灾情时，进入平台会展示与暴雨相关的要素；用户也可根据自己偏好，对当前要素进行选择，自由组合。右侧以表格的形式，对当前展示的监测站数据进行统计(最高值或者最低值)，选择列表中的监测站时，地图相应的高亮显示。其中气象要素叠加又包括气压数据叠加、风场数据叠加和气象数据叠加，而气象数据主要包括观测要素数据、雷达资料数据和卫星资料数据。
观测要素数据：能够实现调阅所有气象站的逐时天气实况，WEBGIS地图上展示多要素显示或单要素观测数据(要素可选)，可显隐站点信息(站号、站名)，同时提供列表数据，可进行查询和统计；同时可针对雨量、温度、风力、气压等形成相应的色斑图。
雷达资料数据：显示最新的雷达回波并叠加到Gis地图，可实现对雷达回波图的放大、缩小功能，并且能过滤指定强度雷达回波；可以按时间段查询历史数据，用户还可动画演示雷达图变化过程；达到阈值(可设置)时进行报警，主要以声音形式为主。
卫星资料数据：显示最新的卫星云图并叠加到Gis地图，可实现对卫星云图的放大、缩小功能；可以按时间段查询历史数据，用户还可动画演示雷达图变化过程；
水文信息叠加：水文信息叠加以站点叠加为主。提供水文的当前水位、正常水位、警戒水位、危险水位、坝底高度、坝顶高度等相关菜单项，用户点击后，将数据在地图界面叠加；系统自动把实际水位与阈值相对比，如果当前展示值超过阈值，该站点会进行闪烁提醒。右侧以表格的形式，分别以淡色蓝、黄、橙、红对应不同警戒水位，对水文数据进行列表和简单的统计。对水文站点进行查询，查看历史数据，需要切换至水文实况模块。
农林牧渔信息叠加：将农业、林区、畜牧、渔业及更详细的分类作为菜单，勾选后，能将与之对应的数据叠加至GIS地图界面，鼠标点击加载地图上加载上的要素，显示相关数据(如作物类型、种植区域、联系方式)。对农林牧渔更详细查询和统计需要切换至农林牧渔模块。
物资信息叠加：将救灾物质按类别(草包、铁锹、安置人员…)组织成左侧菜单，点击菜单，在GIS地图上叠加一层数据，按数量大小绘制特定大小的圆圈，形象展示数据的量级对比关系。
单项承灾体可视化展示
通过评估结果综合展示模块可以看到，如果有灾情发生，平台以醒目的方式显示发生灾情的具体地理位置、受灾面积，受灾人口。自动在地图上相关的天气、水文、视频监控、农林牧渔、灾害安置点等信息；右侧上方为简要的统计信息，包含受影响区域面积、受影响人口数量一些统计信息。
单项承灾体可视化展示包括：农业受灾评估结果展示、人口受灾评估结果展示和交通及基础设施受灾评估结果展示。
农业受灾评估结果展示：农业是一个露天生产和高风险性的产业，海南省又是台风频发省份，因此海南省的农业生产遭受台风灾害的损失较大。每次台风登陆都会造成大面积农田受淹和粮食减产，对农业生产和发展造成一定程度的影响。台风不仅会直接毁坏农作物，影响作物的生长发育及抗逆能力，而且台风造成的田间小环境还非常适宜病虫害的流行蔓延，特别是水稻细菌性病害和纹枯病的发生。由台风带来的狂风暴雨使作物折枝伤根叶片受损，同时带来的降水使作物表面长期维持高湿度状态，所以既有利于病菌传播，又有利于病菌侵入，极易造成病害的暴发成灾，同时由于台风的作用，加剧了迁飞性、流行性植物疫病和虫害的流行与传播。
台风对农业生产的破坏主要源自于与之相伴的大风、暴雨以及风暴潮等，因此针对台风开展风险评估的常见单一风险指标基本围绕大风、暴雨以及风暴潮三要素予以设计。就大风而言，一般使用研究区域内气旋底层的中心最大风力或者是中心气压来衡量；就暴雨而言，一般使用研究区域内24小时(晚8点至次日晚8点)的降水量来衡量；就风暴潮而言，一般使用超过警戒水位的程度来衡量，但风暴潮对农作物生产的影响程度较低。倘若研究区域内出现气旋底层中心最大风力达到或超过每米51米，24小时降水量超过250毫米，表明该区域农作物此时面临台风高风险隐患，即将出现巨灾损失。
