GIS 在巖土工程中的開發(fā)與應(yīng)用

李鵬遠(yuǎn) 包春燕

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System或Geo-Information System,GIS),都是有針對(duì)性地建立的,處理的對(duì)象也都是各種空間實(shí)體和空間關(guān)系,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、資源管理、水利、巖土工程等各個(gè)領(lǐng)域。它是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新興技術(shù),在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下,對(duì)整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。通過對(duì)多因素的綜合分析,它可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息,然后以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果。GIS應(yīng)用技術(shù)上的突破,很大程度上是由于GIS軟件的成熟和商用化程度的提高。國際市場(chǎng)上有大約300家各類GIS軟件研制和供應(yīng)單位,常用的GIS軟件達(dá)到400多種,國外主要有ARC/INFO,GENAMAP,MGE。國內(nèi)較著名的有MAP/GIS,GEOSTAR和CITYSTAR等。

1 GIS在巖土工程中的應(yīng)用實(shí)例

盡管現(xiàn)存的GIS軟件很多,但對(duì)于它們的研究應(yīng)用,歸納起來有兩種情況:1)利用GIS系統(tǒng)來處理用戶的數(shù)據(jù);2)在GIS的基礎(chǔ)上,利用它的開發(fā)函數(shù)庫二次開發(fā)出用戶專用的GIS軟件。在巖土工程領(lǐng)域,GIS的應(yīng)用雖然起步較晚,但是發(fā)展卻相當(dāng)迅速。

1.1 GIS與巖土工程勘察[1]

工程勘察成果是十分寶貴的信息資源,具有很高的重復(fù)利用的價(jià)值,可以充分利用GIS系統(tǒng)中龐大的綜合信息,為實(shí)現(xiàn)地理信息共享等做出貢獻(xiàn)。巖土工程勘察信息系統(tǒng)的建立分為四個(gè)階段:錄入數(shù)據(jù)、軟件運(yùn)用、二次開發(fā)和系統(tǒng)運(yùn)行,首先輸入大量的已知鉆孔信息在選擇的軟件上,經(jīng)過一系列軟件上的處理工作,形成一個(gè)大的良好的區(qū)域共享,主要特點(diǎn)是勘察設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)使用計(jì)算機(jī)作業(yè),勘察階段為設(shè)計(jì)階段提供接口數(shù)據(jù)文件,使得數(shù)據(jù)傳遞流暢,在各專業(yè)工種間及同區(qū)域內(nèi)各勘察設(shè)計(jì)部門間,達(dá)到數(shù)據(jù)共享與協(xié)同操作,以提高勘察設(shè)計(jì)的效率,節(jié)省人力,縮短設(shè)計(jì)周期。

1.2 GIS與地質(zhì)災(zāi)害[2]

1)滑坡方面?；聻?zāi)害是在地球表層一定空間范圍和一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的一種災(zāi)害現(xiàn)象。在空間上各種類型的滑坡或滑坡群的大小有很大的區(qū)別,時(shí)間快慢上也有很大差別,但它們都是災(zāi)害孕育環(huán)境與觸發(fā)因子共同作用的結(jié)果,滑坡災(zāi)害及其影響因素都與空間位置密切相關(guān),因此利用GIS技術(shù)不僅可以對(duì)滑坡災(zāi)害及其相關(guān)信息進(jìn)行管理,而且可以從不同空間和時(shí)間尺度上分析滑坡發(fā)生與環(huán)境因素之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,定量或半定量地評(píng)價(jià)滑坡災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)及其可能的災(zāi)害范圍。2)砂土液化方面。在強(qiáng)烈地震作用下,處于地下水位以下的砂土,其性質(zhì)可能發(fā)生明顯的變化,致使分析方法大多還是采用傳統(tǒng)的工程地質(zhì)研究方式,即單純的試驗(yàn)、計(jì)算和得出結(jié)論,大部分工作由手工完成。由于砂土液化涉及的因素較多,且與空間位置密切相關(guān),加之其往往為整個(gè)防災(zāi)救災(zāi)系統(tǒng)工程的一部分,所以傳統(tǒng)的分析方法顯得孤立低效。

1.3 GIS在巖土工程中的典型應(yīng)用

第一個(gè)地理信息系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代的加拿大,是針對(duì)土地開發(fā)和保護(hù)并為農(nóng)業(yè)服務(wù),于20世紀(jì)70年代初研究成功第一個(gè)實(shí)用意義上的地理信息系統(tǒng)(CGIS)。早在1970年～1976年,美國地質(zhì)調(diào)查所就建立了50多個(gè)信息系統(tǒng),作為管理地理、地質(zhì)和水資源等領(lǐng)域空間信息的工具。1989年,美國Peter Douglas C等用GIS對(duì)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),并取得良好效果[2]。1989年和1991年美國科學(xué)基金會(huì)與聯(lián)邦高速公路管理處利用GIS建立了美國巖土工程試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)信息系統(tǒng),對(duì)美國所有巖土工程試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、管理、演示及輸出[4]。南京大學(xué)地球環(huán)境計(jì)算工程研究所應(yīng)用三維地質(zhì)建模技術(shù),對(duì)潤揚(yáng)長江公路大橋北錨碇的地基進(jìn)行三維地質(zhì)分析,并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,將其移入GIS數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行各項(xiàng)空間分析。

