第 1 章 緒論

1.1 研究背景及意義
近年來，自然災害及突發(fā)事件頻發(fā)，且有逐年上升的趨勢，諸如 2007 年秘魯大地震、2008 年緬甸的強熱帶風暴和颶風漢娜、2010 年在海底和智利先后發(fā)生的大地震，2011 年日本大地震和核泄漏事件、2012 年颶風“桑迪”肆虐和印尼 7.2級大地震、以及 2013 年超級臺風“海燕”重創(chuàng)菲律賓等。在國內，由于我國有廣闊的疆域，時常會發(fā)生自然災害，尤其是地震災害的發(fā)生更為頻繁，這是由于我國處于世界兩大地震帶中（環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯部位），我國是發(fā)生地震災害最多、最嚴重的國家之一。如 2008 年 5·12 汶川地震、2010 年青海玉樹地震、2013 年蘆山 7.0 級地震等。因此，在目前經(jīng)濟全球化和“中國夢”的背景下，如何加強政府應對各類突發(fā)災害的能力，如何提高救援人員、人民群眾應對突發(fā)災害的能力，己成為一項緊迫而重大的任務。當災害發(fā)生后，道路交通是保障救援的最重要形式，但它比較顯著的脆弱性，造成道路交通通行能力下降，與其相反的是，交通需求量激增，在這種情況下，很容易造成交通癱瘓，給搶險救援造成影響，使其無法進行，以致于災情的進一步惡化而在展開應急救援的每一個環(huán)節(jié)，均需要選取合理的、可靠的、安全的應急救援路徑，，能夠有效節(jié)省應急救援時間，提高應急救援效率。在應急救援路徑規(guī)劃的研究中，大部分都是常態(tài)下的應急救援路徑選擇方法，或著是對應急救援路徑規(guī)劃通過系統(tǒng)建模，并通過相應的模擬驗證，但沒有實際進行應用。在交通應急調度系統(tǒng)設計與開發(fā)中，并沒有大眾化的使用。在突發(fā)災害下，道路交通網(wǎng)絡發(fā)生了很大的變化，常態(tài)下的方法不適合突發(fā)災害下的情況，而且道路交通的參與者眾多，如果有大眾化的、可靠的交通生命線應急調度決策支持系統(tǒng)，就能使救援效率大大提高。自然災害類型較多，本文僅對地震災害展開研究。
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1.2 國內外研究現(xiàn)狀
在路網(wǎng)建模領域內，國內外研究人員已經(jīng)取得豐碩的研究成果[1-5]，道路在空間結構上呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結構，使用點、線和面來表達模擬路網(wǎng)上的各種對象，很容易想到利用圖論來解決道路網(wǎng)絡建模問題[6-8]。在圖論模型中，最簡單就是用無向圖來表示道路交通網(wǎng)，其中路口用圖論上的點表示，路段用圖論中的弧段來表達，連通矩陣表達路口中的連通限制。無向圖中不能表達道路的行使方向等交通信息，為此利用有向圖來解決這類問題，節(jié)點之間采用兩條弧段表示[9]。隨著城市化進程加快，傳統(tǒng)道路交通網(wǎng)模型已經(jīng)不能滿足實際道路交通的需求，2005 年 Feng J 等人利用一個復雜的節(jié)點表達道路叉口的轉彎限制，解決交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)的冗余問題[10]。2008 年 Zhu Q 等人提出一種三維道路交通網(wǎng)絡模型，突破了傳統(tǒng)二維道路交通網(wǎng)絡模型的局限性[11]。2009 年李金名等人在研究第三方物流配送的問題中，建立道路交通網(wǎng)影響因子的路網(wǎng)模型，該模型對物流配送提供了有效的數(shù)據(jù)支持，降低了數(shù)據(jù)搜索冗余[12]。2010 年 Demir E 等人構建了聚類超圖模型，減少道路交通網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲量，提高了道路交通網(wǎng)的搜索效率[13]。
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第 2 章 系統(tǒng)相關技術介紹

