基于遙感與GIS技術(shù)的公路損毀監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 琛， 唐 凝， 曹 鴻

(1. 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)測(cè)量系，陜西 咸陽 712000; 2. 西安科技大學(xué) 安全學(xué)院， 西安 710054)

基于遙感與GIS技術(shù)的公路損毀監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 琛1， 唐 凝1， 曹 鴻2

(1. 陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)測(cè)量系，陜西 咸陽 712000; 2. 西安科技大學(xué) 安全學(xué)院， 西安 710054)

在分析公路損毀對(duì)遙感數(shù)據(jù)要求的基礎(chǔ)上，利用ALOS衛(wèi)星遙感影像建立公路損毀自動(dòng)提取模型。結(jié)合公路損毀段的工程實(shí)際，利用GIS技術(shù)系統(tǒng)空間分析能力及圖像功能，以O(shè)racle作為數(shù)據(jù)庫，采用Java語言，集成二次開發(fā)的方式進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)。利用公路損毀遙感監(jiān)測(cè)與GIS評(píng)估技術(shù)構(gòu)建的公路損毀監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，可對(duì)公路損毀段的泥石流和滑坡等損毀信息進(jìn)行有效提取。可檢測(cè)公路損毀的位置、長度和面積，并可估算損毀造成的經(jīng)濟(jì)損失，在公路出現(xiàn)重大損毀時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速應(yīng)對(duì)。

遙感； 地理信息系統(tǒng)； 公路損毀； 評(píng)估系統(tǒng)

0 引 言

在我國南方地區(qū)，公路損毀主要由暴雨和洪澇等災(zāi)害引發(fā)的山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害造成的[1-4]。目前，由降雨引發(fā)的公路沿線滑坡和泥石流等災(zāi)害更是頻繁發(fā)生，是導(dǎo)致公路損毀的重要因素[5]。在山區(qū)多雨地段經(jīng)常會(huì)發(fā)生公路損毀，由于公路損毀預(yù)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)不完善，故對(duì)公路損毀的預(yù)防和救治無法及時(shí)進(jìn)行，這就引起公路地段發(fā)生損毀后，損失加??；隨著我國遙感和GIS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有了有效的手段對(duì)公路損毀進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6-8]。對(duì)公路損毀監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究時(shí)，將遙感技術(shù)和GIS技術(shù)相互結(jié)合具有非常重要的意義，尤其是在公路損毀后，進(jìn)行應(yīng)急搶修和恢復(fù)方面具有非常重要的作用[9-13]。

本文以公路損毀的空間圖形信息和屬性信息為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，建立了公路損毀遙感自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)，為有效控制公路損毀和防治公路損毀現(xiàn)象的發(fā)生及降低公路損毀的損失提供技術(shù)支持。

1 遙感技術(shù)影像預(yù)處理

從衛(wèi)星接收下來的遙感影像，在通常情況下先要經(jīng)過地面接收站的簡單處理后，才可提供給各用戶，而不能直接提供給用戶。接收站的處理包括系統(tǒng)輻射校正和系統(tǒng)幾何粗糾正兩部分。通過系統(tǒng)輻射校正，遙感器系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射畸變就可以被消除掉。通過系統(tǒng)幾何粗糾正，利用衛(wèi)星下載的幾何參數(shù)就可以對(duì)遙感圖像的空間進(jìn)行粗略定位。在試驗(yàn)前，遙感影像必須進(jìn)行輻射精糾正與幾何精糾正后，才能提取滑坡和泥石流災(zāi)害的信息。圖像通過校正后，物體更加清晰、可辨的被顯示；通過幾何精糾正，可嚴(yán)格將圖像的地物目標(biāo)與地圖中的地物坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，為制圖提供方便。本文借助ERDAS遙感圖像處理軟件，對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，并利用Actor大氣糾正模塊對(duì)AIOS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣輻射校正處理；利用圖像幾何校正模塊對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是用來存儲(chǔ)利用系統(tǒng)開展相關(guān)業(yè)務(wù)所需要的數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)、地面核查數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

