0 引言
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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展、空間技術(shù)的日新月異及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的日漸完善，GIS（Geographic Information System）技術(shù)也日趨成熟，并且逐漸被人們所認(rèn)識和接受。近年來，GIS被世界各國普遍重視，尤其是“數(shù)字地球”概念的提出，使其核心技術(shù)GIS更為各國政府所關(guān)注。目前，以管理空間數(shù)據(jù)見長的GIS已經(jīng)在全球變化與監(jiān)測、軍事、資源管理、城市規(guī)劃、土地管理、環(huán)境研究、農(nóng)作物估產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)測、交通管理、礦產(chǎn)資源評價(jià)、文物保護(hù)、濕地制圖以及政府部門等許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)前GIS正處于急劇發(fā)展和變化之中，研究和總結(jié)GIS技術(shù)發(fā)展，對進(jìn)一步開展GIS研究工作具有重要的指導(dǎo)意義。因此，本文就目前GIS技術(shù)的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和分析。
1 GIS研究現(xiàn)狀及其分析
1.1 GIS研究現(xiàn)狀
世紀(jì)90年代以來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突破以及其它相關(guān)理論和技術(shù)的完善，GIS在全球得到了迅速的發(fā)展。在海量數(shù)據(jù)存儲、處理、表達(dá)、顯示及數(shù)據(jù)共享技術(shù)等方面都取得了顯著的成效，其概括起來有以下幾個(gè)方面[1]：①硬件系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶機(jī)結(jié)構(gòu)，初步形成了網(wǎng)絡(luò)化、分布式、多媒體GIS；②在GIS的設(shè)計(jì)中，提出了采用“開放的CIS環(huán)境”的概念，最終以實(shí)現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)；③高度重視數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題，并已形成一些較為可行的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；④面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已經(jīng)問世，正在發(fā)展稱之為“對象——關(guān)系DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）”；⑤以CIS為核心的“3S”技術(shù)的逐漸成熟，為資源與環(huán)境工作提供了空間數(shù)據(jù)新的工具和方法；⑥新的數(shù)學(xué)理論和工具采用CIS，使其信息識別功能、空間分析功能得以增強(qiáng)等等。
在GIS技術(shù)不斷發(fā)展下，目前GIS的應(yīng)用已從基礎(chǔ)信息管理與規(guī)劃轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的區(qū)域開發(fā)、預(yù)測預(yù)報(bào)，與衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合用于全球監(jiān)測，成為重要的輔助決策工具。據(jù)有關(guān)部門估計(jì)，目前世界上常用的GIS軟件己達(dá)400多種[2].國外較著名的GIS軟件產(chǎn)品有[3]：Auotodesk系列產(chǎn)品、Arc/Info、MapInfo及其構(gòu)件產(chǎn)品、Intergraph、Microstation等，還有Web環(huán)境下矢量地圖發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如XML、GML、SVG等等。我國GIS軟件研制起步較晚，比較成熟的測繪軟件主要有南方CASS，MapGIS，GeoStar，SuperMap等。盡管現(xiàn)存的GIS軟件很多，但對于它的研究應(yīng)用，歸納概括起來有二種情況：一是利用GIS系統(tǒng)處理用戶的數(shù)據(jù)；二是在GIS的基礎(chǔ)上，利用它的開發(fā)函數(shù)庫二次開發(fā)用戶專用的GIS軟件。目前已成功應(yīng)用包括資源管理、自動(dòng)制圖、設(shè)施管理、城市和區(qū)域規(guī)劃、人口和商業(yè)管理、交通運(yùn)輸、石油和天然氣、教育、軍事等九大類別的一百多個(gè)領(lǐng)域。在美國及發(fā)達(dá)國家，GIS的應(yīng)用遍及環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害預(yù)測、城市規(guī)劃建設(shè)、政府管理等眾多領(lǐng)域。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，加速了GIS應(yīng)用的進(jìn)程，在城市規(guī)劃管理、交通運(yùn)輸、測繪、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮r重要的作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
1.2 當(dāng)前GIS發(fā)展存在的主要問題
基于以上GIS技術(shù)現(xiàn)狀研究，本文分析認(rèn)為GIS技術(shù)在模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面存在著不足，一定程度上制約了GIS技術(shù)的發(fā)展。
（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面存在的問題
目前通用的GIS主要有矢量、柵格或兩者相加的混合系統(tǒng)，即使是混合系統(tǒng)實(shí)際上也是將兩類數(shù)據(jù)分開存儲，當(dāng)需要執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)采用不同的數(shù)據(jù)形式。在矢量結(jié)構(gòu)方面，其缺點(diǎn)是處理位置關(guān)系（包括相交、通過、包含等）相當(dāng)費(fèi)時(shí)，且缺乏與DEM和RS直接結(jié)合的能力。在柵格結(jié)構(gòu)方面，存在著柵格數(shù)據(jù)分辨率低，精度差；難以建立地物間的拓?fù)潢P(guān)系；難以操作單個(gè)目標(biāo)及柵格數(shù)據(jù)存貯量大等問題[4].
