任务完成情况自评价
国家科技支撑计划课题
中期检查报告
课题名称：村镇区域综合防灾减灾信息系统研究及示范课题编号：2014BAL05B07
课题承担单位（盖章）：武汉大学
二○一六年七月十五日
课题执行情况统计表
目录
一、课题总体目标及年度计划 1
（一）课题总体目标 (1)
（二）年度计划 (1)
二、课题计划执行总体情况 2
（一）课题任务完成情况 (2)
（二）课题调整情况 (8)
（三）课题预算及执行情况 (8)
（四）课题任务与目标实现的预期 (10)
三、成果及其应用情况12
（一）取得的成果及创新性 (12)
（二）成果应用及已取得或预期的效益 (22)
四、组织管理经验及产学研联合模式与机制33
五、存在问题及建议34
（一）技术研究方面 (34)
（二）课题开展方面 (34)
一、课题总体目标及年度计划
（一）课题总体目标
课题总目标：本课题研究无人机及搭载的光学传感器和激光扫描仪获得的地形、地貌及村镇用地、建筑、交通市政设施等信息的快速提取方法和技术；研究和应用多学科、跨学科的灾害相关理论、方法,并结合地质及工程灾害数据库和案例库,构建山区村镇的地质灾害、地震灾害及洪水灾害的风险评估模型；研究和应用有利于科学防灾减灾的村镇规划理论、方法的科学体系；构建基于3S技术集成的防灾减灾规划支持系统；在选定的实验示范基地，实施和实验所提出和集成的方法、技术、平台，检验整个系统的实际应用效果，验证该系统的可行性和有效性，为该系统的推广应用提供示范，为我国村镇防灾规划提供可行、科学、先进的支持平台和示范案例。
（二）年度计划
项目总计划：
2014年：完成课题整体框架构建，应用软件构架初步完成，数据预处理完成精度测试；发表论文不少于6篇。
2015年：理论模型和初步测试；风险评估模型；原型系统测试，完成无人机数据处理软件设计；发表论文不少于7篇。
2016年：评价模型应用测试,规划支持系统测试，完成无人机数据处理软件系统集成，中国专利1项，申报软件着作权2项，发表论文不少于8篇。
2017年：规划支持系统集成和测试，完成示范区无人机实验，规划成果图集，申报和应用中国专利各1项，申报软件着作权3项，发表论文不少于9篇。
二、课题计划执行总体情况
（一）课题任务完成情况
根据国家自然科学基金项目《村镇区域综合防灾减灾信息系统研究及示范》（2014BAL05B07）的研究计划部署，2014年01月至2016年06月，在项目负责人詹庆明教授的带领下，研究团队顺利完成了工作计划。
1．基于无人机系统平台以及LiDAR技术面向村镇地区的空间数据智能获取技术在研究内容方面：针对项目的总体目标以及各年度的计划，本任务对其进行了合理安排。目前，本任务已研发了海量点云数据组织与实时可视化技术、不同平台激光点云数据配准、激光点云数据自动滤波及高精度DEM生成技术以及部分基于激光点云数据的村镇地物智能提取技术。
完成了低空村镇遥感数据处理软件系统设计；完成了低空村镇遥感数据处理软件系统设开发，实现了多机、多核的两级并行处理算法，并能通过利用GPU实现对影像处理过程的硬件加速；完成了神农架木鱼镇和松柏镇1:2000比例尺低空摄影；完成了神农架木鱼镇和松柏镇野外控制点的测量，并开展了数据处理，全面测试软件系统的功能，提交了相应的DOM成果。
软件研发方面：项目组还对软件的功能、界面等方面进行详细的设计，并且以搭建好了LiDAR数据处理软件的整体框架，实现了：海量点云数据的索引建立和可视化，点云高质量滤波和DEM生成，以及建筑物自动提取和三维重建等。
在成果应用方面：本项目积极将已研究成果应用于各个部门以及不同的领域，如南海区域浅海和岛礁地形模型构建、烟台黄海区域海岸带滑坡坡体检测、成都市附近考古、南方电网电力走廊地形构建等等，在经济和社会效益方面取得了重要的作用。
2．村镇灾害风险评价模型
