基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的研究

1、文章編號:10045716(2006 06028303中圖分類號:X4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B基于GIS 的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的研究楊起明, 廖化榮, 黃顯藝(中山大學(xué)地球科學(xué)系, 廣東廣州510275摘要:將GIS 技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的空間信息管理、分析和預(yù)測評價, 設(shè)計了一套地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫, 通過地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度的權(quán)重值分析, 結(jié)合專家打分模型, 建立了一種專題型的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GHIS , 將地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢劃分為四個級別, 用以評價地質(zhì)災(zāi)害的危險程度和易發(fā)程度。關(guān)鍵詞:地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng); 專家打分模型; GIS近來, 各種地質(zhì)災(zāi)害對我國危害程度日益加重, 地質(zhì)災(zāi)害造成的損失逐年增加,

2、據(jù)國土資源部政策法規(guī)司等不完全統(tǒng)計(2000 , 近年來由于崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害每年造成的損失上百億元, 水土流失、土地沙漠化、鹽堿化、潛育化造成的損失每年達(dá)200巖溶塌陷和地下采空造成的損失超過5億元, 降已在全國平原區(qū)的46地質(zhì)災(zāi)害, , 脅, 對城鄉(xiāng)和區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生危害的各類地質(zhì)作用和現(xiàn)象。如:地震、火山、活斷層、地裂縫、滑坡、崩塌、泥石流、風(fēng)沙、融凍、土體脹縮、黃土濕陷、巖石風(fēng)化、土壤鹽漬化、高地壓、瓦斯氣體突出、巖爆、巖溶塌陷、井巷突水、礦山冒陷、地面沉降等。地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)(Geological Hazard Information System 是應(yīng)用GIS 技術(shù)以解決地質(zhì)災(zāi)害信

3、息處理相關(guān)技術(shù)問題的專題應(yīng)用型信息系統(tǒng), 該系統(tǒng)從空間數(shù)據(jù)信息的有效獲取、儲存、查詢、和處理入手, 提供災(zāi)情動態(tài)和實時環(huán)境評價、危險性區(qū)劃等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息成果, 為有關(guān)政府部門提供決策服務(wù)。將GIS 技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的空間信息管理、分析和預(yù)測評價, 通過地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和模型分析, 結(jié)合專家打分, 建立一種專題型的應(yīng)用地理信息系統(tǒng), 用來評價地質(zhì)災(zāi)害的危險程度和易發(fā)程度。1地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1. 1國外運用GIS 技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的研究國外尤其發(fā)達(dá)國家, 對GIS 應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究已做了很多工作13。根據(jù)現(xiàn)有資料, 將GIS 應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究, 最早是美國加利福尼亞

4、Menlo Park 地調(diào)局的Earl E. Brabb 在1986年應(yīng)用GIS 技術(shù)對加利福尼亞San Mateo 地區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害研究。1987年美國的Wentworth Carth M. 和Ellen Stephen D. 等用GIS 對區(qū)域工程地質(zhì)作進(jìn)一步分析。1989年美國的FinneyMichael A. 和BainNancy R. 運用GIS 技術(shù)分析滑坡災(zāi)害。1990年印度Roorkee 大學(xué)地球科學(xué)系的R. P. GU PTA 等用GIS 方法對喜馬拉雅山麓的Ramganga Catchment 地區(qū)進(jìn)行滑坡災(zāi)害危險性分帶。同年, 荷蘭ITC 的Van Westen C.

5、J. 和哥倫比亞IGAC 的Alzate Bonilla J. B. 在山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分析中, 利用GIS的空間定位、空間數(shù)據(jù)庫管理以及數(shù)字高程模型(DEM , 開發(fā)了斜坡穩(wěn)定性分析模型、山區(qū)落石滾落速率計算模型。1991年美國的Campbell Russell H. 等利用GIS 。同年A. 等將研究進(jìn)一步推向, 。C. F. 和Fabbri A. G. 等將GIS 應(yīng)用于。同年, 美國的Emir Jose.Macari 等利用GIS 對西Puer to Rico 地區(qū)進(jìn)行了砂土液化研究。1994年美國科羅拉多州立大學(xué)的MARIO M E J IANAVARRO和ELL EN E. WO HL