（2）GIS模型存在的問題
傳統(tǒng)GIS模型是按照計(jì)算機(jī)的方法對客觀世界地理空間不自然的分割和抽象，使得人們認(rèn)知地理空間的認(rèn)知模型與計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)模型不能形成良好的對應(yīng)關(guān)系，難以表達(dá)復(fù)雜的地理實(shí)體，更難滿足客觀世界的整體特征要求。在GIS軟件開發(fā)中，如果語義分割不合理，將難以有效表達(dá)地理空間實(shí)體間的關(guān)系，這就導(dǎo)致較深層次的分析、處理操作難以實(shí)現(xiàn)。隨著GIS應(yīng)用需求領(lǐng)域的不斷開拓及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，使得傳統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)模型力不從心，逐漸暴露其弊端。
目前，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型一定程度上解決了傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型的某些不足，但是OODB（面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫）目前仍未在市場以及關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用方面被廣泛接受，因?yàn)镺ODB作為一個(gè)DBS還不太成熟，如缺少完全非過程性的查詢語言以及視圖、授權(quán)、動(dòng)態(tài)模式更新和參數(shù)化性能協(xié)調(diào)等；且OODB與RDB之間缺少應(yīng)有的兼容性，因而使得大量的已建立起來的龐大的RDB客戶不敢輕易地去選擇OODB.
（3）其他方面亟待解決的問題
當(dāng)前，GIS正處在一個(gè)大變革時(shí)期，GIS的進(jìn)一步發(fā)展還面臨不少問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5]：①GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法學(xué)問題。在GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中缺乏面向?qū)ο蟮恼J(rèn)知方法學(xué)和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法學(xué)的指導(dǎo)，導(dǎo)致GIS軟件系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性差；②GIS的功能問題。當(dāng)前以數(shù)據(jù)采集、存儲、管理和查詢檢索功能為主的GIS，不能滿足社會和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展在空間分析、預(yù)測預(yù)報(bào)、決策支持等方面的要求，直接影響到GIS的應(yīng)用效益和生命力；③三維GIS模型及可視化問題。目前大多數(shù)GIS軟件的圖形顯示是基于二維平面的，即使是三維效果顯示也是采用DEM的方法來處理表達(dá)地形的起伏，涉及到地底下真三維的自然和人工現(xiàn)象顯得無能為力。
2 GIS未來發(fā)展趨勢
2.1數(shù)據(jù)管理方面
（1）多比例尺、多尺度和多維空間數(shù)據(jù)的表達(dá)[6]
對于多比例尺數(shù)據(jù)的顯示，將運(yùn)用影像金字塔技術(shù)、細(xì)節(jié)分層技術(shù)和地圖綜合等技術(shù)；而為了實(shí)現(xiàn)GIS的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)和三維可視化，出現(xiàn)存儲真三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的3D GIS和真四維時(shí)空GIS，這其中涉及了空間數(shù)據(jù)的海量存儲、時(shí)空數(shù)據(jù)處理與分析以及快速廣域三維計(jì)算與顯示等多項(xiàng)理論與技術(shù)[7].