基于风险因子的农业风险评估理论和方法是从农业自然灾害致灾因子危险性、农作物(承灾体)易损性以及农业防灾减灾能力等不同角度，构建研究区域内农业自然灾害风险的评价指标体系，进而利用统计模型赋予指标权重后计算研究区域内农业自然灾害风险的风险等级，从而实现对农业遭遇台风风险的有效评估。目前，基于风险因子的农业巨灾风险评估可以划分为单一风险指标评估和综合风险指标评估两类方法和模型。
本系统平台通过前置成熟的台风对农业风险评估模型，结合已有的农业数据(如海南省土地利用现状数据、海南省农业经济作物分布数据等)，通过对台风的路径、缓冲区域及相关的致灾因子，能对海南省台风引起的农业灾害进行有效评估，并能够直观的生成评估效果图和对应的表格数据，为决策部门提供依据，争取将农业损失风险降到最低。
人口受灾评估结果展示：据不完全统计，自1949年有气象记录以来，有四次超强台风对海南影响较大，其中2013年的“海燕”在横扫菲律宾后，擦过海南岛西南部沿海进入北部湾海面，最终登陆越南，但仍对海南造成重大的人员伤亡及经济损失，当时共有204.48万人受灾，12人死亡，2人失踪，直接经济损失达49.33亿元。2014年7月台风“威马逊”在文昌登陆，中心最大风力60米/秒(17级)，当时海口、三亚两市8个区和16个省直辖县210.7万人受灾，13人死亡，6人失踪，直接经济损失68.20亿元，可见台风的影响将会对登陆地区人口及经济影响造成巨大的损失。
灾害因子分析：台风对人口的影响主要体现在直接人员伤亡以及台风引发的此生灾害。1.台风对人口的影响主要源自于与之相伴的大风、暴雨以及风暴潮，可能导致的潮水漫溢、海堤溃决、建筑毁损等,造成直接的人员伤亡和财产损失。2.源于台风引发的次生灾害，包括病虫害与疾病造成的人口变动。病虫害：台风会带来水灾，水灾后常发生传染病，如痢疾、霍乱。疾病：热带气旋过后所带来的积水，以及下水道所受到的破坏，可能会引起流行病。
人口分布：2014年末，省级常住人口总量达到903.48万人，随着全省城镇建设规模的不断扩大和城镇经济快速增长，推动了农村剩余劳动力向城镇非农产业的转移，推进了全省城镇化进程。东部地区的海口三亚两市的常住人口总量占全省比重达32.57％。
台风对东部地区及海口三亚人口影响范围广，密度大。
评估结果展示：人口数据通常是以行政单元为统计单位的，数据表达了统计单元之间的差异，但并没有给出统计单元内部的差异。为了进行准确的受台风影响人口统计，需要对人口统计数据进行空间分析。通常采用居民地法对人口统计数据进行空间分析，即认为人口是离散地分布在该行政区域的居民地范围内，每块居民地上又是均匀分布的变量，采用人口密度,ijd来表征。如各行政单元受淹居民地面积用,ijA来表示，则受灾人口可如式计算。
式中，Pg，受灾人口；Aij，第i行政单元第j块居民地受淹面积；dij第i行政单元第j块居民地的人口密度。某个行政单元的居民地受淹面积通过行政区界、居民地图层以及暴雨积水模拟结果图层叠加统计得到。结合人口密度，对各行政单元受不同淹没水深影响及暴风灾害的受灾人口进行统计。
系统平台通过前置成熟的台风对人口影响评估模型，结合已有的行政人口数据，通过对台风的路径、缓冲区域及相关的致灾因子，能对省级台风引起的人口受灾情况进行有效评估，并能够直观的生成评估效果图和对应的表格数据，为决策部门提供依据，争取将台风对人口的影响风险降到最低。
交通及基础设施受灾评估结果展示：在台风天气下发生的事故不仅会给社会及家庭带来巨大损失，导致不良的社会影响，也会给交通管理部门带来前所未有的压力与挑战；台风天气中对公路行车产生最主要的影响因素是台风所带来的降雨和大风，因此研究分析雨和风在汽车行驶过程中的影响对公路防灾减灾具有重要意义。