课题基本内容已完成70%，整体完成情况较好，2014年至2016年上半年课题任务完成如下：
（1）建立了村镇自然灾害等级识别及危险性的模糊综合评价模型，实现了对滑坡、泥石流等灾害的危险等级识别以及危险性评价；
（2）建立了村镇灾害等级的灰色神经网络预测模型，实现了对示范区内泥石流灾害等级的预测；
（3）完成了对单体滑坡的村镇建筑工程及设施抗灾能力的评价模型，对于泥石流灾害的抗灾能力评价模型仍在建立过程中；
（4）构建“村镇单体滑坡、泥石流灾害风险等级模糊综合评价模型”，对神农架林区多个滑坡、泥石流进行了灾害等级评价、危险性评价、易损性评价及风险评价；
（5）基于神农架历年降雨实测资料，利用可靠度理论和耿贝尔模型，对神农架的多个单体滑坡进行渗流场模拟和年发生概率进行了预测；
（6）完成示范区地质灾害易发性分区图；
（7）结合示范区实际调查情况、总结国内外专家研究成果，提出了示范区地震灾害损失预测模型，将地震灾害损失预测分为“地震确定”和“地震不确定”两种情况，并确定了两种情况下的计算方法，通过VisualStudio2010系统开发平台进行了示范区地震灾害损失预测系统的开发；
（8）结合地震灾害损失预测结果，借鉴国内外有关地震灾害评估的有关研究，地震灾害评估模型的构建已经基本完成；
（9）完成村镇地区山洪和地质灾害的多灾种综合风险评估及基于云模型的村镇山洪承灾能力评价，村镇承灾体脆弱性评价已基本完成。
3．村镇防灾规划方法及评价
从项目启动至今，项目具体任务完成情况如下：
2014年度，已完成国内外村镇综合防灾理论及案例的文献资料阅读和整理，搜集示范区防灾减灾相关的基础资料；已完成村镇综合防灾规划的理论研究，构建“村镇防灾规划方法及评价”的整体研究框架；已完成理论研究中产生灾害的影响因素（地震、洪水、地质灾害）及灾害影响特征研究。
2015年度，已完成理论研究中县域、镇域、村镇三个层级，防灾空间等级结构、疏散交通网络、避难场所设施系统（应急避难、医疗、场所、物资保障）、生命线系统（供水、电、通讯等）、防灾分区等多个方面的防灾避难体系研究；已完成理论研究中村镇防灾避难公共空间的类型、防灾避难系统形态、防灾避难疏散通道形态、防灾避难场所空间形态等村镇防灾避难公共空间的形态研究；已初步建立村镇综合防灾减灾规划评价框架及评估思路，如下图；已完成示范区（神农架林区木鱼镇）的现场调研和基础资料搜集。
图1镇综合防灾减灾规划评价框架及评估思路图
2016年度，正在开展以神农架林区木鱼镇为示范区的示范应用准备工作，以及村镇综合防灾减灾规划评价系统的建立与测试。
4.村镇综合防灾减灾规划支持系统
到目前为止项目组已完成：
（1）构建了示范区基础空间信息数据库。示范区为神农架林区，数据库内容涵盖神农架林区地质灾害分布情况、地形地貌地质信息、村镇建设基本情况，以及重点研究区域松柏镇和木鱼镇的详细信息。
（2）搜集了全球范围内2229个相关案例。其中根据全国地质灾害通报和相关新闻检索的侧重于灾害救援的案例共250例、从美国国家海洋和大气管理局(NOAA)获取的地震数据库中案例共1257例、EM-DAT获取的欧美和中国灾害案例共502例、神农架本地地质灾害案例共220例。
（3）开展了村镇防灾减灾规划方法与策略研究，如基于地质灾害时空分布的村镇防灾规划方法及策略研究，已完成地质灾害空间自相关研究、影响地质灾害的自然要素和人为要素指标体系研究、人为建设活动对地质灾害影响程度的量化研究。其他相关研究还包括基于Logistic回归的神农架林区崩滑流灾害风险评价研究；基于GIS 技术的松柏镇滑坡灾害点影响范围研究；以重点区域木鱼镇为研究区基于自然灾害风险分析的山地城市避难场所研究。
（4）完成了村镇区域防灾减灾规划支持系统的框架构建、系统界面与主要功能设计，并开发了规划支持系统基础版本，此版本已具备ArcGIS系统的基本操作功能。
5.应用示范
（1）已开展的研究开发活动
