地質(zhì)災害防治中地理信息系統(tǒng)建立及其研究分析

【摘 要】GIS首先是一門科學，也是一種技術(shù)。本文介紹了GIS技術(shù)的應用現(xiàn)狀，建立基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的必要性，討論了基于GIS技術(shù)應用在地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的主要功能及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并就建立地質(zhì)災害數(shù)據(jù)庫和建立地質(zhì)災害模型做了初步探討。

【關鍵詞】GIS;地質(zhì)災害;地質(zhì)災害數(shù)據(jù)庫;分析研究

1、前言

近年來，隨我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，加速了GIS應用的進程，在城市規(guī)劃管理、交通運輸、測繪、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、制圖等領域發(fā)揮了重要的作用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。地質(zhì)災害防治工作仍處于被動狀態(tài)。一個重要原因是:缺乏一種以先進技術(shù)為依托而建立起系統(tǒng)化的實用、有效的地質(zhì)災害防治系統(tǒng)。地質(zhì)災害自然有其難以準確預測預報的一面，但是地災部門調(diào)查手段和管理的落后，往往造成對地質(zhì)災害數(shù)量、性質(zhì)、規(guī)模、危害程度心中無數(shù)或是不完全有數(shù)，只是發(fā)生1處整治1處的極為被動的局面。因此，建立一套基于用GIS 技術(shù)的地質(zhì)災害信息系統(tǒng)對地質(zhì)災害的減災防災意義重大，可以使得地質(zhì)災害決策管理專家通過GIS提供的信息，全面的掌握可能發(fā)生的地質(zhì)災害的位置、性質(zhì)、規(guī)模、危害程度、數(shù)量、通過合適模型的分析，并得到相應的整治措施，防患于未然。

2、地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的主要功能

我們可以將GIS信息系統(tǒng)分解為3 個層次來表述(“地質(zhì)災害信息中應用GIS 示例圖”所示) ，即數(shù)據(jù)層、邏層層和表示層。其中數(shù)據(jù)層用來輸入、存儲和管理數(shù)據(jù);邏輯層用來對地質(zhì)災害信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行綜合和融合，處理地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的建模和空間分析;表示層是將地質(zhì)災害中的信息展現(xiàn)給用戶，提供查詢、檢索和統(tǒng)計等功能。

2.1地質(zhì)災害信息數(shù)據(jù)的輸入、存儲、管理

輸入、存儲、管理Arc GIS 支持的各種圖形、圖象數(shù)據(jù)文件。如Arc View SHP 文件、Arc Info Coverage 文件、Arc Info Grid 文件、CAD文件等。結(jié)合SQL輸入、存儲并管理各種以表格形式存在的屬性數(shù)據(jù)等。

地質(zhì)災害數(shù)據(jù)錄入的方式有很多種，能以有效的數(shù)據(jù)組織形式進行數(shù)據(jù)庫管理、更新、維護、進行快速查詢檢索，以多種方式輸出決策所需的地理空間信息，這使得GIS 在對空間數(shù)據(jù)管理上的應用日趨活躍。在此基礎上綜合疊加地下及地面的8大類管線(包括上水、污水、電力、通訊、燃氣、工程管線) 以及測量控制網(wǎng)、規(guī)劃道路等基礎測繪信息。形成一個測繪數(shù)據(jù)的城市地下管線信息系統(tǒng)。從而實現(xiàn)了對地下管線信息的全面的現(xiàn)代化的管理。為城市規(guī)劃設計與管理部門、市政工程設計與管理部門、城市交通部門與道路建設部門等提供地下管線及其它測繪部門的查詢服務。

2.2數(shù)據(jù)的空間查詢和空間分析功能

實現(xiàn)全圖范圍內(nèi)各級單位所屬區(qū)域的災害信息的查詢，實現(xiàn)各區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災害信息的查詢;實現(xiàn)按范圍方式、圖形方式、表格方式的查詢，同時將其與圖形數(shù)據(jù)有機聯(lián)系?；贏rc GIS平臺，系統(tǒng)可建立點、線、面狀要素的拓撲關系， 實現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)計分析功能，緩沖區(qū)分析功能，災害的危害程度分級顯示功能等。

