基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)的研究

1、文章編號(hào):10045716(2006 06028303中圖分類號(hào):X4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)評(píng)價(jià), 設(shè)計(jì)了一套地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù), 通過(guò)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(shì)劃分為四個(gè)級(jí)別, 用以評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)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(lái), 各種地質(zhì)災(zāi)害對(duì)我國(guó)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(guó)土資源部政策法規(guī)司等不完全統(tǒng)計(jì)(2000 , 近年來(lái)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(guò)5億元, 降已在全國(guó)平原區(qū)的46地質(zhì)災(zāi)害, , 脅, 對(duì)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(wèn)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(chǔ)存、查詢、和處理入手, 提供災(zāi)情動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)環(huán)境評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)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(cè)評(píng)價(jià), 通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)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(lái)評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)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(guó)外運(yùn)用GIS 技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的研究國(guó)外尤其發(fā)達(dá)國(guó)家, 對(duì)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(guó)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(duì)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(guó)的Wentworth Carth M. 和Ellen Stephen D. 等用GIS 對(duì)區(qū)域工程地質(zhì)作進(jìn)一步分析。1989年美國(guó)的FinneyMichael A. 和BainNancy R. 運(yùn)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(duì)喜馬拉雅山麓的Ramganga Catchment 地區(qū)進(jìn)行滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)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(kù)管理以及數(shù)字高程模型(DEM , 開(kāi)發(fā)了斜坡穩(wěn)定性分析模型、山區(qū)落石滾落速率計(jì)算模型。1991年美國(guó)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(guó)的Emir Jose.Macari 等利用GIS 對(duì)西Puer to Rico 地區(qū)進(jìn)行了砂土液化研究。1994年美國(guó)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(xiǎn)評(píng)估并進(jìn)行災(zāi)害分區(qū)。1995年美國(guó)的DAN IEL J.MILL ER 利用GIS 中的DEM , 模擬出滑動(dòng)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(duì)深層滑坡災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià)。1996年美國(guó)的MARIOM E J IANAVARRO 等運(yùn)用GIS 及工程數(shù)學(xué)模型建立了自然災(zāi)害及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)再現(xiàn)斜坡形態(tài)。1. 2國(guó)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(guó)內(nèi)應(yīng)用GIS 技術(shù)開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害評(píng)價(jià)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(duì)象, 對(duì)地面巖體變形破壞進(jìn)行了時(shí)空預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。雷明堂、蔣小珍等運(yùn)用GIS 技術(shù)于巖溶塌陷評(píng)價(jià)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(dòng)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(jí)分組分析等功能, 完成研究區(qū)塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及分區(qū)。胡成、陳植華等采用模糊層次綜合預(yù)測(cè)法, 建立了巖溶

8、塌陷模型, 并通過(guò)接口程序與GIS 技術(shù)有機(jī)結(jié)合, 對(duì)桂林西城區(qū)巖溶塌陷進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。鄭世書(shū)、孫亞軍等將GIS 技術(shù)用于煤礦地下開(kāi)采工作面涌水預(yù)測(cè)及礦區(qū)巖溶水害預(yù)測(cè)。曹中初、孫蘇南在煤礦底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)中也應(yīng)用GIS 了技術(shù)。江東等將遙感RS 與GIS 集成起來(lái), 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(duì)遙感資料、勘探資料、統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)和評(píng)價(jià)。在砂土液化方面。南京大學(xué)地球環(huán)境計(jì)算工程研究所張凌、施斌等運(yùn)用桌面GIS 系統(tǒng)Map Info 對(duì)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(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目專題研究“京津唐地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)防治計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)”, 獲得了國(guó)家“八五”重大科技成果獎(jiǎng)。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(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(cè)的GIS 系統(tǒng)”項(xiàng)目, 在貴州印江河、金沙江流域某工程近壩區(qū)開(kāi)展了預(yù)測(cè)應(yīng)用。國(guó)土資源部于1998年底展開(kāi)新一輪的國(guó)土資源調(diào)查與評(píng)價(jià)

