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應急空間信息學實驗實驗一創建應急空間數據庫實驗一創建應急空間數據庫一、 實驗目的1. 了解公共安全與應急管理領域的數據庫標準規范。2. 掌握應急空間數據庫的基本概念及不同類型數據屬性信息的設定。3. 掌握應急空間數據庫的創建過程。4. 熟悉GPS數據采集的工作原理，掌握如何利用GNSS Planning Online軟件進行分析和規劃GPS數據采集任務。5. 掌握使用GPS接收器采集應急地理要素的方法。二、 實驗內容1. 實地野外調研目標區(本實驗以深圳市南山區西麗深圳大學城清華園區為目標區，以下不再復述)，為其創建應急空間數據庫。2. 遵照構建的應急空間數據庫，通過GNSS Planning Online軟件規劃合理的數據采集任務，利用GPS接收器完成目標區所覆蓋要素的坐標信息采集，為后續實驗提供數據基礎。3. 遵照構建的應急空間數據庫，完成深圳大學城清華園區所覆蓋要素的屬性信息采集，為后續實驗提供數據基礎。三、 輸入輸出1. 輸入數據：無2. 拓展練習輸出數據某區域應急空間數據庫，建議為EXCEL表格形式，遵循以下命名格式：練習1_練習者姓名。表格內容須包含區域內的所有應急空間要素，要素應具有完整的空間和非空間屬性信息。四、 預備知識1. 空間信息與應急空間信息空間信息是反映地理實體空間分布特征的信息。空間分布特征包括實體的位置、形狀及實體間的空間關系、區域空間結構等\[1\]。地理學通過空間信息的獲取、分析、加工和綜合，揭示區域空間分布、變化的規律。空間信息借助于空間信息載體進行傳遞，比如包含了不同圖形的圖像或地圖。圖形是表示空間信息的主要形式，地理實體可被描述為點、線、面等基本圖形元素及其組合。通常情況下，空間信息只有和屬性信息、時間信息結合起來才能完整地描述地理實體。根據《突發事件應對法》規定，應急管理分為四個主要環節，分別是應急預防與準備、監測與預警、應急處置與救援、事后恢復與重建\[2\]。每一個環節都需要大量的空間信息數據支持。應急空間信息是指在應急管理的各個階段和活動中，使用或處理、分析產生的代表突發事件、承災載體、應急管理活動的各類圖形形式要素的總稱。應急空間信息并不是一種新的形式的信息，而是各類地理實體在置身于應急管理這一上下文環境后，被賦予了新的涵義。由此，也帶來了應急空間信息在獲取、管理、處理、分析等環節出現的新的需求和問題。例如傳統的水利、交通等領域對空間信息的度要求比較高，數據獲取的頻度較低。而在應急管理工作中，通常要求數據具有較好的時效性，同時突發事件高度的時變特征，往往要求頻繁地獲取同一目標或區域的數據。應急空間信息除了擁有空間信息所具有的定位特征、尺度特征、維度特征等之外，還具有很強的時效性、聚焦性、多重性和依賴性。2. 矢量數據模型與柵格數據模型計算機通過矢量和柵格兩種基本的數據模型來描述地理實體。矢量數據模型是代表地圖圖形的各離散點平面坐標(x,y)的有序集合，矢量數據結構用于表示地圖圖形元素幾何數據之間及其與屬性數據之間的相互關系，其坐標空間假定為連續空間，可以更加地表達空間對象的空間位置\[3\]。使用矢量數據描述的空間對象可以分為點實體、線實體和面實體。點實體包含單獨一對(x,y)坐標定位的空間實體(如果是三維空間下的空間實體表達，可以包含z坐標來描述高程信息)，是不可再分的地理實體。線實體是由直線元素組成的各種線性要素，直線元素由兩對(x,y)坐標定義，線實體可以是連續而復雜的曲線(也稱為“弧”)。面實體也稱為多邊形，通常由一個邊界來定義，而邊界是由形成一個封閉環狀的線實體所組成。如果面實體有洞在其中，那么可以采用多個封閉的環以描述它。為了描述真實世界中地理空間實體的相對位置，除了表示出空間實體的位置、形狀和屬性之外，還要將實體之間的相互關系進行描述，這些關系就是拓撲關系，是圖形在保持連續狀態下變形，但圖形相互關系不變的性質。拓撲關系可以非常清楚地反映實體之間的邏輯結構關系，在空間信息的管理和分析上發揮重要作用，主要包括提升空間數據質量和輔助空間數據處理、查詢和分析。