影响因子分析：在台风天气的影响下，公路交通流速度会明显下降，路面附着系数减小，机动车的制动稳定性和转向稳定性都将变差，车辆容易打滑、跑偏，制动距离也会随之延长，加之驾驶员的情绪、视线受到很大影响，交通事故发生的概率增大，对交通出行安全造成较大的不良影响。明确台风天气对高速公路行车安全产生主要影响的气象因子。
在明确了台风天气对交通路况的气象影响因子后，进一步分析其主要影响因子对交通的影响可归结为主要对公路路况、交通流和运营状况三个方面的影响：首先，对公路路况的影响，主要表现在路面状况、基础设施毁损和道路沿线行车环境等；第二，对交通流的影响，主要体现在交通事故数及通行能力、车速、延误等交通流描述参数；第三，对运营状况的影响，主要表现在交通控制、养护作业、紧急事件管理等方面。
影响范围：台风是一个巨大的能量库，其风速都在17米/秒以上，甚至在60米/秒以上。据测，当风力达到12级时,垂直于风向平面上每平方米风压可达230公斤，会产生强风，破坏房屋、吹毁电讯及电力线路、通讯等基础设施。
评估结果展示：基于风险因子的交通风险评估理论和方法是从交通灾害致灾因子危险性、道桥、广告牌等(承灾体)易损性以及交通防灾减灾能力等不同角度，构建研究区域内交通灾害风险的评价指标体系，进而利用统计模型赋予指标权重后计算研究区域内交通灾害风险的风险等级，从而实现对交通遭遇台风风险的有效评估。目前，基于风险因子的交通巨灾风险评估可以划分为单一风险指标评估和综合风险指标评估两类方法和模型。
本系统平台通过前置成熟的台风对交通风险评估模型，结合已有的交通数据(如省级交通规划布局等)，通过对台风的路径、缓冲区域及相关的致灾因子，能对省级台风引起的交通灾害进行有效评估，并能够直观的生成评估效果图和对应的表格数据，为决策部门提供依据，争取将交通损失风险降到最低。
临灾预案发布
临灾预案实现对台风灾害的应急预案管理、协同推演指挥、信息发布反馈、部门联动共享和现场应急服务功能。
本发明针对台风活动频繁、危害严重的特点，通过对历史台风致灾成因的分析研究，运用可拓理论建立针对交通、农业等不同承灾体的台风灾害评估的实时评估模型，基于大数据分析确定评估模型中的各类参数；根据灾害评估结果提出台风灾害临灾预案的原则和内容；在计算机和GIS技术支持下，将台风监测、预评估、危险性分区、临灾预案等技术与方法集成为一个有机的综合台风灾害监测与评估三维模拟系统；系统平台采用先进的计算机网络技术、数据库技术、地理信息系统和信息三维可视化技术，建立适用于多媒体的GIS和RS一体化管理、面向空间层次体系的数据结构以及便于不断更新发展的开放式系统结构，提供各类信息网络化的传输处理、存储、调用、查询、发布及管理；并可实时在线查看三维可视情况下台风影响路径、承灾体影响情况、淹没情况、风险评估结果等，为省及各级防灾指挥部门提供准确实时的决策支持信息，为防灾、救灾指挥提供科学依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：包括支撑层、数据层、中间层、应用层和用户层，
所述支撑层，其用于为所述数据层、中间层、应用层和用户层提供对应的技术支撑平台；
所述数据层，其用于采集台风专题数据、基础地理数据、承灾体数据和灾害预案数据，并形成空间数据体系；
所述中间层，其用于利用Skyline三维地理信息平台对所述空间数据体系进行处理，并为所述应用层提供基础框架；
所述应用层，其用于在所述中间层提供的基础框架上，对空间数据体系处理后的结果进行三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布；
所述用户层，其用于向用户提供三维GIS展示、气象数据三维实景展示、台风监测预警、台风灾害评估、评估结果可视化展示和临灾预案发布的服务。