當今有很多相關 GIS 產(chǎn)品可供二次開發(fā)，如 ESRI 公司出的 ArcGIS Engine 和ArcGIS Server、超圖公司的 SuperMap Objects 和 SuperMap iServer、開源 GIS 平臺等。開源 GIS 對用戶公開其規(guī)范及源代碼，具有互操作性強、可擴展性、可移植性強等特點，適合大眾化的交通生命線震后應急調度系統(tǒng)，因此系統(tǒng)選用了以開源GIS 為基礎，以 WebGIS 作為交通生命線震后應急調度決策支持系統(tǒng)開發(fā)的模式，再利用 ASP.NET 和 C#進行算法和模型的實現(xiàn)。因此系統(tǒng)所涉及到的相關技術有OpenGIS 規(guī)范 、 GeoServer 平 臺 、 PostgreSQL/PostGIS 數(shù)據(jù)庫 、 ASP.NET 、OpenLayers、JavaScript 及互聯(lián)網(wǎng)信息服務（IIS）等。

2.1 WebGIS
WebGIS 是一種建立在 Internet 或 Intranet 框架下的用來保存、分析、發(fā)布及共享的應用信息系統(tǒng)。WebGIS 改變了傳統(tǒng) GIS 獲取數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、發(fā)布數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)和應用的方式。WebGIS 是網(wǎng)絡技術應用于 GIS 開發(fā)的產(chǎn)物。它使 GIS 在Web 功能下得到擴展，成為大眾都可使用的工具。WebGIS 的出現(xiàn)使 GIS 大眾化、空間數(shù)據(jù)的共享成為現(xiàn)實，其優(yōu)點具體表現(xiàn)在：1）大規(guī)模降低使用及開發(fā)成本，逐步取代 GIS 桌面系統(tǒng)。2）利用 WebGIS 容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)。3）WebGIS 采用網(wǎng)頁操作取代傳統(tǒng)窗口操作，簡單易用。4）WebGIS 處理能力大大提高。5）WebGIS 可以根據(jù)用戶的請求，向用戶動態(tài)提供所需的空間服務。6）跨平臺性好。7）互操作能力強。WebGIS 的開發(fā)過程需遵循一些操作規(guī)范，如開放地學數(shù)據(jù)互操作規(guī)范（OpenGIS），因此在開發(fā) WebGIS 時數(shù)據(jù)可以互操作和共享。
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2.2 OpenGIS 規(guī)范
OpenGIS（開放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范）由美國 OGC（開放地理空間信息聯(lián)盟）提出[56]，開放式地理信息系統(tǒng)是指在網(wǎng)絡環(huán)境中提供對不同類型的地理數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)處理方法的共享服務。OpenGIS 的幾何信息分為點、邊緣、面和幾何集合四種。下面介紹其主要的兩個服務：Web 地圖服務（WMS），指能夠根據(jù)用戶的請求返回柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。WMS 支持網(wǎng)絡協(xié)議 HTTP，所支持的操作是由 URL 定義的。它主要有 3 個重要操作：返回服務級元數(shù)據(jù)（GetCapabilities），返回地圖影像（GetMap），返回地圖要素信息（GetFeatureinfo）。Web 要素服務（WFS），對地理要素進行插入操作、更新操作、檢索操作、刪除操作。該服務通過超文本傳輸協(xié)議的客戶端請求，然后返回地理標識語言（GML）數(shù)據(jù)。GML 是基于 XML 的數(shù)據(jù)格式，它是表現(xiàn)數(shù)據(jù)的一種形式。WFS支持桌面程序的條件查詢、空間幾何關系的查詢、屬性域的查詢。返回要素結構（DescribeFeatureType），返回 GML 規(guī)范的文檔數(shù)據(jù)（GetFeature）。在 WFS 請求中，OpenGIS 利用 Filter 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的篩選。OGC（Open Geospatial Consortium）的出現(xiàn)，使許多商家進行了聯(lián)合，推動全球范圍內的 GIS 數(shù)據(jù)行業(yè)標準化進程。
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第 3 章 系統(tǒng)模型....12
3.1 震后應急調度的理論基礎.........12
3.2 震后道路損毀風險評估模型[61].........13
3.2.1 模型概述..........13
3.2.2 算法設計..........15
3.3 基于 A*算法的震后應急調度路徑規(guī)劃模型....19
3.4 基于 A*算法的背離路徑集和 K 次漸優(yōu)路徑...........25
3.5 本章小結...........27
第 4 章 系統(tǒng)需求分析與總體設計 ........28
4.1 需求分析...........28
4.2 總體設計...........30
4.3 本章小結...........36
第 5 章 系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)........37
5.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境....37
5.2 地圖服務發(fā)布....38
5.3 系統(tǒng)各模塊詳細設計與實現(xiàn).....41
5.4 本章小結....61