通過拓撲關系可以得知一個矢量實體和其他矢量實體的關系，大大解決了實際中的很多問題，比如想了解污染河流穿過的村莊、傳染病發病城市和哪些城市是相鄰的、某個行政區域內有多少危險源和防護目標等信息，就需要分析實體之間的拓撲關系。柵格數據模型將連續空間離散化，即用二維格網覆蓋整個連續空間，格網(又稱像素或像元)可以分為規則的和不規則的，方格、三角形和六角形是空間數據處理中最常用的格網方式\[3\]。格網的特征參數有尺寸、形狀、方位和間距等。地理信息系統中的柵格數據經常是來自人工和衛星遙感影像設備，以及用于數字化文件的設備。由于像元具有固定的尺寸和位置，并且按照一定的規則排序，所以其表示的空間實體位置關系是通過像元的行號和列號來表示的。使用柵格數據描述的空間對象也可以分為點實體、線實體和面實體。點實體在柵格數據中表示為一個像元，線實體則表示為在一定方向上連接成串的相鄰像元集合，面實體則由聚在一起的相鄰像元集合表示。使用柵格數據結構存儲的地理數據需要按照分層組織存儲，每一層由一組格網坐標組成，具有單一的屬性數據或專題信息，比如可以用一個柵格層來表示道路，另一個柵格層來表示河流。3. 空間數據庫與應急數據庫空間數據庫也叫地理數據庫，是某一區域內關于地理實體空間特征、時間特征、屬性特征的數據集合，為空間數據提供標準格式、儲存方法和有效的管理手段\[17\]。實際上地理信息系統的主要業務就是圍繞空間數據的采集、加工、存儲、分析展開的，因此空間數據庫是地理信息系統的核心，其性能直接影響了地理信息系統的運行效率。應急空間數據庫是站在突發事件應急管理的角度，對空間數據和非空間數據進行分類、存儲和管理，以輔助應急管理過程為最終目的，因此其數據分類方法、屬性信息設定等均具有應急領域專有的特點，比如可包含重點防護目標、重大危險源、避護場所等數據類別，而在每個類別中，又存儲了該類別數據與應急管理密切相關的屬性信息，比如應急聯系人、可能的受災形式等信息。國內目前已了應急領域的若干數據庫標準規范，如由廣東省政府應急管理辦公室(應急辦)、清華大學公共安全研究院、清華大學深圳研究生院共同起草，于2013年3月31日正式實施的《廣東省應急平臺體系數據庫規范 基礎信息》(DB44/T 1099—2012)，作為國內首個應急平臺體系地方標準，有力推動了廣東省應急平臺體系建設，特別是全省統一應急管理數據庫建設工作的開展。本練習可以參考這些標準規范，通過實地調研，合理規劃，建立目標區應急空間數據庫。Geodatabase是地理數據庫在特定的地理信息系統——ArcGIS中的具體形式，是ArcGIS中各種類型地理數據集的集合，主要包含三種數據集類型，分別是要素類、柵格數據集、表，如圖11所示\[4\]。要素類可以表示具有相同空間制圖表達和一組通用屬性的同類要素的集合，比如道路、建筑物等，最常用的四種要素類是點、線、面、注記。表可以管理一系列簡單且必要的關系數據，比如具有相同公共字段的關聯數據——某一學校的學生基礎信息表。柵格數據是通過將世界分割成在格網上布局的離散像元來表示地理要素，常用作地圖的底圖。Geodatabase是ArcGIS存儲、表示和管理地理信息的重要工具，其內容和結構可以根據使用者的需求靈活設置。圖11ArcGIS中的要素類、柵格數據、表對于應急管理人員來說，可以認為Geodatabase是應急空間數據庫在ArcGIS平臺中的表現形式，通過設計和構建Geodatabase，應急管理人員得以在ArcGIS中組織、使用、分析應急空間信息。4. GPS技術GPS是一種利用人造地球衛星進行空間定位和導航的技術，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點。借助于GPS的空間定位能力，可以進行坐標數據的采集和更新，為應急空間數據的獲取提供了一種先進、有效的手段。GPS的導航功能則可以對各種移動載體進行實時跟蹤，結合移動通信技術，可以在應急處置與救援中高效地執行應急指揮調度。因此GPS技術廣泛應用于應急管理的應急資源管理、危險源定位、重點區域監測、目標追蹤等環節。GPS全球定位系統由三部分組成：空間部分——GPS星座；地面控制部分——地面監控系統；用戶設備部分——信號接收機。