从项目启动至今，项目具体任务完成情况如下：
1）2015年5月，完成了神农架示范基地初次调研及数据收集，主要涉及神农架林区的相关规划成果及基础地理数据，如下表所示：
表1神农架林区规划成果汇总列表
表2神农架林区基础地理信息汇总列表
2）2015年10月，前往湖北省基础地理信息中心、湖北省测绘成果档案馆进行调研，并收集“数字神农架”及其相关数据，如下图所示；
图2松柏镇三维模型数据（“数字神农架”）
3）2016年1月，前往武汉市规划研究院进行调研，了解神农架林区相关规划背景，并收集相关数据；
4）2016年6月，在神农架林区政府的支持下，顺利召开课题的“示范启动会”，确定示范基地为松柏镇，并完成了研究基地的数据收集及调研。
图3课题组召开神农架林区示范启动会
本课题年度任务完成情况如下表所示：
表32014-2016年度任务完成情况表
（2）示范基地情况
课题选择松柏镇作为示范应用案例。
经过多次的现场及相关单位调研，目前已基本完成松柏镇的数据收集，初步建立基础信息数据库，主要信息如下所示。
松柏镇防灾规划编制工作正在进行中。
年度
年度任务
完成情况
2014年度
国内外案例研究及示范区调研
（1）美国联邦应急管理部（FEMA ）的HAZUS-MH 项目案例研究
（2）示范区概况资料收集及初步调研 2015年度 示范区基础信息系统数据库初步构建和初步开发
（1）完成林区相关规划成果数据库的收集 （2）完成林区基础地理信息的收集
2016年度
示范区示范应用准备及初步防灾规划示范应用
（1）以神农架松柏镇为例，确定示范应用
（2）基本完成松柏镇的数据收集 （3）松柏镇防灾规划示范应用概念规划进行中
表4松柏镇示范应用基础数据库构成
19
区
建
设
规
划
规划说明书word 2014
20 规划图册JPG 2014
图4松柏镇示范应用数据收集范围
（二）课题调整情况
村镇建筑工程及设施抗灾能力模糊综合评价模型中：建筑设施抗灾能力评价模型、多灾种联合作用的风险评估；滑坡、泥石流多灾种风险评价模型中：降雨条件下室内滑坡、泥石流灾变演化的模型试验，上述2项内容将调整至2016年下半年度完成。
其他课题的课题任务与目标、计划安排未进行调整。
（三）课题预算及执行情况
本课题总预算628万元，其中支撑计划拨款628万元。目前累计到位557.40万元，按照武汉大学有关科技支撑计划专项经费管理相关规章制度，已执行预算146.96万元。具体支出明细如下：
表5本课题支出明细表
行号科目
预算批复数累计支出结余
专项经
费
自
筹
经
费
合计
专项经
费
自
筹
经
费
合计
专项经
费
自
筹
经
费
合计
1 经费支出
合计
628.00 628.00 146.96 146.96 481.04 481.04
2 （一）直529.75 529.75 81.97 81.97 447.78 447.78
（四）课题任务与目标实现的预期
1．基于无人机系统平台以及LiDAR技术面向村镇地区的空间数据智能获取技术
在研究内容方面，课题组已完成了海量点云数据管理和可视化、点云高质量滤波和DEM生成，在基于激光点云数据的村镇地物智能提取技术方面已完成了建筑物的自动提取，在植被、道路提取方面已进行相关资料的查找以及代码的实现，预计2016年能够完成。
在成果发表方面，由于审稿周期过长，课题组文章大部分处于审稿阶段，下一步要注意此方面情况。
在软件开发方面，软件的框架已经搭建完成，基本功能已实现。在主题功能方面，滤波、建筑物提取已集成，下一步把重点工作放在植被、道路的实现，以及软件的测试、完善和维护上。
目前项目已根据课题的任务与目标，提前完成了无人机影像采集各项年度计划任务，并且已完成了低空遥感数据软件平台的构建和软件的研制。经初步测试与验证，平台和软件性能基本均能满足立项申请书各项技术指标。因此本子课题能够如期完成课题规定的任务与目标。