（2）三庫一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方向
空間數(shù)據(jù)庫向著真正面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和圖形矢量庫、影像柵格庫和DEM格網(wǎng)庫三庫一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展[8].這種三庫一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變了以圖層為處理基礎(chǔ)的組織方式，實(shí)現(xiàn)了直接面向空間實(shí)體的數(shù)據(jù)組織，使多源空間數(shù)據(jù)的錄入與融合成為了可能，從而為GIS與遙感技術(shù)的集成創(chuàng)造了條件。
（3）基于空間數(shù)據(jù)倉庫（Spatial Data warehouse）的海量空間數(shù)據(jù)管理的研究
空間數(shù)據(jù)量非常大，而且數(shù)據(jù)大都分散在政府、私人機(jī)構(gòu)、公司的各個(gè)部門，數(shù)據(jù)的管理與使用就變得非常復(fù)雜，但這些空間數(shù)據(jù)又具有極大的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此大多數(shù)發(fā)達(dá)國家都比較重視空間數(shù)據(jù)倉庫的建立工作，許多研究機(jī)構(gòu)和政府部門都參與到空間數(shù)據(jù)倉庫建立的研究工作。
（4）利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行知識發(fā)現(xiàn)
空間數(shù)據(jù)挖掘是從空間數(shù)據(jù)庫中抽取隱含的知識、空間關(guān)系以及其他非顯式的包含在空間數(shù)據(jù)庫中但以別的模式存在的信息供用戶使用，這是GIS應(yīng)用的較高層次。由于目前空間數(shù)據(jù)的組織與管理仍局限于二維、靜態(tài)、單時(shí)相，且仍以圖層為處理基礎(chǔ)，因此，當(dāng)前的GIS軟件和空間數(shù)據(jù)庫還不能有效地支持?jǐn)?shù)據(jù)挖掘。
2.2技術(shù)集成方面
（1）“3S”集成
“3S”是GPS（全球定位系統(tǒng)）、RS（遙感）和GIS的簡稱，“3S”集成是指將遙感、空間定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)這三種對地觀測技術(shù)有機(jī)地集成在一起。地理信息是一種信息流，RS、GPS和GIS中任何一個(gè)系統(tǒng)都只側(cè)重于信息流特征中的一個(gè)方面，而不能滿足準(zhǔn)確、全面地描述地理信息流的要求。因此，無論從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式、地學(xué)信息的本質(zhì)特征還是“3S”各自的技術(shù)特征來說，“3S”集成都是科技發(fā)展的必然結(jié)果。
目前，“3S”集成還僅限于兩兩結(jié)合方式，這是“3S”集成的初級和基礎(chǔ)起步階段，其核心是GIS與RS的結(jié)合。這種兩兩結(jié)合雖然優(yōu)于單一系統(tǒng)，但是仍然存在以下缺陷。將“3S”進(jìn)行集成從而形成一體化的信息技術(shù)體系是非常迫切的。這種集成包括空基“3S”集成和地基“3S”集成，即在硬件方面建立具有同步獲取涉譜數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的高重復(fù)觀測能力的平臺，而在軟件方面使GIS支持?jǐn)?shù)據(jù)封裝，同時(shí)解決圖形和圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理問題。
（2）GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)，是當(dāng)代信息技術(shù)高速發(fā)展和集成的產(chǎn)物。從本質(zhì)上說，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，通過計(jì)算機(jī)建立一種仿真數(shù)字環(huán)境，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形、聲音和接觸感受，利用多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，用戶可以如同在真實(shí)世界那樣“處理”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所產(chǎn)生的虛擬物體。將虛擬和重建逼真的、可操作的地理三維實(shí)體，GIS用戶在客觀世界的虛擬環(huán)境中能更有效的管理、分析空間實(shí)體數(shù)據(jù)。因此，開發(fā)虛擬GIS已成為GIS發(fā)展的一大趨勢。
（3）分布式技術(shù)、萬維網(wǎng)與GIS的結(jié)合[9]
目前，隨著Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)深人到各行各業(yè)，作為與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的GIS也不例外，它們的結(jié)合產(chǎn)生了web GIS.當(dāng)前Web GIS系統(tǒng)已經(jīng)得到迅速的發(fā)展，到1999年1月，僅在美國出現(xiàn)的這類系統(tǒng)就有23種之多。又由于客戶端可能會采用新的應(yīng)用協(xié)議，因此也被認(rèn)為是Internet GIS.