其中GPS信號接收機主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，即可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理單元就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的基本類型分為導航型和大地型，如圖12所示，根據接收的載波頻率通常又可分為單頻接收機和雙頻接收機\[5\]。圖12(a) 導航型GPS接收機； (b)大地型GPS接收機目前生產GPS接收機的主要廠商有：美國天寶(Trimble)、美國佳明(Garmin)、中國合眾思創(UniStrong)等。本實驗采用的是Garmin的eTrex20單頻手持式GPS接收機，如圖13所示，其具有航點標定與管理、面積/長度測量、坐標轉換、航跡/航線、地圖與導航等功能，可滿足基本的GPS坐標信息采集工作\[6\]。圖13Garmin eTrex20 GPS接收機\[6\]5. GNSS Planning Online軟件應用GNSS Planning Online是一個用于規劃GNSS數據采集任務的在線軟件，由美國天寶(Trimble)公司開發并免費開放，該軟件不局限于GPS衛星系統，也可以選擇GLONASS、Galileo、北斗，或者QZSS衛星系統，可以設置采集時間和采集環境，查看分析結果，估計采集數據的誤差，從而幫助使用者合理規劃數據采集任務\[7\]。其界面如圖14所示。圖14GNSS Planning Online在線界面\[7\]五、 實驗步驟1. 制定應急空間數據庫數據采集表格查閱《廣東省應急平臺體系數據庫規范 基礎信息》(以下簡稱《數據庫規范》)，實地調研目標區——深圳大學城清華園區，將應急相關的所有地物合理分類，并確定其必要的屬性信息、數據類型、約束條件等。實地調研后會發現，有部分地物可以直接使用《數據庫規范》中的信息表，有部分地物需要自行編制信息表。深圳大學城清華園區內與應急相關的地物包括建筑物、道路、湖泊、河流，以及包括路燈、電話亭、紅綠燈在內的多種興趣點。依據標準規范中基礎信息數據庫的分類標準，清華園區內的建筑物又可進一步分為重點防護目標、避護場所、醫療衛生單位三類，這三類地物可以參照數據庫規范中的信息表來進行數據采集。道路、湖泊、河流以及各種興趣點需自行編制數據信息表格，因此該數據庫可以分為重點防護目標、避護場所、醫療衛生單位、道路、水域、興趣點六個表單。下面以興趣點為例，講解如何制定一個數據采集表格。首先對于數據庫中的每一條信息，系統都會自動生成內部主鍵與統一標識碼，這是每條信息的“身份證”。其次每個興趣點都包含空間屬性和非空間屬性，空間屬性告訴我們該對象“在哪里”，包括其經緯度、高度，以及相應的坐標系統和高程基準。非空間屬性告訴我們該對象“是什么”，包含的信息比較多樣化，需要我們進一步梳理。經實地調研，確定清華園區內興趣點包括路燈、消火栓、告示牌、電話亭、自動售貨機、ATM機、紅綠燈、出入口等。他們包含的共同的非空間屬性包括各自的名稱、用途、類別、應急管理工作中必須獲取的負責人、聯系人、行政區劃信息、數據來源和更新時間信息等。路燈由于其特有的編號信息，目前已經在應急管理工作中廣泛應用，因此專門設立“編號”屬性，記錄路燈的編號。其余各興趣點特有的屬性，比如ATM所屬銀行、電話亭電話號碼等，可以在備注中描述。為規范數據信息，需要設定一定的約束條件，比如數據類型、字段長度、填寫格式、取值范圍等。最終制定的興趣點信息如表11所示。