2．村镇灾害风险评价模型
建立先聚类后识别的灾害等级评估方法体系，为村镇综合风险评价提供依据。根据不同自然灾害的特点，以灾度为目标建立BP神经网络模型，对灾害等级进行预评估，为村镇规划综合风险评价提供前瞻性的依据。
构建村镇规划综合风险评价指标体系，并利用模糊层次分析法，对规划城镇的风险等级进行评价，根据规划村镇的特点，结合小城镇防灾减灾中出现的问题，借鉴城市防灾减灾的法律法规和方法措施，参考小城镇规划中的一些防灾减灾要点，进行单一灾害以及多种灾害联合作用的风险评估，为灾害风险防范提供依据。
建立村镇规划的灾害预警系统，根据该系统的预警值，为规划选址中规避风险等级高的区域进行村镇建设提供依据。
3．村镇防灾规划方法及评价
本子课题均严格按照研究计划执行，依据目前的课题研究进展，课题投入及组织管理情况，本子课题能够完成预定的目标任务。
4.村镇综合防灾减灾规划支持系统
本子课题均严格按照研究计划执行，依据目前的课题研究进展，课题投入及组织管理情况，本子课题能够完成预定的目标任务。
5.应用示范
本子课题均严格按照研究计划执行，依据目前的课题研究进展，课题投入及组织管理情况，本子课题能够完成预定的目标任务。
三、成果及其应用情况
（一）取得的成果及创新性
1.创新性成果
（1）基于无人机系统平台以及LiDAR技术面向村镇地区的空间数据智能获取技术
1）机载激光点云自动化滤波及其高质量DEM生成方法
点云滤波一直以来是点云处理中的一个热点问题。目前，滤波算法有数学形态学滤波、渐进三角网、基于坡度滤波、点云分割滤波等，但存在许多问题，如：算法适应性较差，不能满足实际生产中变化复杂的场景；对于断裂地形的提取误差大，难以保持地形的完整性，影响高质量DEM的自动生成，需要大量的后续人工编辑。据此，课题组提出多方法集成方案，将点云分割滤波方法和数学形态学滤波方法融合，采用多种实体模式进行滤波处理，继承两者保持地形特征的优势，并形成互补之势，弥补两种方法的不足之处。点云分割滤波方法能够提取大型建筑物，消弱了数学形态学中大窗口的cut-off现象，数学形态学方法弥补了点云分割滤波方法的区域适应性问题。由此，两种方法的融合，可以适合于城区、山区以及混合地形区域，且能够保持地形特征。经过ISPRS样例数据的测试，并与国内外其他滤波方法比较，本方法在技术指标上达到先进水平。
2）基于形态学尺度空间的建筑物点云提取
三维建筑物信息在城市规划与管理、移动通信、灾害应急与评估、环境模拟、车辆导航等方面具有重要作用。已有许多学者研究从LIDAR点云中提取建筑物，但不同场景下建筑物的稳定提取依然困难。为提高建筑物与其他地物在机载激光点云中的区分能力，提出了一种基于形态学尺度空间的建筑物点云自动层次提取方法。首先，在点云滤波后，从非地面点云中提取建筑物候选区域；然后，通过形态学重建和点云平面分割方法对建筑物候选区域构建多尺度空间，并建立目标区域的拓扑关系图；最后，在拓扑关系图基础上，利用5种特征量对目标区域分类以提取建筑物点云。为了测试算法的性能，将算法提交ISPRS评估，并与其他算法比较，如下图所示。从评估结果可以看出，本课题组提出的算法（简称WHU_YD）对场景的适应性最强，且在同类方法中总体水平最好。
图5Vaihingen测试集评估结果
图6Toronto测试集评估结果
3）海量点云数据组织与实时可视化技术
激光点云数据具有数据量大的特点，如何有效的组织、管理海量点云数据，并进行高效快速的可视化，是一个重要问题。本文首先使用八叉树，对点云进行空间划分，生成索引缓存，并构建LOD树。生成索引缓存后，依据点云数据的空间组成结构与位置关系，构建LOD索引树。然后使用OpenGL技术对点云进行显示。利用建立索引阶段生成的LOD索引树，在内存中构建场LOD树。使用多线程技术与Out-Of-Core内外存调度，记录当前视点的位置，并使用后台线程预加载进入视口的点云缓存。当已加载的点云远离视口后，同样使用后台线程对其进行卸载，这样可以保证内存中只加载当前需要浏览的点云数据，从而实现海量点云数据的组织和快速可视化。