GIS數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類，是以性質(zhì)相同或相近的歸并一起，形成一個數(shù)據(jù)層。這樣GIS對單幅或多幅圖件及其屬性數(shù)據(jù)進行分析和指標量算。這種應用以原始圖為輸入，而查詢和分析結(jié)果則是以原始圖經(jīng)過空間操作后生成的新圖件來表示的。在空間定位上仍與原始圖一致。因此，也可將其稱為空間函數(shù)變換。這種空間變換包括疊置分析、緩沖區(qū)分析、拓撲空間查詢、空集合分析(邏輯交運算、邏輯并運算、邏輯差運算) 。

2.3對屬性數(shù)據(jù)進行綜合和融合

在GIS技術(shù)應用中，有時將幾個屬性項的屬性數(shù)值加以綜合，構(gòu)成一個具有某領域特定意義的新屬性項。這種綜合不是綜合前屬性數(shù)據(jù)值的簡單反映，也不是它們的孤立集合，而是經(jīng)過某領域研究人員深思熟慮的綜合分析，用數(shù)量表示某領域問題的綜合概念和結(jié)果特征。

地質(zhì)災害數(shù)據(jù)是典型的多源空間數(shù)據(jù)，它們的數(shù)量不一、形式多樣。既有定量數(shù)據(jù)、又有定性文字描述數(shù)據(jù)。因此在數(shù)據(jù)融合前，必須統(tǒng)一量化、把定性數(shù)據(jù)定量化。然后篩選出獨立、有用的變量(包括綜合變量)，選擇相應的數(shù)學模型(包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型) 和模型單元，確定地質(zhì)異常臨界值大小。根據(jù)它對未知單元進行異常圈定和異常評價，最后利用GIS其顯示結(jié)果。通過GIS空間疊加分析，對其屬性數(shù)據(jù)值的預處理、篩選、數(shù)據(jù)融合。利用GIS管理、顯示，使其結(jié)果的應用范圍與利用價值大大提高。

2.4綜合分析評價與模擬預測功能

GIS能根據(jù)地質(zhì)災害的預測系統(tǒng)分析獲得災害發(fā)生的最佳組合因素。并結(jié)合當?shù)氐臍v史災害數(shù)據(jù)，水文、氣候數(shù)據(jù)，預測其發(fā)生的時間、危害程度，并提出防治措施。應用GIS技術(shù)不僅可以對地質(zhì)災害中的空間數(shù)據(jù)進行編碼、存儲和提取，而且還是現(xiàn)實世界模型。可以將對現(xiàn)實世界各個側(cè)面的思維評價結(jié)果作用其上，得到綜合分析評價結(jié)果。也可以將自然過程、決策和傾向的發(fā)展結(jié)果以命令、函數(shù)和分析模擬程序作用上這些數(shù)據(jù)上，摸擬這些過程的發(fā)生發(fā)展，對未來的結(jié)果作出定量的和趨勢預測，從而預知自然過程的結(jié)果。對比不同決策方案的效果以及特殊傾向可能產(chǎn)生的后果，以作出最優(yōu)決策，避免和預防不良后果的發(fā)生。

2.5建立專題信息系統(tǒng)和區(qū)域信息系統(tǒng)

目前大多數(shù)GIS系統(tǒng)已揉進圖像處理功能，并把它作為其一個子模塊。這種應用需要在地質(zhì)災害現(xiàn)場建立GIS與遙感的集成系統(tǒng)，它能用自動影像匹配和自動目標識別技術(shù)處理衛(wèi)星獲取的數(shù)字影像，及時地反映現(xiàn)場現(xiàn)狀的正射影影像疊加到數(shù)字地圖上，數(shù)據(jù)直接傳送到數(shù)據(jù)工作處理中心站，為專家決策提供實時服務。

應用GIS技術(shù)的一些二次開發(fā)函數(shù)庫開發(fā)出具有特定功能軟件系統(tǒng)。如國家九五攻關項目“緊缺金屬資源快速勘察評價系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)中，分為地質(zhì)變量信息提取模塊、數(shù)據(jù)挖掘模塊、物探數(shù)據(jù)處理模塊、圖像處理模塊、綜合預測模塊等，其中地質(zhì)變量信息提取模塊使用了MAPGIS中基本輸入函數(shù)、空間功能分析函數(shù)，目前這個系統(tǒng)已初具鄒形。

在地質(zhì)災害信息系統(tǒng)中，監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)采集(數(shù)字化儀、掃描儀) 是GIS應用的基礎。地質(zhì)災害數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)管理是GIS 技術(shù)關鍵。對地質(zhì)災害數(shù)據(jù)的查詢、空間分析是應用GIS技術(shù)的前提。而應用GIS技術(shù)通過網(wǎng)絡傳輸和發(fā)布是決策者的保證。所以，應用GIS 技術(shù)可以為地質(zhì)災害提供很方便實用的信息。