2 GIS在巖土工程的發(fā)展趨勢(shì)

綜合上述國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐可以看出,在巖土工程GIS應(yīng)用研究方面,國內(nèi)與國外還是存在著一定差距,主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[5]:1)國外的研究領(lǐng)域十分廣泛和系統(tǒng),包括區(qū)域工程地質(zhì)、工程勘察、滑坡、砂土液化、地質(zhì)災(zāi)害總體評(píng)價(jià)等,尤其在滑坡方面,研究十分全面和深入。國內(nèi)除煤礦地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用相對(duì)較多,其他方面涉及較少。對(duì)于環(huán)境巖土工程的前沿課題幾乎空白。2)從20世紀(jì)70年代至今,國外GIS技術(shù)的應(yīng)用已從簡單的數(shù)據(jù)處理、圖形輸出,發(fā)展到空間分析,DEM,DTM的使用,GIS與有關(guān)專業(yè)擴(kuò)展模型(如統(tǒng)計(jì)模型、力學(xué)模型等)的結(jié)合,GIS與DSS的集成,乃至GIS虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用。而國內(nèi)GIS應(yīng)用研究在90年代以后才逐漸開展起來,各方面結(jié)合和運(yùn)用還很欠缺。

對(duì)GIS本身來說,其發(fā)展趨勢(shì)可從三個(gè)方面來看:1)硬件方面。分布式計(jì)算機(jī)環(huán)境、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、手指跟蹤技術(shù)等都將改善GIS的工作環(huán)境和狀態(tài),這勢(shì)必會(huì)使有關(guān)的專業(yè)問題研究變得更加科學(xué)、簡便、快捷。2)軟件方面。三維GIS和時(shí)態(tài)GIS將成為以后幾年的熱點(diǎn)課題之一。3)GIS,RS,GPS的集成。目前,RS與GIS的集成已達(dá)到了“無縫結(jié)合”的階段,但GIS,RS,GPS三者真正意義上的集成還未解決,尚需進(jìn)一步研究。

3 基于MapX控件的GIS應(yīng)用軟件開發(fā)研究[6,7]

MapX是MpInfo公司推出的地圖控件,它可以在應(yīng)用程序中方便地插入各種地圖,可以使用VB,VC++,PowerBuilder,Delphi等面向?qū)ο笳Z言來創(chuàng)建應(yīng)用程序。MapX是按圖層組織地圖的,通常在MapX中使用的圖層都是矢量圖層,也可以使用柵格圖象,柵格圖象可以提供比矢量圖更細(xì)致的圖象。MapX還提供強(qiáng)大的地理信息查詢與統(tǒng)計(jì)功能,可以和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫掛接;可以使用SQL語句進(jìn)行查詢;可以通過數(shù)據(jù)綁定而把記錄顯示在地圖中;可以按照數(shù)據(jù)的地理信息進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)與查詢。和GPS相結(jié)合還可以顯示大面積上的移動(dòng)對(duì)象,這些特點(diǎn)也正是MapX適用于開發(fā)GIS的主要原因。基于MapX控件的GIS應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用MapX組件與面向?qū)ο罂梢暬幊陶Z言Visual C++集成的二次開發(fā)模式,具有GIS所必備的基本功能;該系統(tǒng)還具有可擴(kuò)展性,使開發(fā)者能根據(jù)實(shí)際情況添加其他應(yīng)用功能。系統(tǒng)的主要功能包括文件管理、編輯、視圖管理、地圖工具等,并提供地圖工具欄,方便用戶的使用。在VC環(huán)境下集成MapX開發(fā)GIS軟件是將MapX作為控件插入到應(yīng)用程序中,然后通過設(shè)置其屬性和調(diào)用其方法,響應(yīng)其事件來實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)語

隨著巖土工程理論和技術(shù)的進(jìn)一步完善以及GIS技術(shù)的不斷發(fā)展,GIS在巖土工程中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入,也只有在全面深入的基礎(chǔ)研究條件下進(jìn)行的GIS分析才是可靠的,也就是說基礎(chǔ)資料的收集、必要的野外調(diào)查試驗(yàn)及室內(nèi)分析試驗(yàn)等傳統(tǒng)的研究方法是最基礎(chǔ)的工作。由此可見,將傳統(tǒng)方法與GIS技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用在巖土工程中,將具有廣闊的前景。

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