2.根据权利要求1所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：所述支撑层中建设有政务内网、政务外网以及公众服务网，所述政务内网、政务外网以及公众服务网三者之间进行物理隔离；
所述支撑层包括地理信息系统平台、数据库平台、以及开发环境和管理工具，所述支撑层所采用的软件构成了所述地理信息系统平台运行的底层技术支撑环境。
3.根据权利要求1或2所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：在所述应用层中，通过三维GIS展示子系统来展示三维GIS，所述三维GIS展示子系统支持同步显示二维图形和三维场景，并将二维图形和三维场景整合在一起实现联动。
4.根据权利要求3所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：所述三维GIS展示子系统还提供以三维交互浏览操作的方式来浏览三维GIS，所述三维交互浏览的方式包括高度控制、指北操作、旋转操作、地下浏览、平视操作、俯视操作、全图浏览和翻转操作；
在三维交互浏览操作的过程中，三维GIS展示子系统还提供设定及编辑兴趣点的功能，并保存所述兴趣点，且通过所述兴趣点指示出目前所处的空间位置。
5.根据权利要求4所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：在所述三维场景中，通过空间查询方式或属性查询方法，或空间与属性查询相结合的方式对所述三维场景中的信息进行查询；其中，
空间查询包括点查询、拉框查询、圆查询、多边形查询、缓冲区查询、穿越查询、边界查询和实时信息查询；
所述属性查询包括名称查询和表达式查询。
6.根据权利要求4所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：所述三维GIS展示子系统在展示三维GIS时，还提供基本测量工具和基本分析工具；
所述基本测量工具用于进行三维场景的空间量算，包括水平距离测量工具、空间距离测量工具、垂直距离测量工具和面积测量工具；
所述基本分析工具用于动态生成等高线，包括日照分析工具、通视分析工具和视域分析工具。
7.根据权利要求1或2所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：在所述应用层中，根据气象数据构建网格点生成等值线与色斑图，并将等值线与色斑图叠加在虚拟地球上，来展示气象数据三维实景；
其中，气象数据三维实景展示包括气象数据场运动模拟、气象云图模拟、天气现象模拟和回波体三维空间显示。
8.根据权利要求1或2所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：在所述应用层中，台风监测预警的具体过程为，通过将台风的动态信息叠加到GIS地图上来实现台风路径可视化，并根据台风路径做出影响范围的台风预警分析；
其中，台风预警分析包括对台风路径的缓冲区分析、台风预报点位置登录误差受影响区域分析和预报台风点位受影响区域分析。
9.根据权利要求1或2所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：在所述应用层中，台风灾害预评估的具体过程为，建设台风灾害模型，并通过对台风灾害模型进行灾害风险评估配置、灾害风险评估算法配置、风险评估要素指标权重配置和要素管理生成台风灾害预评估报告。
10.根据权利要求1或2所述的一种台风灾害监测与评估的三维模拟系统，其特征在于：在所述应用层中，评估结果可视化展示包括定性的综合可视化展示和定量的单项承灾体可视化展示。
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