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式計(jì)算的優(yōu)勢日益凸顯，GIS與分布式技術(shù)結(jié)合也就成為必然，它們的結(jié)合即構(gòu)成了分布式CIS.它就是指利用最先進(jìn)的分布式計(jì)算技術(shù)來處理分布在網(wǎng)絡(luò)上的異構(gòu)多源的地理信息，集成網(wǎng)絡(luò)上不同平臺上的空間服務(wù)，構(gòu)建一個(gè)物理上分布，邏輯上統(tǒng)一的GIS.它與傳統(tǒng)GIS最大的區(qū)別在于它不是按照系統(tǒng)的應(yīng)用類別、運(yùn)行環(huán)境劃分的，而是按照系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布特征和針對其中數(shù)據(jù)處理的計(jì)算特征而分類的。
（4）移動(dòng)通信技術(shù)與CIS的結(jié)合發(fā)展[10]
WAP/WML技術(shù)作為無線互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，已經(jīng)顯示了其巨大的應(yīng)用前景和市場價(jià)值。WAP柳ML技術(shù)與GIS技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了移動(dòng)GIS（Mobile GIS）應(yīng)用和無線定位服務(wù)LBS（Location一basedServices）。通過WAR/WML技術(shù)，移動(dòng)用戶幾乎可以在任何地方、時(shí)間獲得網(wǎng)絡(luò)提供的各種服務(wù)。無線定位服務(wù)將提供一個(gè)機(jī)會使GIS突破其傳統(tǒng)行業(yè)的角色而進(jìn)人到主流的IT技術(shù)領(lǐng)域里。大多數(shù)的分析家都認(rèn)為，到2010年，無線網(wǎng)絡(luò)將成為全球數(shù)據(jù)傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機(jī)動(dòng)性所決定。
當(dāng)前用于地理信息交互的語言還不足以完成真正的“設(shè)備無關(guān)接口”的互操作。各種移動(dòng)設(shè)備對于從地理信息服務(wù)器所獲得的信息，其表現(xiàn)方式是各不相同的，用戶輸人方式也不相同。因此，對于不同的移動(dòng)設(shè)備需要一種統(tǒng)一的標(biāo)記語言。無線定位服務(wù)將提供一個(gè)機(jī)會使GIS突破其傳統(tǒng)行業(yè)的角色而進(jìn)人到主流的IT技術(shù)領(lǐng)域里：大多數(shù)的分析家都認(rèn)為，到2010年，無線網(wǎng)絡(luò)將成為全球數(shù)據(jù)傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機(jī)動(dòng)性所決定。
（5）GIS與決策支持系統(tǒng)（DSS）的集成[11]
決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，簡稱DSS）是以管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制論、行為科學(xué)和人下智能為基礎(chǔ)，運(yùn)用信息仿真和計(jì)算手段為基礎(chǔ)，綜合利用現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)庫、信息和模型來輔助決策者或決策分析人員解決結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化問題，甚至非結(jié)構(gòu)化問題的人機(jī)交互系統(tǒng)。
目前，絕大多數(shù)的GIS還僅限于圖形的分析處理，缺乏對復(fù)雜空間問題的決策支持，而目前絕大多數(shù)的DSS則無法向決策者提供一個(gè)友好的可視化的決策環(huán)境。因此，將GIS與DSS相集成，最終形成空間決策支持系統(tǒng)（SDSS），借助GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理分析功能，并在DSS中嵌入空間分析模塊，從而輔助決策者求解復(fù)雜的空間問題，這是GIS應(yīng)用向較高層次的發(fā)展。其中SDSS中知識的表達(dá)、獲取和知識推理以及模型庫、知識庫、數(shù)據(jù)庫三庫接口的設(shè)計(jì)是啞待解決的關(guān)鍵問題。
2.3 發(fā)展歷程方面
自20世紀(jì)60年代世界上第一個(gè)GIS——加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）問世以來，經(jīng)過40年的發(fā)展，GIS經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展。目前，隨著第三代互聯(lián)網(wǎng)的提出與實(shí)施，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS即將步入第四代GIS發(fā)展階段。
第四代GIS軟件將在數(shù)據(jù)組織、存儲、檢索和運(yùn)算等方面發(fā)生革命性的變革。數(shù)據(jù)組織應(yīng)該是面向空間實(shí)體的，空間位置只是實(shí)體眾多屬性中的一類，它應(yīng)和其它屬性有機(jī)地組織在一起并統(tǒng)一存放：“關(guān)系”概念和“關(guān)系運(yùn)算”應(yīng)該加以擴(kuò)充，應(yīng)該包括空間關(guān)系及其運(yùn)算；傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化查詢語言應(yīng)該擴(kuò)充，把空間關(guān)系及其查詢包括在里面；以倒排表為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫索引機(jī)制應(yīng)該擴(kuò)展，建立至少包括拓?fù)潢P(guān)系在內(nèi)的新的索引機(jī)制；數(shù)據(jù)存儲機(jī)制應(yīng)該適應(yīng)空間數(shù)據(jù)提取和計(jì)算的要求等。只有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)真正的一體化存儲和處理，才能自由地、方便地、快速地實(shí)現(xiàn)人們所期望的處理功能。在功能上，第四代GIS軟件應(yīng)該具備支持?jǐn)?shù)字地球（區(qū)域、城市）的能力，成為OS、DBMS之上的主要應(yīng)用集成平臺，它具有統(tǒng)一的海量存儲、查詢和分析處理能力、一定的三維和時(shí)序處理能力、強(qiáng)大的應(yīng)用集成能力和靈活的操縱能力，且具有一定的虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)。