3）无人机影像并行处理技术
低空村镇遥感数据处理软件系统在计算机高速联网的支撑下，通过最优化理论和多级优化算法，对任务队列进行高效合理的自动管理与分配，并进一步利用GPU实现对影像处理过程的硬件加速，实现持续或者近似100%地利用所有计算机、所有CPU
和所有GPU，从而使生产效率最大化。
4）无人机影像智能匹配技术
为了实现自动化快速处理，必须研究能够自动跨越无法成功匹配像对的智能匹配技术。该技术在有导航或POS数据的情况下，它在导航数据或POS数据的引导下恢复飞行航线指导特征匹配，如果没有导航或POS数据，则利用特征匹配算法、RANSAC
以及几何约束条件进行匹配与像对鉴别处理。特征匹配完成后，构建测区初始的自由网，然后进行灰度相关与最小二乘匹配，为高精度区域网平差提供可靠的像点观测数据，并构建稳定的区域自由网。
（2）村镇灾害风险评价模型
1）在滑坡、泥石流灾变模型研究中，为了获得边坡体抗剪强度参数，提出了及成功制作出一种可适应自由剪切变形的活动板叠环剪切仪；
2）将模糊综合评价法与平面坐标相结合，提出一种新的泥石流风险评价法：模糊坐标法；
3）将基于信息熵的模糊评价法引入滑坡的危险评价中，建立了信息熵的模糊综评价模型，完成了对神农架林区典型滑坡的危险性评价工作；
4）将滑坡破坏概率与极值降雨时间概率分析相结合，得到单体滑坡失稳的年概率；
5）建立了基于模糊综合评价法和AHP-Entropy的区域地质灾害易发性评价模型，完成了对神农架林区区域滑坡灾害的易发性评价。
6）提出了地震灾害损失预测模型，将地震灾害损失预测分为“地震确定”和“地震不确定”两种情况，通过“地震确定”时的地震灾害损失预测模型可以计算任意地震强度下地震造成的财产损失和人员死亡情况；通过“地震不确定”时的地震灾害损失预测模型可以计算未来50年内地震灾害造成的财产损失和人员死亡的期望值。在VisualStudio2010平台上，采用C#语言，并调用ArcGISEngine10.0部分组件进行地震灾害损失预测系统的初步开发工作。
7）完善了我国山洪灾害风险评估以及预测在空间尺度上的进一步研究，以往对山洪的研究往往评价单元到县市，对神农架林区山洪的研究将其细化到村镇，对山洪灾害风险评价单元的确定和选取提供了参考。
（3）村镇防灾规划方法及评价
通过对所有造成灾害的影响因子进行梳理和分析，确立不同影响因子的权重，从而建立村镇灾害危害评估框架及评估系统，为村镇空间防灾规划和防灾支持系统的研究提供有力的数据支撑。
（4）村镇综合防灾减灾规划支持系统
1）利用3S技术，为示范区建立了基于ArcGIS平台针对地质灾害防治的基础空间信息数据库。数据内容详实，除了应用于地质灾害相关研究外，还可应用于灾害防治规划决策制定及方案生成等领域，是具有极高实用性的地质灾害防治专项数据库，在国内相关领域鲜见。
2）根据相关研究，确定了针对每类灾害的不同的具体入库内容，全国地质灾害通报和相关新闻检索的侧重于灾害救援的案例共250例、从美国国家海洋和大气管理局(NOAA)获取的地震数据库中案例共1302例（包括大陆565例，台湾91例，日本395例，美国251例）、EM-DAT获取的欧美和中国灾害案例共1056例、神农架本地地质灾害案例共220例。项目组构建的历史灾害案例库在国内村镇地质灾害案例搜集工作中
灾害属性较为全面，国外灾害案例搜集工作中涉及灾种较为多样化,通过案例检索借鉴同类型相似度较高的历史灾害案例发生时的救援措施，为当前灾时救援提出指导性建议。