6、 在哥倫比亞的麥德林地區(qū), 用GIS 進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害和風(fēng)險評估并進(jìn)行災(zāi)害分區(qū)。1995年美國的DAN IEL J.MILL ER 利用GIS 中的DEM , 模擬出滑動面位置和形態(tài); 利用數(shù)字地面模型(D TM , 勾繪出山脊與溝谷界線, 并輔助于切剖面, 從而對深層滑坡災(zāi)害進(jìn)行評價。1996年美國的MARIOM E J IANAVARRO 等運用GIS 及工程數(shù)學(xué)模型建立了自然災(zāi)害及風(fēng)險評估的決策支持系統(tǒng), 并應(yīng)用在克羅拉多州的G lenwoodSprings 地區(qū)。1997年加拿大的TREVOR J. DAVIS 和C. PE 2TER KELL ER 用基于GIS 的模糊分類方法及可視化技

7、術(shù), 虛擬真實再現(xiàn)斜坡形態(tài)。1. 2國內(nèi)GIS 技術(shù)的應(yīng)用與地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的研究國內(nèi)應(yīng)用GIS 技術(shù)開展地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害評價工作起步較晚, 研究程度較低, 但發(fā)展很快13。姜云、王蘭生(1994 在山區(qū)城市地面巖體穩(wěn)定性管理與控制中應(yīng)用了GIS , 以重慶市為典型研究對象, 對地面巖體變形破壞進(jìn)行了時空預(yù)測預(yù)報。雷明堂、蔣小珍等運用GIS 技術(shù)于巖溶塌陷評價中, 根據(jù)塌陷影響因素(如巖溶化程度、斷裂分布、土層厚度、水動力條件及已有塌陷分布 , 利用GIS 的距離分析、標(biāo)量分析、網(wǎng)格疊加分析、分級分組分析等功能, 完成研究區(qū)塌陷危險性評價及分區(qū)。胡成、陳植華等采用模糊層次綜合預(yù)測法, 建立了巖溶

8、塌陷模型, 并通過接口程序與GIS 技術(shù)有機結(jié)合, 對桂林西城區(qū)巖溶塌陷進(jìn)行了定量評價。鄭世書、孫亞軍等將GIS 技術(shù)用于煤礦地下開采工作面涌水預(yù)測及礦區(qū)巖溶水害預(yù)測。曹中初、孫蘇南在煤礦底板突水危險性預(yù)測中也應(yīng)用GIS 了技術(shù)。江東等將遙感RS 與GIS 集成起來, 其中,RS 主要用于確定地質(zhì)災(zāi)害或其影響因素的空間分布與發(fā)育程度, 而GIS 則主要對遙感資料、勘探資料、統(tǒng)計資料等進(jìn)行復(fù)合分析和管理, 構(gòu)建災(zāi)害模型, 從而最終實現(xiàn)對煤礦地總第122期2006年第6期西部探礦工程WEST -CHINA EXPLORA TION EN GIN EERIN G series No. 122J un

9、. 2006質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和評價。在砂土液化方面。南京大學(xué)地球環(huán)境計算工程研究所張凌、施斌等運用桌面GIS 系統(tǒng)Map Info 對蘇北某高速公路地段進(jìn)行了液化分析, 得出了各種程度的液化危害性分布圖。原地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所在“八五”期間承擔(dān)的國家攻關(guān)項目專題研究“京津唐地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測防治計算機輔助決策系統(tǒng)”, 獲得了國家“八五”重大科技成果獎。1997年, 成都理工學(xué)院“地質(zhì)災(zāi)害防治與工程地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家專業(yè)實驗室”承擔(dān)的“山區(qū)小流域地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的GIS 系統(tǒng)”項目, 在貴州印江河、金沙江流域某工程近壩區(qū)開展了預(yù)測應(yīng)用。國土資源部于1998年底展開新一輪的國土資源調(diào)查與評價

10、的科學(xué)技術(shù)實驗工作也應(yīng)用GIS 技術(shù)進(jìn)行“地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)及防治決策支持系統(tǒng)”專項開發(fā)的試驗研究。中國科學(xué)院和中國礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合利用GIS 軟件的空間分析原理, 在山東肥城國家莊煤礦建立煤礦底板突水預(yù)測模型, 利用該模型劃分出區(qū)內(nèi)突水危險區(qū)、可能突水區(qū)、較安全區(qū)、安全區(qū)的實際分布范圍, 從而準(zhǔn)確地反映了煤礦底板突水的基本規(guī)律。桂林市以GIS 為開發(fā)平臺, 建立了“桂林市巖溶塌陷信息管理系統(tǒng)”。2地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)(GHIS 設(shè)計2. 1系統(tǒng)分析GHIS 的支持下, 實際需要, 應(yīng)著重如下方面:首先, 就研究對象而言, 要求以實際分析所需要的主要信息項目為主, 盡量避免大而全。對本系統(tǒng), 把信息的表