表11興趣點信息表序號[]字段名稱[]字段類型[]字段長度[]字段說明1[]興趣點編號[]字符型[]32[]系統內部主鍵，自動生成2[]統一標識碼[]字符型[]32[]興趣點的標識，自動生成3[]名稱[]字符型[]100[]興趣點的中文全稱4[]類型代碼[]字符型[]10[]興趣點的類型代碼，包括1(路燈)、2(消火栓)、3(告示牌)、4(電話亭)、5(自動售貨機)、6(ATM機)、7(紅綠燈)、8(出入口)、99(其他)5[]編號[]數值型[]5[]興趣點固有的編號，如路燈上的編號6[]用途[]字符型[]500[]該興趣點的主要用途7[]坐標系統代碼[]字符型[]1[]興趣點平面坐標采用的坐標系統代碼，包括1(2000國家大地坐標系)、2(1980西安坐標系)、3(1954年北京坐標系)、4(WGS84坐標系)、5(其他坐標系)8[]經度[]數值型[]8,5[]興趣點的經度，十進制9[]緯度[]數值型[]7,5[]興趣點的緯度，十進制10[]高程基準代碼[]字符型[]1[]興趣點高程采用的高程基準代碼，包括1(1985國家高程基準)、2(1956年黃海高程系)、3(珠江高程基準)、4(其他高程基準)11[]高程[]數值型[]7,3[]興趣點的高程，單位為米12[]行政區劃代碼[]字符型[]12[]興趣點所在行政區劃的代碼13[]負責人[]字符型[]200[]興趣點負責人的姓名。多個負責人姓名用英文逗號分隔14[]負責人辦公電話[]字符型[]200[]興趣點負責人的辦公電話。多個電話用英文逗號分隔15[]負責人移動電話[]字符型[]200[]興趣點負責人的移動電話。多個電話用英文逗號分隔16[]負責人住宅電話[]字符型[]200[]興趣點負責人的住宅電話。多個電話用英文逗號分隔17[]聯系人[]字符型[]200[]興趣點聯系人的姓名。多個聯系人姓名用英文逗號分隔續表序號[]字段名稱[]字段類型[]字段長度[]字段說明18[]聯系人辦公電話[]字符型[]200[]興趣點聯系人的辦公電話。多個電話用英文逗號分隔19[]聯系人移動電話[]字符型[]200[]興趣點聯系人的移動電話。多個電話用英文逗號分隔20[]聯系人住宅電話[]字符型[]200[]興趣點聯系人的住宅電話。多個電話用英文逗號分隔21[]聯系人電子郵箱[]字符型[]200[]興趣點聯系人的電子郵箱。多個電子郵箱用英文逗號分隔22[]主管單位[]字符型[]100[]興趣點主管單位的名稱23[]主管單位地址[]字符型[]200[]興趣點主管單位的詳細地址24[]數據來源單位[]字符型[]9[]該數據的來源單位代碼25[]最近更新時間[]日期時間型[][]該數據的最近更新時間，形式為yyyy\|mm\|dd\|hh:mm:ss26[]備注[]字符型[]500[]興趣點簡短的文字描述，或者補充說明信息。比如電話亭電話號碼、出入口所屬建筑、告示牌用途等本實驗提示1： 光盤中包含了完整的深圳大學城清華園區應急空間數據庫框架，包括六個信息表以及部分參考數據，可供讀者參考及之后的練習使用。2. 使用GNSS Planning Online規劃數據采集任務(1) 在瀏覽器中輸入如下地址，打開GNSS Planning Onlinewww.trimble.com/GNSSPlanningOnline/#/Settings(2) 根據GPS采集作業的時間和環境，設置GNSS Planning參數，包括經緯度、高度、障礙物高度角、起始時間、時間間隔、時區、選擇導航衛星等。主要設置界面如圖15所示。圖15GNSS Planning Online主要設置界面\[7\]本實驗提示2： 在參數設置中，可以利用“設置”界面的“選擇”按鈕，在地圖上單擊目標點，從而獲取目標點的經緯度信息；可以利用“障礙物”按鈕，設置360度障礙物的方位角和高度角；設置完成后，要單擊“應用”按鈕，使設置生效。本實驗提示3： “衛星選擇”界面隨著“設置”界面參數的變化而變化，Garmin eTrex20同時支持GPS與GLONASS兩套衛星定位系統，因此可以勾選只分析GPS或同時分析GPS與GLONASS。(3) 查看分析結果，判斷數據采集作業在什么時段。在“高度角”、“可見衛星數”、“DOP值”、“可見性”、“衛星分布圖”、“世界投影”、“電離層地圖”、“電離層信息”等界面查看分析結果。DOP是Dilution of Precision的縮寫，該值表征了采集的GPS坐標的相對誤差，因此“DOP值”界面最直觀地反映出采集任務規劃是否合理，顯然，應該選取DOP值最小的時段開展數據采集工作。本實驗提示4： 在“高度角”、“可見衛星數”、“DOP值”、“可見性”、“衛星分布圖”、“世界投影”、“電離層地圖”、“電離層信息”等界面右下角有一個時間滑塊，拖動該滑塊，可以看到各參數隨時間的變化。