3 結(jié)束語
通過以上對GIS現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的分析，可以看出，GIS作為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，正以前所未有的速度向前發(fā)展。把握當(dāng)前GIS的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及不足，有利于人們預(yù)見GIS的發(fā)展趨勢，站在更高更遠(yuǎn)的角度去揚(yáng)長避短，較好地促進(jìn)GIS技術(shù)的快速發(fā)展。隨著地理信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的建立和數(shù)字化住處產(chǎn)品在全世界的普及，GIS將深人到各行各業(yè)以至千家萬戶，成為人們生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)和生活中不可缺少的工具和助手。
所謂分布式就是指數(shù)據(jù)和程序可以不位于一個(gè)服務(wù)器上，而是分散到多個(gè)服務(wù)器，以網(wǎng)絡(luò)上分散分布的地理信息數(shù)據(jù)及受其影響的數(shù)據(jù)庫操作為研究對象的一種理論計(jì)算模型。分布式有利于任務(wù)在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行分配與優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)會導(dǎo)致中心主機(jī)資源緊張與響應(yīng)瓶頸的缺陷，解決了網(wǎng)絡(luò)GIS 中存在的數(shù)據(jù)異構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、運(yùn)算復(fù)雜等問題，是地理信息系統(tǒng)技術(shù)的一大進(jìn)步。
基金項(xiàng)目：國家杰出青年基金項(xiàng)目（40225006），國家教育部重點(diǎn)項(xiàng)目（010886），南京大學(xué)985工程項(xiàng)目。
索文斌 王寶軍 施斌 劉杰
（南京大學(xué)地球科學(xué)系地球環(huán)境計(jì)算工程研究所，南京，210093）
【摘要】BOTDR是一種新型的分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)，其分布式、高精度、長距離、實(shí)時(shí)性、遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)，已逐漸受到工程界的廣泛關(guān)注。由于監(jiān)測是分布式的，所以得到的數(shù)據(jù)與地理位置具有重要的相關(guān)性。結(jié)合工程實(shí)踐中遇到的具體問題，研發(fā)了一套基于GIS的大型工程分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)。本文重點(diǎn)論述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)框架和特色功能。結(jié)合某隧道 BOTDR監(jiān)測工程開發(fā)的一套相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與管理、監(jiān)測結(jié)果的可視化、監(jiān)測信息的對比查詢等功能，是一套集智能化分析與決策化管理為一體的多功能管理系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】BOTDR GIS 分布式光纖傳感器 監(jiān)測系統(tǒng)
1 引言
光纖傳感技術(shù)以其良好的耐久性、抗腐蝕、抗電磁干擾，適合于在惡劣環(huán)境中長期工作等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的工程建設(shè)者和科研人員的重視[～3]。BOTDR(Brillouin Optic Time-Domain Reflectometer）布理淵光時(shí)域反射計(jì)，作為新型的分布式傳感技術(shù)，逐漸得到工程界的認(rèn)可。日本、加拿大、瑞士等國已成功地將該技術(shù)應(yīng)用到水壩、樁基、邊坡、堤岸等工程的監(jiān)測中[～3]。我國自2001年由南京大學(xué)地球環(huán)境計(jì)算工程研究所率先從日本引進(jìn)該技術(shù)以來，開展了大量的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，并成功地完成了多個(gè)工程項(xiàng)目，取得了一系列重要的研究成果[4-7]。
在具體應(yīng)用中，BOTDR所提供的監(jiān)測結(jié)果存在諸如直觀表現(xiàn)差、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和空間定位困難、綜合管理功能弱等方面的缺陷，未經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的工程技術(shù)人員，很難讀懂 BOTDR的監(jiān)測結(jié)果，后期成果處理也非常繁瑣。本文針對大型工程分布式光纖傳感監(jiān)測領(lǐng)域存在的數(shù)據(jù)分析與管理中存在的不足，提出了一套比較切合工程實(shí)際的解決方案，并結(jié)合具體工程實(shí)例設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與管理、監(jiān)測結(jié)果的可視化顯示以及監(jiān)測信息的對比查詢等功能。
2 問題的提出
2.1 BOTDR的監(jiān)測原理[1]