10、的科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)研究。中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)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(guó)家莊煤礦建立煤礦底板突水預(yù)測(cè)模型, 利用該模型劃分出區(qū)內(nèi)突水危險(xiǎn)區(qū)、可能突水區(qū)、較安全區(qū)、安全區(qū)的實(shí)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(kāi)發(fā)平臺(tái), 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(jì)2. 1系統(tǒng)分析GHIS 的支持下, 實(shí)際需要, 應(yīng)著重如下方面:首先, 就研究對(duì)象而言, 要求以實(shí)際分析所需要的主要信息項(xiàng)目為主, 盡量避免大而全。對(duì)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(shì)與預(yù)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與人類活動(dòng)關(guān)系等相關(guān)屬性方面, 而對(duì)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(wèn)題。本系統(tǒng)面向從事地質(zhì)災(zāi)害研究的生產(chǎn)實(shí)踐的部門, 同時(shí)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(duì)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(guò)調(diào)查用戶的需求, 進(jìn)一步評(píng)估數(shù)據(jù)的可靠度。最后, 技術(shù)支持程度。評(píng)估本部門的開(kāi)發(fā)實(shí)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(lái)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(diǎn)、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(kù)的連接功能, 實(shí)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(kù)聯(lián)動(dòng)檢索, 檢索結(jié)果能立即顯示出來(lái), 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(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的組織、管理與存儲(chǔ);(6 數(shù)字制圖功能:為了實(shí)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(wú)時(shí)無(wú)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(kù)的數(shù)據(jù)必須定期更新。2. 1. 2系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)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(jī)界面的友好、簡(jiǎn)單易學(xué)、靈活方便的特點(diǎn)反映出來(lái)。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(xiàng)功能。2. 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)圖3地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)3. 1數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)思路(1 從用戶需求出發(fā), 本數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)的基本思路為:地質(zhì)災(zāi)害的信息存儲(chǔ)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(kù)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(duì)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(yǔ)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(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)庫(kù)的通用性和可維護(hù)性, 方便數(shù)據(jù)庫(kù)的及時(shí)更新和以后新建其他數(shù)據(jù)庫(kù)。3. 2數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)主要包括以下5個(gè)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(huì)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(cè)站觀測(cè)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(diǎn)、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(jī)理的分析、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)以及防治建議等

16、。3. 3數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)地質(zhì)災(zāi)害屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包括屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形管理和地質(zhì)災(zāi)害防治分析等3個(gè)主要部分, 具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。圖2地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(duì)重要性排隊(duì), 給出各因素所占的權(quán)重值; 對(duì)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(duì), 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(duì)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(gè)要素的權(quán)重; C i 第i 個(gè)要素的專家打分值; m 影響因子的個(gè)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(hào)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(shì)分析模型是一種綜合評(píng)價(jià)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(gè)因素, 因素的權(quán)重值見(jiàn)表3。根據(jù)專家打分模型, 算出來(lái)的結(jié)果可以劃分為4級(jí):加速發(fā)育區(qū)、減速發(fā)育區(qū)、衰竭發(fā)育區(qū)、停止(無(wú) 發(fā)育區(qū)(表4 , 按此分級(jí), 可以評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度和易發(fā)程度。表2地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度評(píng)價(jià)因素權(quán)重表序號(hào)評(píng)價(jià)因素權(quán)重值序號(hào)評(píng)價(jià)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(shì)評(píng)價(jià)分級(jí)界限值評(píng)價(jià)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(guò)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)(GHIS 的設(shè)計(jì), 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(cè)評(píng)價(jià), 設(shè)計(jì)了一套地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù), 并進(jìn)行模型的分析。通過(guò)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(shì)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(wú) 發(fā)育區(qū)4個(gè)級(jí)別, 用以評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)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(jì)與開(kāi)發(fā)M .北京:地質(zhì)出版社,2001.