第 5 章 系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
系統(tǒng)以蘆山 7.0 級地震數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)實例，其矢量地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和災害數(shù)據(jù)來源于民政部減災中心及“863”課題組成員。提供的矢量地圖數(shù)據(jù)為 shp 格式，是北京四維圖新科技股份有限公司的導航數(shù)據(jù)，包括以下幾個圖層：居民區(qū)、行政界線（省、縣）、河流（線）、水系（面）、道路、興趣點（POI）、鄉(xiāng)。影像數(shù)據(jù)為雅安地區(qū)的遙感影像。災害數(shù)據(jù)包括災害點（震中、道路阻塞點、堰塞湖、坍塌滑坡點）、地震烈度、設防烈度、次生地質災害數(shù)據(jù)等由民政部減災中心直接提供。如表 19 為主要地圖數(shù)據(jù)列表。在服務器端還用到了北半球 UTM-47 投影坐標，其代碼為 32647。目的是在路徑選擇時，用平面坐標進行計算。系統(tǒng)使用 Proj4 進行坐標轉換。格式化各圖層，在 GeoServer 中使用的是 SLD 樣式，是一種 XML 語言。因為自己編寫比較麻煩，可以使用 Udig 工具來創(chuàng)建，在 GeoServer 中 SLD 編碼一定要使用 GBK，否則標注等會出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象。系統(tǒng)地圖配色方案參考了《地理信息公共服務平臺電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范 GH/Z 9011-2011》和 Google 地圖的配色方案。將發(fā)布好的地圖用 OpenLayers 進行展示，圖 11 所示為地圖發(fā)布的結果圖，左部分為普通地圖展示，右部分為遙感地圖展示。

結 論

地震發(fā)生后，快速、可靠的選擇應急調度路徑，災情的發(fā)布，震后道路損毀風險評估及風險預測對于應急救援具有重要意義。本文利用 WebGIS 和數(shù)據(jù)庫相關技術，根據(jù)用戶需求，設計和實現(xiàn)了交通生命線震后應急調度決策支持系統(tǒng)，系統(tǒng)為用戶提供了災情查詢、用戶標繪、震后道路損毀風險評估、應急調度路徑規(guī)劃以及數(shù)據(jù)管理等功能，為震后應急救援提供輔助支持。主要有如下幾個方面的研究成果：
1）通過對交通生命線震后應急救援決策支持系統(tǒng)的研究設計，擬訂了基于GeoServer+OpenLayers+PostgreSQL+PostGIS+ASP.NET+JavaScript+C#的交通生命線震后應急調度決策支持系統(tǒng)的解決方案。
2）研究分析了交通生命線震后應急調度決策支持系統(tǒng)的模型體系，研究了地震烈度、設防烈度及次生地質災害等震害因子的震后道路損毀風險評估模型；研發(fā)了以路段行程時間、路段安全性和路段靈活性為目標函數(shù)的震后應急調度路徑規(guī)劃模型以及基于 A*算法最優(yōu)路徑條件下的背離路徑集及 K 次漸優(yōu)路徑求解模型。
3）通過底層構造實現(xiàn)了最短路徑分析、震后應急救援最優(yōu)路徑分析和最佳救援位置分析；研究對路網(wǎng)數(shù)據(jù)的構造、更新方法，建立了通過 PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫對路網(wǎng)數(shù)據(jù)修改與更新的機制。
4）開發(fā)實現(xiàn)了交通生命線應急救援決策支持系統(tǒng)。
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參考文獻（略）