激光在光纖中傳播時(shí)，光波與光聲子相互作用即會產(chǎn)生布理淵散射光。當(dāng)環(huán)境溫度的變化量不大（T≤5°）時(shí)，布理淵光頻率漂移量（vB）與光纖所受的應(yīng)變量（ε）成正比，其關(guān)系式如下式所示：式中：υB（ε）表示光纖受到ε應(yīng)變時(shí)的布理淵頻率漂移量；υB(0）表示光纖不受應(yīng)變時(shí)的布理淵頻率漂移量；
為比例系數(shù)，約為0.5GHz；ε為光纖的實(shí)際應(yīng)變量。
地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集
為了得到沿光纖分布的應(yīng)變信息，只需測量沿光纖分布的布理淵頻率漂移量的變化情況，沿光纖距離光源為Z長度的點(diǎn)可由下式求得：
地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集
式中：c為光速，n為光纖折射率，T為自激光發(fā)射與接收到布理淵散射光所經(jīng)歷的時(shí)間。
監(jiān)測原理如圖1所示。
圖1 BOTDR的應(yīng)變監(jiān)測原理圖
2.2 BOTDR在結(jié)果表現(xiàn)上存在的問題
在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)工程實(shí)際情況的不同，可按照不同的黏著方式將傳感光纖粘貼在所需監(jiān)測結(jié)構(gòu)（或材料）的表面，從而獲得被粘貼結(jié)構(gòu)（或材料的）沿光纖的徑向應(yīng)變分布信息。但 BOTDR所提供的監(jiān)測結(jié)果存在以下幾個(gè)方面的缺陷：
（1）海量數(shù)據(jù)的綜合管理缺陷。BOTDR提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)是沿光纖徑向的每一點(diǎn)的應(yīng)變信息（點(diǎn)之間的間距和儀器的距離分解度相關(guān)），而這些點(diǎn)的應(yīng)變信息是以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式給出的，造成原始數(shù)據(jù)繁多復(fù)雜。
（2）實(shí)際里程與監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)問題。分布式光纖傳感器在實(shí)際鋪設(shè)過程中，出于定位需要，經(jīng)常預(yù)留一些冗余光纖，為了將所測得的應(yīng)變量和實(shí)際的光纖里程對應(yīng)起來，必須獲得發(fā)生應(yīng)變部位距離光纖光源的實(shí)際里程，而 BOTRD提供的監(jiān)測里程是光纖的實(shí)際長度（包括冗余部分），并不是工程實(shí)際里程，也就是說監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際里程之間存在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)問題。
（3）監(jiān)測結(jié)果的直觀表現(xiàn)不佳。BOTDR原始監(jiān)測系統(tǒng)并不提供閾值設(shè)定功能，即對于特定的工程而言，我們必須人為地設(shè)定閾值尋找應(yīng)變異常信息。
（4）實(shí)測數(shù)據(jù)影響因子多。BDTOR監(jiān)測結(jié)果是在諸如溫度影響在內(nèi)的多種因子的影響下測得的數(shù)據(jù)，未經(jīng)處理的實(shí)測數(shù)據(jù)可信度差。
（5）缺乏面向最終用戶的監(jiān)測數(shù)據(jù)。BOTDR監(jiān)測結(jié)果是未經(jīng)配準(zhǔn)和處理的純文本文件，這些數(shù)據(jù)并不是面向最終用戶，而是面向具有 BOTDR操作經(jīng)驗(yàn)的科研人士，也就是說未經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)的工程技術(shù)人員很難讀懂 BOTDR的原始成果。
3 基于GIS的大型工程分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
針對上述所存在的問題，基于GIS的大型工程分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該遵循以下的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)：
（1）完成對所監(jiān)測工程的日常健康診斷，分析工程安全性。以應(yīng)變分析為核心，建立工程安全評價(jià)體系，完成對影響規(guī)劃、管理、決策及科學(xué)研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存更新、查詢檢索、智能評價(jià)、統(tǒng)計(jì)分析、類比判別和制圖制表等任務(wù)，提高工程管理質(zhì)量和效率。
（2）利用BOTDR提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)處理后再配合工程實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，完成以工程質(zhì)量為目標(biāo)的各項(xiàng)監(jiān)測工作。應(yīng)用橫向縱向兩方面類比模式監(jiān)測工程安全性，即利用不同光纖反饋回來的數(shù)據(jù)，以及同一根光纖不同時(shí)間測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行類比分析，得出工程可信的結(jié)果。
3.2 系統(tǒng)技術(shù)框架
結(jié)合目前GIS的發(fā)展趨勢，并考慮工程實(shí)際的可操作性，系統(tǒng)應(yīng)用ESRI公司提供的MapOb-jects組件，在Visual Basic 6.0環(huán)境下開發(fā)了以組件式GIS為核心的管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的技術(shù)框架如圖2所示：
圖2 系統(tǒng)技術(shù)框架圖
