基于Geodatabase的滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)＊

朱傳華,胡光道

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

滑坡災(zāi)害作為主要的自然災(zāi)害之一,每年都會(huì)直接或間接地造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)是中國(guó)滑坡災(zāi)害發(fā)生的重災(zāi)區(qū)之一,移民工程遷建的新城鎮(zhèn)幾乎都在斜坡地帶,水庫(kù)蓄水后的庫(kù)水位上升及泄洪后的庫(kù)水位下降的變化,都將成為觸發(fā)滑坡的主要因素,因此,三峽庫(kù)區(qū)的滑坡災(zāi)害調(diào)查、管理,滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)一直是近年來國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1-3]。收集整理滑坡災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù),建立滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作的第一步,也是最耗時(shí)部分,可見其重要性[4]。

本文基于三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警指揮系統(tǒng)(GHPACS)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)及管理系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)和整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ),采用ESR I公司的Geodatabse數(shù)據(jù)模型進(jìn)行滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)[5]。

1 滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及其數(shù)據(jù)需求

在國(guó)際上,JTC-1(Joint Technical Committee on Landslides and Engineered Slopes)從土地利用規(guī)劃的角度,對(duì)滑坡進(jìn)行敏感性、危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性三個(gè)階段區(qū)劃[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者晏同珍、殷坤龍等按照時(shí)空關(guān)系,將滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分為空間預(yù)測(cè)和時(shí)間預(yù)測(cè)兩類[7]。兩種不同的分類視角所劃分的階段或類別大體相對(duì)應(yīng),例如只考慮滑坡內(nèi)在因子影響的敏感性分析對(duì)應(yīng)空間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),考慮時(shí)間框架和外部觸發(fā)因子的危險(xiǎn)性分析對(duì)應(yīng)時(shí)間和空間相結(jié)合的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等?？傮w上,空間和時(shí)間預(yù)報(bào)對(duì)應(yīng)了滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)層次的敏感性分析和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)兩個(gè)階段的工作內(nèi)容。按兩種不同分類所進(jìn)行的滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)工作,所用的數(shù)據(jù)來源基本相同[7-8]。Cees J.vanWesten對(duì)在滑坡敏感性、危險(xiǎn)性和易損性評(píng)價(jià)中所用的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸類和分析[8],主要數(shù)據(jù)層可以劃分為四個(gè)部分:

(1)滑坡編目數(shù)據(jù),包括滑坡編目、滑坡活動(dòng)和滑坡監(jiān)測(cè)。滑坡編目,指一個(gè)地區(qū)滑坡的詳細(xì)目錄,包括滑坡的地點(diǎn)、分類、失穩(wěn)機(jī)制、引起的因素、發(fā)生的頻率、體積、活動(dòng)、發(fā)生日期和造成的損害等。為呈現(xiàn)滑坡活動(dòng)信息,滑坡編目數(shù)據(jù)庫(kù)需要有大區(qū)域的多時(shí)態(tài)的滑坡信息。

(2)環(huán)境因子,是指被認(rèn)為對(duì)滑坡發(fā)生有影響的數(shù)據(jù)層,作為滑坡因子用于對(duì)未來滑坡的預(yù)測(cè)。包括DEM、坡度/坡向、匯流累積量、地層巖性、構(gòu)造、斷層、斜坡水文、土壤類型、土壤深度、土地利用類型和土地利用變化等數(shù)據(jù)層。要根據(jù)滑坡的類型、失穩(wěn)機(jī)制、分析的尺度和研究區(qū)的特點(diǎn)來選擇致滑坡因子。

(3)觸發(fā)因子,指具有突發(fā)性,能在很短時(shí)間跨度內(nèi)引發(fā)滑坡發(fā)生的事件。包括暴雨、地震目錄、蒸發(fā)損失和地面加速等數(shù)據(jù)層。

(4)承災(zāi)體,指區(qū)域內(nèi)受滑坡災(zāi)害潛在威脅的事物。包括建筑物、交通網(wǎng)點(diǎn)、生命線、基礎(chǔ)設(shè)施、人口數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和生態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)層。所有數(shù)據(jù)可分為近似靜態(tài)的和需定期更新動(dòng)態(tài)的兩類。和地質(zhì)、土壤類型、地形地貌相關(guān)的數(shù)據(jù)集都屬于近似靜態(tài)數(shù)據(jù),更新周期很長(zhǎng)?；滦畔⑿枰粩喔?其他動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的更新周期范圍可以從幾小時(shí)至幾天,例如氣象數(shù)據(jù)以及其對(duì)斜坡水文的影響,也可以是幾個(gè)月至幾年,例如土地利用和人口數(shù)據(jù)。土地利用可依據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乩玫膭?dòng)態(tài)變化,更新頻率可以是1～10年。土地利用信息不僅作為環(huán)境因子決定新滑坡的發(fā)生,而且也是受滑坡威脅的承災(zāi)體,需要慎重評(píng)估。

2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)采用ESR I公司的Geodatabase數(shù)據(jù)模型,使用支持面向?qū)ο筌浖_發(fā)的CASE工具Visio 2003進(jìn)行建模[9]。