11、達(dá)集中在與地質(zhì)災(zāi)害直接相關(guān)的內(nèi)容上, 如地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢與預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與人類活動關(guān)系等相關(guān)屬性方面, 而對地理地貌、人文狀況等內(nèi)容僅作一般性的反映, 作為系統(tǒng)應(yīng)用分析的背景或次要要素的信息。其次, 系統(tǒng)用戶的定位問題。本系統(tǒng)面向從事地質(zhì)災(zāi)害研究的生產(chǎn)實踐的部門, 同時為相關(guān)政府部門提供決策服務(wù), 用戶主要為第一線的專業(yè)技術(shù)人員或管理人員, 而非面對以科學(xué)研究為目的的高層次技術(shù)人才。第三, 了解可調(diào)查數(shù)據(jù)(特別是地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù) 的可靠程度, 通過調(diào)查用戶的需求, 進(jìn)一步評估數(shù)據(jù)的可靠度。最后, 技術(shù)支持程度。評估本部門的開發(fā)實力, 到底能做到什么程度, 能否滿足系統(tǒng)用戶的

12、要求。2. 1. 1系統(tǒng)功能地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)作為一種專題型的應(yīng)用地理信息系統(tǒng), 概況起來有以下主要功能:(1 數(shù)據(jù)信息的輸入與輸出:GHIS 系統(tǒng)應(yīng)提供多種形式的數(shù)據(jù)信息輸入與輸出功能; 輸入方式應(yīng)有掃描矢量化輸入、數(shù)字化儀輸入、鍵盤輸入、鼠標(biāo)輸入及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換輸入等多種途徑, 提供打印輸出、存盤輸出、圖形裁剪輸出、其它圖形格式轉(zhuǎn)換輸出;(2 數(shù)據(jù)信息的編輯:GHIS 系統(tǒng)應(yīng)提供空間數(shù)據(jù)(點、線、面 及其屬性的編輯, 并能進(jìn)行拓?fù)涮幚? 便于空間分析;(3 數(shù)據(jù)信息的瀏覽:GHIS 系統(tǒng)應(yīng)提供圖形數(shù)據(jù)縮放顯示和圖形漫游功能和圖元外掛屬性數(shù)據(jù)庫的連接功能, 實現(xiàn)圖元與屬性的同步顯示;(4 數(shù)據(jù)信

13、息的檢索:GHIS 系統(tǒng)應(yīng)提供圖形和屬性檢索, 圖形和外掛數(shù)據(jù)庫聯(lián)動檢索, 檢索結(jié)果能立即顯示出來, 并能生成數(shù)據(jù)文件;(5 空間分析功能:這一功能是GHIS 最重要的功能。GHIS 系統(tǒng)應(yīng)提供一個空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的組織、管理與存儲;(6 數(shù)字制圖功能:為了實現(xiàn)圖形的完美輸出, GHIS 系統(tǒng)應(yīng)提供數(shù)字制圖功能, 完成圖形的編輯制作;(7 數(shù)據(jù)的更新:自然界無時無刻發(fā)生著或大或小的變化, 為了更準(zhǔn)確地反映這些變化, 空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)必須定期更新。2. 1. 2系統(tǒng)用戶界面設(shè)計地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)作為一種可視化產(chǎn)品, 應(yīng)該將人機界面的友好、簡單易學(xué)、靈活方便的特點反映出來。采用菜單

14、式界面, 將系統(tǒng)功能按層次全部列于屏幕上, 由用戶用數(shù)字、鍵盤箭頭、鼠標(biāo)等選擇其中某項功能。2. 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖 1所示。圖1地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計3. 1數(shù)據(jù)庫的設(shè)計思路(1 從用戶需求出發(fā), 本數(shù)據(jù)庫開發(fā)的基本思路為:地質(zhì)災(zāi)害的信息存儲地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定性分析地質(zhì)災(zāi)害的防治;(2 在數(shù)據(jù)庫建立中, 數(shù)據(jù)類型各不相同, 即使都是地圖數(shù)據(jù), 其投影方式、坐標(biāo)體系、地圖單位等參數(shù)也不完全一致, 因此數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理十分必要。標(biāo)準(zhǔn)化處理就是對數(shù)據(jù)的整理, 是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所進(jìn)行的數(shù)據(jù)整理。主要包括名詞術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)精度格式化、數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一化等;(3