3、地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于GIS數(shù)據(jù)項多，功能齊全的特點，地質(zhì)災害基礎數(shù)據(jù)庫平臺及其管理、分發(fā)、共享機制將得以建立。為實現(xiàn)最大限度數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)數(shù)據(jù)必然要考慮與之無縫連接，共享部分基礎數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其技術(shù)關鍵有2個方面。

3.1數(shù)據(jù)庫的建立

建立數(shù)據(jù)庫必將使用GIS基礎數(shù)據(jù)庫的一部分。必須有一套相對完整的工作標準體系，以確保地質(zhì)災害信息數(shù)據(jù)與GIS的無縫連接。如元數(shù)據(jù)標準、功能與接口標準、數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)格式標準、數(shù)據(jù)質(zhì)量標準、系統(tǒng)集成、工程與安全標準以及數(shù)據(jù)分類與編碼體系標準等一套相對完整的工作標準體系。

異質(zhì)異源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化及其相關處理，海量數(shù)據(jù)的準確獲取、錄入等都有相當大的工作量。地質(zhì)災害信息的數(shù)據(jù)來源主要包括:勘測(初測P定測)信息，航測及遙感信息，氣候水文資料等。對于直接勘測獲取的信息(如地形、地貌、地質(zhì)鉆孔等信息)，在保證數(shù)據(jù)精度的情況下，可以直接入庫;對于航測或遙感數(shù)據(jù)，在入庫前，必須對其進行預處理。如影像矯正、影像增強、轉(zhuǎn)化為正射影像等;對于已有的地質(zhì)資料，在入庫之前，一定要進行嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。即是說，這些原始數(shù)據(jù)包括多種存在形式和多種文件格式，并且有多個數(shù)據(jù)來源，如何將這些異質(zhì)異源數(shù)據(jù)有效地組織起來，建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來進行管理。這是系統(tǒng)設計和開發(fā)中所必須認真考慮的問題。

Arc GIS對空間信息的管理是采用分層管理來實現(xiàn)的，具有相同特征的空間信息都放在同一圖層上，分層越多越細，對數(shù)據(jù)的管理、信息的提取、空間分析、分析計算越有利。但是，分層過多又會增加數(shù)據(jù)采集的工作量。建議在構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時，根據(jù)圖層及其要素類型設計較明細的完整數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)。

3.2專業(yè)模型的建立

在基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的開發(fā)過程中，另一個關鍵和難點就是相關專業(yè)模型的建立。以滑坡預測為例，可以采用信息模型法?；卢F(xiàn)象(Y) 受多種因素(= 1 ，2 …n) 的影響。在該模型中各種滑坡因素在滑坡作用過程中所起作用的大小程度可用信息量表達。模型考慮的是某一地質(zhì)環(huán)境中促使滑坡出現(xiàn)的“最佳因素組合”。對于具體斜坡，滑坡產(chǎn)生與否是與預測過程中所獲取信息的數(shù)量有關。而信息量是系統(tǒng)熵值的改變數(shù)量。

上式可寫成：

式中：

—因素組合對滑坡所提供的信息量；

—在因素組合確定的條件下，因素 對滑坡所提供的信息量。

—因素組合條件下滑坡發(fā)生的概率；

—滑坡發(fā)生的概率。

GIS結(jié)合行業(yè)應用進行開發(fā)。模型的建立是相當關鍵的一步。不僅需要開發(fā)團隊具備牢固的GIS相關知識，同時系統(tǒng)中的行業(yè)應用模塊要求有深厚的相關專業(yè)知識。

4、結(jié)束語

GIS是一門科學。也是一種技術(shù)。同時，更能為廣大的應用和用戶帶來更加直觀、更加現(xiàn)實的信息。從前景的角度來看，絕對是未來信息技術(shù)發(fā)展的重要方向?；贕IS技術(shù)的地質(zhì)災害信息系統(tǒng)的建立，對于全面掌握全圖范圍內(nèi)可能發(fā)生自然災害的分布、預測和預報可能發(fā)生的工程地質(zhì)災害，對地質(zhì)災害的防御和處理，最終保障社會的安全和正常有著極為重要的作用。從長遠來看必然能創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟效益和社會效益。