3）村镇防灾减灾规划方法与策略研究方面：①基于地质灾害时空分布的村镇防灾规划方法及策略研究方面，对地质灾害防治研究，不仅从山体高程、坡度等自然要素层面去分析，而且考虑人为建设活动对地质灾害的影响性。还考虑了地质灾害发生空间位置特征，并采用空间自相关多元回归模型来量化灾害的影响；②基于Logistic 回归的神农架林区崩滑流灾害风险评价研究以示范区基础空间信息数据库为研究基础，得到区域崩滑流灾害风险评价结果及重点区域滑坡灾害点具体影响范围，该结果可作为区域规划方案生成和策略制定的重要依据；③基于GIS技术的松柏镇滑坡灾害点影响范围研究，系统地总结滑坡灾害的研究历史及发展情况，收集多种滑距预测方法，分析各方法的优缺点及适用范围，在结合松柏镇滑坡现状的情况下，提出基于GIS 技术的松柏镇滑坡灾害点影响范围确定方案；④以重点区域木鱼镇为研究区基于自然灾害风险分析的山地城市避难场所研究采用了定性与定量结合方法、GIS空间分析方法、信息量模型方法等以数据驱动的研究方法，较以往城乡规划中多以定性方法为主导的防灾减灾专项规划研究有较大的不同，前者更具客观性和科学性⑤以重点区域松柏镇为研究区进行基于工程系统规划方法的村镇生命线系统灾损敏感性评价，对道路、电力、通讯、给水、燃气、排水六大生命性系统进行单功能灾损敏感性和综合灾损敏感性分析，采用定量分析，GIS空间分析的研究方法，弥补了国内村镇地区对生命线系统规划方面的空白，提供良好的规划基础。
4）项目组当前正在开展的重点任务之一在于构建支撑村镇区域防灾减灾规划的支持系统，已构建系统的基础版本，未来将实现多源数据融合、开发地质灾害风险模型与规划模型等，完善系统。
2.成果的意义与作用
（1）基于无人机系统平台以及LiDAR技术面向村镇地区的空间数据智能获取技术
本课题研究成果已应用多个部门和不同的领域，如南海区域浅海和岛礁地形模型构建、烟台黄海区域海岸带滑坡坡体检测、成都市附近考古、南方电网电力走廊地形构建等等，在经济和社会效益方面取得了重要的作用。
（2）村镇灾害风险评价模型
1）可适应自由剪切变形的活动板叠环剪切仪采用了适应自由剪切变形的活动板剪切框，在剪切试验过程中，最大限度的减小了叠环对土体的约束作用，可适应土体的自由剪切变形；从功能上实现了单剪模式；竖向加载单元可提供常位移、常刚度、常应力三种法向边界条件，使得剪切试验的试验条件更加符合边坡变形实际工况；
2）模糊坐标法方法继承了模糊综合评价法对多因素、多层次的复杂问题评价效果好的特点，并利用平面坐标的二维属性使得评价结果能同时表现泥石流的危险度及易损度。该方法既能反映风险的大小，又能表现某个泥石流风险的具体特点，可为防灾减灾的决策提供更详细的信息；
3）采用信息熵法确定评价因子权重，能较好地考虑因子之间的相互影响和联系，同时削弱异常数据对评价结果的影响。将基于信息熵的模糊综合评价模型应用于实际滑坡危险性评价中，避免了主观因素的影响，赋值结果更为客观、合理，从而使得模糊综合评价的结果也符合实际情况，为滑坡危险性等级的划分提供依据，并指导防灾减灾工作的进行；
4）滑坡失稳概率不仅要考虑空间概率还要考虑时间概率。通过分析一定时间内极值降雨事件出现的概率，以及此极值降雨条件诱发滑坡失稳的概率，将滑坡破坏概率与极值降雨时间概率分析相结合，可以得到滑坡失稳的概率。从而解答“某段时间内某区域的滑坡有多大概率爆发”的问题；
5）本课题提出以模糊综合评价法为基础，根据灾害发生几率为依据分别对评价因子进行状态分级、采用考虑评价单元地理位置和评价因子的数据类型的
AHP-Entropy法进行权重分配，不仅解决了才用单一的熵值法不能考虑决策者意志及偏好和对离散型数据赋权精度不高的缺点，其计算结果精度较高，为村镇灾害预警及规划提供了的重要参考依据；
6）利用该系统可以对神农架林区地震灾害造成的财产损失和人员死亡情况进行预测，为制定合理的救灾策略、规划可行的救灾方案和进行灾害发生时救灾物质的分配提供依据。为后续的地震灾害评估提供数据支持。