從圖2的技術(shù)框架圖中可以直觀地看出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以各種不同用戶的需求作為指導(dǎo)，并在開發(fā)中通過信息反饋不斷更新和完善系統(tǒng)功能及工作模式。系統(tǒng)以基礎(chǔ)地理及屬性數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)利用GIS的開發(fā)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的提取，結(jié)合光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)以及可視化表示，以不斷更新和完善的管理與決策數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策，構(gòu)建集基礎(chǔ)功能、智能分析、決策管理于一體的多功能系統(tǒng)。
3.3 系統(tǒng)的功能與特色
基于GIS的大型工程分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了如圖3所示功能。
從圖3可以看出，該系統(tǒng)基本上可以解決工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與管理、監(jiān)測結(jié)果的可視化顯示、監(jiān)測結(jié)果的智能化分析，是一個(gè)以工程應(yīng)用為目標(biāo)，以監(jiān)測結(jié)果為核心的多功能管理與智能化分析系統(tǒng)。
（1）圖層控制：系統(tǒng)加載多個(gè)圖層（ESRI的Shape文件、AutoCAD的DXF文件或圖像文件JPG、BMP、GIF、TIF等）。在使用中用戶可以通過圖層控制圖層是否可見、圖元顏色、可視化范圍、圖層順序等，以便于對特定圖層進(jìn)行瀏覽。
圖3 系統(tǒng)的功能與特色
（2）視圖控制：系統(tǒng)提供圖像的放大、縮小，全局顯示、局部顯示，漫游等基本功能。
（3）動(dòng)態(tài)標(biāo)注：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空間任意位置的動(dòng)態(tài)跟蹤標(biāo)注。用戶點(diǎn)擊鼠標(biāo)后可隨時(shí)獲得鼠標(biāo)所在位置的屬性信息。
（4）數(shù)據(jù)維護(hù)：用戶可以選擇兩種不同方式查詢、檢索、更改數(shù)據(jù)，提供完善的從圖到屬性和從屬性到圖的數(shù)據(jù)查詢、檢索、更改方式。
（5）繪圖功能：系統(tǒng)提供自助的繪圖方式，用戶可按照自己的想法和要求新建圖層或者在原圖上自行繪制圖形，并根據(jù)程序提供的屬性表為數(shù)據(jù)添加屬性。
（6）元素選?。合到y(tǒng)能夠識別圖中選取的元素，通過線、矩形、區(qū)域、多邊形、圓來拾取物體，并顯示拾取元素的屬性數(shù)據(jù)。當(dāng)選中特定位置的光纖時(shí)，光纖以閃爍3次來回應(yīng)用戶選中的光纖。
除上述功能之外，鑒于分布式光纖監(jiān)測的工程特點(diǎn)，本系統(tǒng)還具備以下幾個(gè)特色功能：
（1）數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)以繪制專題應(yīng)變曲線圖的方式提供數(shù)據(jù)分析功能。通過 BOTDR實(shí)測數(shù)據(jù)，繪制光纖應(yīng)變曲線專題圖，根據(jù)不同的閾值設(shè)置不同顏色的應(yīng)變曲線圖。
（2）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)：在實(shí)測數(shù)據(jù)與工程實(shí)際里程之間，根據(jù)實(shí)際工程光纖鋪設(shè)的特征數(shù)據(jù)信息（光纖定位信息），系統(tǒng)提供一個(gè)精確的配準(zhǔn)模塊，誤差小，應(yīng)用性強(qiáng)。
（3）圖例顯示：系統(tǒng)提供獨(dú)特的圖例，便于工程管理。如，實(shí)際工程若鋪設(shè)5根光纖，并且光纖鋪設(shè)在不同墻面，采取二維示意圖顯示，可以繪制不同的圖例顯示，用以區(qū)別不同墻面鋪設(shè)的不同光纖。
（4）對比查詢：系統(tǒng)提供了由系統(tǒng)操作主界面至應(yīng)變曲線繪制界面的對比查詢方式，用戶可選則從圖到曲線或從曲線到圖的兩種方式進(jìn)行結(jié)果查詢，這樣，工程監(jiān)測的質(zhì)量和效率就大大提高了。
4 工程應(yīng)用實(shí)例
4.1 工程概況
某隧道工程是一湖底隧道，全長約2.56km，其中湖底隧道長約1.66km，為雙向六車道，三箱室結(jié)構(gòu)形式，其中左右兩個(gè)箱式為車行道，中間箱室為凈寬3m的管廊與檢修通道。隧道設(shè)計(jì)寬約32m，凈空高度4.5m，設(shè)計(jì)車速為60km/h。
2002年7月，隧道項(xiàng)目指揮部經(jīng)反復(fù)調(diào)研和論證后，決定采用BOTDR技術(shù)進(jìn)行隧道整體變形監(jiān)測。2002年11月～12月，項(xiàng)目組完成了傳感光纖鋪設(shè)，鋪設(shè)情況如圖4所示，并分階段對隧道變形進(jìn)行監(jiān)測。2003年1月～4月，為施工監(jiān)測階段，2003年5月通車后至9月為常規(guī)監(jiān)測階段。施工監(jiān)測階段主要進(jìn)行由于后期施工對隧道變形的影響以及隧道箱體接縫變形監(jiān)測，監(jiān)測頻率為2天/次。常規(guī)監(jiān)測階段主要進(jìn)行通車條件下隧道穩(wěn)定性監(jiān)測，監(jiān)測頻率3～5次/周。
圖4 某隧道光纖總體平面布置圖
4.2 隧道工程監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)包括施工區(qū)域圖、隧道信息、光纖鋪設(shè)信息、光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)等四大類。這四類數(shù)據(jù)既包含了空間信息數(shù)據(jù)又包含了屬性數(shù)據(jù)，是構(gòu)成系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，又是系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和管理的前提。