2.1 數(shù)據(jù)概念模型

在數(shù)據(jù)需求分析的基礎(chǔ)上,滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)概念模型如圖1所示。

圖1 滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)概念模型圖

圖1中的“全體”表示所有的概念,包括的子類有滑坡災(zāi)害概念和元數(shù)據(jù)。滑坡災(zāi)害概念指滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)知識(shí)領(lǐng)域里的所有概念。元數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),包含的概念和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)特定數(shù)據(jù)項(xiàng)文檔相關(guān)?；聻?zāi)害概念和元數(shù)據(jù)之間有可選的或多對(duì)多的聯(lián)系,即任何數(shù)據(jù)對(duì)象有關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù),而且任何元數(shù)據(jù)對(duì)象也可能關(guān)聯(lián)多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象[10]。

2.2 利用CASE工具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)共包括4個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集,每個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集內(nèi)都包含多個(gè)要素類。因?yàn)榛聻?zāi)害研究在不同尺度、不同災(zāi)害類型和評(píng)價(jià)的各個(gè)階段的數(shù)據(jù)需求、各要素層的重要性程序各不相同,表1只列出了部分要素信息。要素層的詳細(xì)論述參見文獻(xiàn)[8]。

數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)時(shí)包含一組公用屬性。每個(gè)要素類設(shè)計(jì)了一組6個(gè)基本屬性,詳細(xì)信息如表2所示。

其中種類、類型和樣式三屬性是要素類的必需字段,可通過Geodatabase數(shù)據(jù)模型中的域值和子類型來實(shí)現(xiàn)。以滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)集為例,如圖2、圖3、圖4所示。

表1 要素?cái)?shù)據(jù)集和要素類摘要表

表2 所有要素類的公用要素屬性

圖2 值域?qū)崿F(xiàn)要素類分類

圖3 滑坡子類型

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)子類型

相比之下,符號(hào)和符號(hào)值由用戶項(xiàng)目需求而決定,可為特定要素提供繪圖表達(dá)和描述細(xì)節(jié)。一般來說,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)必然會(huì)涉及空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的整合,如圖5所示,空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)之間的聯(lián)接可通過字段項(xiàng)目 ID實(shí)現(xiàn)[11]。

圖5 要素類和屬性表之間的內(nèi)部聯(lián)接

該關(guān)系類包括兩個(gè)層次,首先空間要素連接到空間數(shù)據(jù)庫(kù)的中心項(xiàng)目表,然后從中心項(xiàng)目表連接到描述性的屬性表。屬性連接的兩層方式為設(shè)計(jì)屬性描述表和關(guān)系調(diào)整提供了靈活性。空間要素連接到中心項(xiàng)目表的某一行,并通過它連接到一個(gè)至多個(gè)屬性描述表。例如以滑坡監(jiān)測(cè)GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)適當(dāng)格式化[12],并設(shè)計(jì)要素類和對(duì)象類之間的關(guān)系,如圖6所示。

圖6 滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)部關(guān)系

2.3 元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)層次化的組織存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù),包含3個(gè)主要級(jí)別:數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目級(jí)別,數(shù)據(jù)集主題級(jí)別和要素類要素級(jí)別。數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)別只有基礎(chǔ)元數(shù)據(jù),在要素集和要素類級(jí)別逐步實(shí)現(xiàn)細(xì)化的元數(shù)據(jù)。相應(yīng)地,用戶需求也有伴生的層次,對(duì)于瀏覽權(quán)限的用戶提供項(xiàng)目級(jí)別的元數(shù)據(jù)就足夠了,而需給真正操作數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶提供詳細(xì)的、要素類級(jí)別的元數(shù)據(jù)。像空間參考信息是項(xiàng)目級(jí)別的元數(shù)據(jù),在ArcCatalog中可自動(dòng)生成。表1和表2是數(shù)據(jù)集和要素類級(jí)別的元數(shù)據(jù)例子。

2.4 創(chuàng)建Geodatabase數(shù)據(jù)模型

完成UML模型的建立后,通過Visio的導(dǎo)出工具“ESRIXMI Export”和ArcCatalog的“Case Schema Creation”功能完成Geodatabase數(shù)據(jù)模型的建立,具體步驟可參見文獻(xiàn)[13-14]?；聻?zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)圖如圖7所示。

圖7 滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)略圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的需求,得出了滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)概念模型圖,使用CASE工具創(chuàng)建了滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型,并在設(shè)計(jì)過程中提出了空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的整合方式,以及滑坡監(jiān)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)格式化的示例?？傊?基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)的方法,不僅方便了數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與維護(hù),而且UML靜態(tài)模型圖展現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象之間的復(fù)雜關(guān)系,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)的可視化,利于程序設(shè)計(jì)人員的開發(fā)。因此,基于Geodatabse數(shù)據(jù)模型,使用CASE工具建立滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫(kù)是較優(yōu)的選擇。目前,滑坡災(zāi)害空間數(shù)據(jù)已進(jìn)入初步應(yīng)用階段中。由于滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)的復(fù)雜性,空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步完善。

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