3. 戶外實地開展GPS數據采集本示例采用Garmin eTrex20 GPS接收機完成GPS數據采集。eTrex20默認使用經緯度坐標顯示格式，WGS84大地坐標系統。其開機后主菜單頁面如圖16所示，面板上的搖桿可用于選擇光標位置并按壓選擇。圖16eTrex20主菜單頁面\[6\]數據采集的基本步驟包括：1) 開機定位將GPS接收機拿至室外較開闊地點，避免受到高樓和樹木的遮擋。長按電源鍵開機，等待機器自動搜索衛星信號。短按電源鍵，或者在主菜單里選擇“衛星”選項，可以查看目前已經接收到的衛星信號的強度，其頁面如圖17所示。圖17eTrex20 衛星狀態顯示頁面\[6\]一般情況下，搜到3顆衛星信號就可以完成定位，當接收到4顆衛星信號時，高程信息就可以被測出。接收到的衛星數量越多，定位誤差就越小。本實驗提示5： eTrex20 支持GPS和GLONASS兩套衛星定位系統，可以在設置中選擇只接收一套還是同時接收兩套，一般情況下，衛星編號32以下的是GPS衛星，衛星編號32以上的是GLONASS衛星。本實驗提示6： 首次使用一般需要2分鐘的搜星定位時間，多次同一地點使用的話則僅需要30秒左右就可以完成搜星定位。如果超過三個月以上未使用該機器，或者距離上次使用地點超過數百公里，則可能需要5分鐘的搜星定位時間。2) 航點標定eTrex20提供了多種現場航點標定方法，其中最常用的是“位置平均”和“投影航點法”。對于開闊地點的航點，可以通過“位置平均”法測得其高精度位置信息，GPS接收機會自動對同一地點測量一系列位置坐標，并求平均值，通過界面上的進度條可以得知當前度/精度，當度/精度達到要求后，按下“保存”即可完成當前航點的測量。其界面如圖18所示。圖18位置平均測量法界面\[6\]對于因道路阻礙、地形受限、周邊環境遮擋等原因而導致無法測得的位置，可以采用“投影航點法”，通過測量一個高精度的當前位置，以及目標位置距離當前位置的方位角度(方位角限制：0\|359°，正北為0°，順時針轉動角度增加)和距離，推算目標位置的坐標。其操作界面如圖19所示。圖19投影航點法\[6\]以深圳大學城清華園區荷園1號樓為例。荷園1號樓位置如圖110所示，該樓呈“十”字型，外側角點大部分能用GPS接收機直接測得GPS坐標，內側角點受到建筑自身以及周邊高樓影響，很難測得的GPS坐標，此時可以先測得圖110中A點坐標，為(2259511381N,113962821E)，再測得A點與B點的方位角度為270°(該樓為正的東西走向)，距離為985米，利用eTrex20的投影航點法，可以得到B點坐標為(2259511381N,1139627905E)。圖110荷園1號樓位置本實驗提示7： 航點測量過程中，要經常關注搜星情況。本實驗提示8： eTrex20可以存儲2000個航點。3) 航跡記錄在主菜單“設置”選項的“航跡”中進行航跡參數設置。可以選擇是否開啟航跡記錄功能，默認情況下是開啟，因此當eTrex20完成搜星定位之后，就會自動開始記錄航跡，如果用戶希望開機后自定義航跡記錄起始點，可以利用“當前航跡”—“儲存部分航跡”功能挑選當前航跡的起始航點，或者在開始測量前點選“當前航跡”—“清除當前航跡”，將準備階段記錄的航跡清除掉。記錄過程中可以打開“當前航跡”—“地圖瀏覽”功能，查看航跡的動態變化過程。航跡記錄完畢后點選“當前航跡”—“保存航跡”將航跡保存下來。航跡記錄有三種模式：距離間隔、時間間隔及自動間隔，使用者可以自行設定每隔多少距離或時間記錄一筆航跡資料。選擇“距離”時單位為公里，選擇“時間”時單位為秒，而選擇“自動”模式則分為最密、稠密、正常、稀疏、最疏五個等級。相關界面如圖111所示。圖111(a) 航跡參數設置； (b) 當前航跡操作； (c) 地圖瀏覽\[6\]本實驗提示9： 在記錄航跡過程中，如遇到衛星信號中斷的情況，使得航跡記錄產生分段現象，機器會記錄下每段的起始時間，提供使用者在完成一個行程后，自行選擇要保存的航跡段。如遇到這種情況，需補測或者重測。本實驗提示10： eTrex20可以存儲200條航跡，包含10000個航點。