VRML即虚拟现实造型语言,是一种三维网络图形标准,能够通过文本性的描述创建三维虚拟场景(ISO/IEC 14772-1,1997)。基于VRML的WebGIS利用VRML文件存储三维地理信息,支持 VRML 格式的传输和显示,使三维WebGIS得以实现,相对二维 WebGIS系统能够更生动逼真地展现地形的地理特点,使用户对地形地貌有更加直观的认识。但由于VRML标准本身的缺陷,如属性过多难以表达,与其它应用集成困难,稳定性差等问题,此外由于GIS系统对异构数据库集成、空间数据的共享和互操作要求较高(张康聪,2003),而VRML对异构数据库、异构平台的分布式地理信息系统的支持,对各种地理数据的分布式计算环境以及数据库管理技术的支持有很大局限性,不利于实现地理空间信息的共享和互操作,因此VRML严重阻碍了交互式三维图形技术Web方式的大规模应用,也影响高性能交互式三维GIS系统的开发。

X3D是新一代三维网络图形标准,它定义了描述基于 Web的交互式三维实体的格式。利用X3D灵活的扩展能力可实现与GeoVRML的扩展和对三维地理数据的编码(唐中实等,2003; 宋蔚等,2005)。

基于X3D的三维 WebGIS模型如图1所示。用户界面层由支持X3D的浏览器组成,它为终端用户远程资源访问提供了统一的接口,主要完成用户提出操作请求和结果显示的任务,能够显示X3D格式的三维地理图形; 数据库服务层由各种不同格式的数据库资源组成,其中三维地理图形以X3D标准支持的XML格式存放,相关的属性信息则存放在相应关系数据库或HTML、XML文档中; 应用服务层是整个系统中间的一层,引入的虚拟空间数据库管理系统对不同来源的GIS数据进行合并、集成,再统一为XML格式,并以此格式传输数据,相对于基于VRML的三维WebGIS能更好地满足WebGIS对异构数据库集成、空间数据的共享及互操作的要求。

图1 基于X3D的三维WebGIS模型

在城市地震灾害防御中,三维虚拟WebGIS是有效表达、处理和分析地理数据的技术,它为我们提供一种快速展示地理信息和分布处理的平台。运用GIS具有的数据采集和提取、属性设计与编辑、数据集成、数据的重构与转换、查询与检索、空间操作与分析、空间现实与成果输出、数据更新等功能,可以把所需的地震数据、用于地震灾害评价的空间分析模型、评价结果用图层的形式显示或者以报表、表格的形式输出,提供地震灾害管理和决策的依据。

J2EE是美国SUN公司推出的建立大型企业级应用的体系标准,目前已获得广泛应用。鉴于Java语言具有稳定、安全、跨平台等诸多优点,笔者认为建立基于J2EE体系的防震减灾系统(图2)是可行的。系统采用标准的三层架构,从上至下依次为数据表示层、应用逻辑层、数据服务层。

图2 基于J2EE体系的防震减灾系统架构

三维WebGIS以空间数据为基础,空间数据具有多源性、多语义性、多时空性、多尺度和数据手段获取的复杂性等特点。数据库由各种不同格式的数据库资源组成,如X3D、XML、甚至是HTML格式的 WWW 网页,以及 Oracle、SQL Server、DB2、Sybase 等其它一些数据库。在设计防震减灾系统时,引入GML(Geography Markup Language)这一结构化信息交换的表示方法来描述数据,以实现异构数据间的互访。GML是一种全新的使用XML编码地理空间信息的强有力方法,采用简单、灵活的标准化格式来表达和在系统间交换数据(宋扬等,2004)。GML继承XML文档特性,封装地理信息及其属性,不受平台、语言等的限制,既为GIS的开发定义了规范标准,也为三维WebGIS数据模型的设计提供了基础,更为三维WebGIS的数据共享和互操作性提供现实可行的途径。

三维虚拟防震减灾系统是一个分布式、空间型的防震减灾信息和辅助决策支持系统,该系统以GIS技术为支撑,结合虚拟仿真技术,以防震减灾工作中的各类地理信息为依托,集数据的管理、查询、分布、表达为一体,实现信息查询、灾害预测和应急反应等功能。

(1)数据查询与维护:包括人口数据管理、经济数据管理、建筑物(单体建筑物、群体建筑物)管理和生命线系统(供水、电力、输气、输油、道路、通讯等系统)管理模块。这些模块为远程Web数据管理及动态更新提供基础工具,各模块均具有数据查询、更新、保存等功能。

(2)地震背景信息:包括地震构造背景,地震动参数分区,地震活动性分析等模块。各模块可进行各种地震地质构造背景三维立体显示和信息查询。例如,地震地质构造背景由区域地层分布、断裂构造分布以及历史破坏性地震分布等多部分组成; 地震动参数分区给出区域范围内的第4代地震动区划图中峰值加速度以及场地特征周期的分布图; 地震活动性分析模块给出了区域范围内历史和现今破坏性地震以及近代记录地震的分布特征。三维立体界面为用户提供一目了然的地震地质构造信息及地震分布信息,为分析研究区域地震构造背景及地震活动性提供充分的资料。

(3)震害预测模块:包括建筑物、特殊设备和生命线系统等的震害,每个子模块都包含多个相应的信息图层,其信息量极为丰富。服务器根据地震危险性分析和目标物(建筑物、生命线系统等)易损性分析结果,以及地震台网观测或设定地震给出的震级、震中位置等参数,使用GIS的图层叠加、分析功能,进行灾害的预测计算,快速分析出震害损失大小,并进行震害预测图库的更新、转换和各种图件的组织、发布等工作。客户端的各级用户可以查询震害预测的结果,并可进行多种功能的数据综合分析。

(4)应急反应信息管理:包括医疗单位、安置场所、次生灾害源、公安派出所、各消防中队及其责任分区、重点保护单位等,并提供震后应急反应工作相关信息的快速查询。例如,可查询安置场所的地点分布及场所规模、震害等属性,以便选择或调整震后受灾人员的疏散方案; 可以了解各生命线系统抢修分区、消防责任分区安排; 还可以通过WebGIS分析获取两点间的最佳路径,以便及时赶至救灾地点,获得最佳救灾效果。