（1）施工區(qū)域圖。主要提供隧道基本信息與周邊環(huán)境狀況，用以確定施工地理信息、施工線路等，為繪制隧道二維示意圖提供標(biāo)準(zhǔn)。
（2）隧道信息。主要提供隧道縱剖面、橫剖面信息。橫剖面信息用于了解光纖鋪設(shè)里程和方位，縱剖面信息主要用于掌握具體施工操作面，為準(zhǔn)確繪制隧道二維示意圖做數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
（3）光纖鋪設(shè)信息。主要提供傳感光纖鋪設(shè)信息。擬鋪設(shè)的5條傳感光纖處在隧道南洞、北洞不同的墻面上，每條光纖的實(shí)際鋪設(shè)長度與工程里程必有誤差，通過在鋪設(shè)過程中了解光纖定位信息，為數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
（4）光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)。主要指 BOTDR實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)，這些實(shí)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、閾值設(shè)定等系統(tǒng)轉(zhuǎn)換處理后，將得到精確的隧道不同位置的應(yīng)變信息。
4.2.2 系統(tǒng)工作流程
數(shù)據(jù)管理與分析是該系統(tǒng)的核心組成部分，是得到精確工程監(jiān)測信息的重要組成部分。數(shù)據(jù)管理與分析主要靠以下流程來實(shí)現(xiàn)：
步驟一：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
將BOTDR實(shí)測數(shù)據(jù)以＊.txt文件存放到指定位置，以備數(shù)據(jù)處理調(diào)用。
步驟二：選擇光纖
在5根鋪設(shè)的光纖中，在主操作界面中點(diǎn)擊所需監(jiān)測光纖，即完成所需光纖的選擇，點(diǎn)擊所選光纖時(shí)，與之相對應(yīng)的系列在后臺被調(diào)入。
步驟三：選擇系列
所謂系列，就是不同時(shí)間監(jiān)測的不同光纖的應(yīng)變信息和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)信息。選擇系列操作包括調(diào)入監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，設(shè)置隧道變形閾值等。
步驟四：應(yīng)變分析
進(jìn)行系列選擇之后，選擇繪制曲線，系統(tǒng)即在新窗口繪制出經(jīng)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的隧道整體應(yīng)變分析圖。
除上述主要數(shù)據(jù)管理與分析功能之外，系統(tǒng)還設(shè)置了分段管理與分析的功能，即通過對所需監(jiān)測段進(jìn)行設(shè)置起點(diǎn)、設(shè)置終點(diǎn)操作，進(jìn)行局部數(shù)據(jù)的管理與分析。另外，系統(tǒng)還提供了由圖到曲線（或曲線到圖）的對比查詢方式，選擇圖到曲線（或曲線到圖）的菜單項(xiàng)之后，圖和曲線完美地對應(yīng)起來，并提供了閾值設(shè)定功能，做到自動(dòng)預(yù)警，避免人為干擾。圖5至圖7顯示了系統(tǒng)數(shù)據(jù)與管理功能的操作界面，其中，圖5為數(shù)據(jù)分析界面，圖6為選擇系列界面，圖7為隧道應(yīng)變分析曲線界面。
圖5 數(shù)據(jù)分析界面圖
圖6 選擇系列界面
圖7 隧道應(yīng)變分析曲線界面
5 結(jié)語
綜上所述，應(yīng)用GIS管理分布式光纖監(jiān)測工程可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效管理。GIS以其獨(dú)特的數(shù)據(jù)管理、查詢、檢索、分析模式成為工程管理的首選。它的海量數(shù)據(jù)分層管理、數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化表現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)雙向查詢、面向最終用戶的特點(diǎn)更顯示其理想的工程管理能力。具體的說，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）系統(tǒng)改善了BOTDR原系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)的綜合管理模式，結(jié)果顯示更加清晰直觀。
（2）系統(tǒng)設(shè)置了數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、閾值管理等模塊，監(jiān)測結(jié)果可直接應(yīng)用，避免了人為判別的誤差，提高了工作效率。
（3）系統(tǒng)采用可視化顯示，面向最終用戶，無須對具體工程監(jiān)測人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。
（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與管理、監(jiān)測結(jié)果的可視化顯示、監(jiān)測信息的對比查詢等功能，是一個(gè)集智能化分析與決策化管理為一體的多功能管理系統(tǒng)。
本系統(tǒng)以具體工程為實(shí)例，具有更加科學(xué)、高效、直觀、方便等優(yōu)點(diǎn)，并減少了BOTDR監(jiān)測結(jié)果的后期人為干擾，使得測試結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確，有利于科學(xué)管理和提高效率。
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