15、 強調(diào)數(shù)據(jù)庫的通用性和可維護(hù)性, 方便數(shù)據(jù)庫的及時更新和以后新建其他數(shù)據(jù)庫。3. 2數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)主要包括以下5個方面:(1 行政區(qū)劃資料:包括城市規(guī)劃(居民用地、工業(yè)用地、交通用地等 、社會經(jīng)濟(jì)分布概況;(2 地質(zhì)背景資料:包括研究區(qū)的地層巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面的基礎(chǔ)地質(zhì)資料;(3 氣象資料:包括氣象觀測站觀測的降雨、降水等;(4 水文地質(zhì)資料:包括地下水水位變化特點、區(qū)內(nèi)河流水位變化等;482西部探礦工程J un. 2006No. 6(5 地質(zhì)災(zāi)害資料:包括研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的各種地質(zhì)災(zāi)害的形態(tài)、估算面積、體積、范圍、地質(zhì)災(zāi)害體演化機理的分析、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢以及防治建議等

16、。3. 3數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)地質(zhì)災(zāi)害屬性數(shù)據(jù)庫包括屬性數(shù)據(jù)庫、圖形管理和地質(zhì)災(zāi)害防治分析等3個主要部分, 具體結(jié)構(gòu)見圖2。圖2地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖4地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)模型分析4. 1地質(zhì)災(zāi)害危害性分析模型對地質(zhì)災(zāi)害危害性分析主要考慮3方面因素(表1 , 然后根據(jù)專家打分模型給出結(jié)果。所謂專家打分模型, 是將相關(guān)聯(lián)的影響因素按其相對重要性排隊, 給出各因素所占的權(quán)重值; 對每一因素內(nèi)部進(jìn)一步分析, 按其內(nèi)部的分類進(jìn)行排隊, 并按各類結(jié)果的影響打分即專家打分, 從而得到該因素內(nèi)各類別對結(jié)果的影響量, 最后系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合, 得出最終結(jié)果。專家打分模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:G =mi =1W i C i(1式中

17、:G 最終復(fù)合結(jié)果值;W i 第i 個要素的權(quán)重; C i 第i 個要素的專家打分值; m 影響因子的個數(shù)。表1地質(zhì)災(zāi)害危害性分析影響因素及權(quán)重序號影響因素權(quán)重1直接經(jīng)濟(jì)損失0. 452人員傷亡人數(shù)0. 453(0. 14. 2地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢分析模型是一種綜合評價模型, 考慮地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度(表2 和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生度兩個因素, 因素的權(quán)重值見表3。根據(jù)專家打分模型, 算出來的結(jié)果可以劃分為4級:加速發(fā)育區(qū)、減速發(fā)育區(qū)、衰竭發(fā)育區(qū)、停止(無 發(fā)育區(qū)(表4 , 按此分級, 可以評價地質(zhì)災(zāi)害的危險程度和易發(fā)程度。表2地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度評價因素權(quán)重表序號評價因素權(quán)重值序號評價因素權(quán)重值1崩塌0. 121

18、0土地沼澤化0. 042滑坡0. 1211海水入侵0. 053泥石流0. 1212地下水污染0. 064地面沉降0. 0613坑道、地下工程突水0. 045地面塌陷0. 0714瓦斯突出和爆炸0. 046地裂縫0. 0515巖爆0. 037水土流失0. 0416特殊土0. 048土地沙化、沙漠化0. 0417地方病危害0. 0490. 043權(quán)重值地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度0. 252地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生度0. 75表4地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢評價分級界限值評價結(jié)果類型數(shù)字化值加速發(fā)育區(qū)大于0. 02減速發(fā)育區(qū)0. 100. 20衰竭發(fā)育區(qū)0. 010. 10停止發(fā)育區(qū)小于0. 015結(jié)論通過地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)(GHIS 的設(shè)計, 將GIS 技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的空間信息管理、分析和預(yù)測評價, 設(shè)計了一套地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫, 并進(jìn)行模型的分析。通過地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度的權(quán)重值分析, 結(jié)合專家打分模型, 建立了一種專題型的應(yīng)用地理信息系統(tǒng), 將地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢劃分為加速發(fā)育區(qū)、減速發(fā)育區(qū)、衰竭發(fā)育區(qū)、停止(無 發(fā)育區(qū)4個級別, 用以評價地質(zhì)災(zāi)害的危險程度和易發(fā)程度。參考文獻(xiàn):1張永波, 張禮中, 等. 地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)M .北京:地質(zhì)出版社,2001.