結(jié)合我國南方某些重點(diǎn)滑坡和泥石流災(zāi)害的公路路段，以發(fā)生滑坡和泥石流災(zāi)害公路段的地形地貌、降雨和地下水情況等為基礎(chǔ)，進(jìn)行該地段空間圖形數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，同時(shí)以滑坡和泥石流災(zāi)害類型及發(fā)生機(jī)理為依據(jù)，利用GIS技術(shù)系統(tǒng)空間分析能力及圖像功能，采用數(shù)學(xué)模型，對(duì)滑坡和泥石流災(zāi)害發(fā)生的條件、影響的范圍及程度進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，并提出有效地控制滑坡和泥石流災(zāi)害發(fā)生和整治的科學(xué)依據(jù)。

(1) 建立公路損毀測(cè)評(píng)估系統(tǒng)。公路損毀檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)是在公路路網(wǎng)、損毀監(jiān)測(cè)網(wǎng)、公路地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃分3個(gè)層面上建立的。利用公路損毀檢測(cè)評(píng)估評(píng)估系統(tǒng)，可對(duì)公路滑坡和泥石流災(zāi)害進(jìn)行信息錄入與存儲(chǔ)、檢索與查詢、修改與更新、數(shù)據(jù)分析處理與統(tǒng)計(jì)、空間分析與輸出、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估等一系列功能。

(2) 實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與查詢。利用GIS 的Arc SDE、Arc IMS、Arc Server技術(shù)，能有效存儲(chǔ)公路滑坡和泥石流災(zāi)害的空間和屬性信息，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)可視化查詢互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布的信息。

(3) 實(shí)現(xiàn)公路損毀治理的決策支持。通過系統(tǒng)的公路滑坡和泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型庫和方法庫，分析和判斷災(zāi)害的原始數(shù)據(jù)，對(duì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度和預(yù)警級(jí)別進(jìn)行預(yù)測(cè)，給公路建設(shè)提供一定的支持，在分析地質(zhì)災(zāi)害后，為災(zāi)害的防治與治理、交通管理、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估等方面提供決策。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1) 科學(xué)性。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)功能時(shí)，重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)功能；在進(jìn)行公路滑坡和泥石流災(zāi)害的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和處理時(shí)，要求采用專業(yè)的方法進(jìn)行；在對(duì)災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)時(shí)，要注意采用科學(xué)和合理的方法對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究；同時(shí)要求具有快捷方便的信息查詢。

(2) 實(shí)用性。數(shù)據(jù)庫的建立與系統(tǒng)的開發(fā)，必須滿足公路損毀信息的查詢、信息統(tǒng)計(jì)、決策分析等要求，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡潔、方便和靈活，使各級(jí)公路管理部門、災(zāi)害防治部門、決策部門的操作人員在進(jìn)行管理和使用時(shí)比較方便。

(3) 統(tǒng)一性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要對(duì)信息編碼和坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，還要對(duì)數(shù)據(jù)的精度和符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范。在公路滑坡和泥石流災(zāi)害屬性和圖像的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)，要對(duì)數(shù)據(jù)有統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(4) 延展性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展，同時(shí)還要考慮與其他系統(tǒng)的兼容，當(dāng)添加新的模塊后，要求不會(huì)對(duì)現(xiàn)有模塊和系統(tǒng)造成較大影響。由于，目前網(wǎng)絡(luò)和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，故必須滿足利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，以響應(yīng)系統(tǒng)庫內(nèi)信息的要求。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)采用Oracle作為數(shù)據(jù)庫，地理信息系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)為GIS，采用Java語言，集成二次開發(fā)的方式進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

公路工程地質(zhì)災(zāi)害信息的基本形式包括圖形、圖像、文字?jǐn)?shù)據(jù)信息3種，涉及內(nèi)容較多，信息量比較大，來源比較廣泛，是一種多源數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時(shí)，如何對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，對(duì)研發(fā)系統(tǒng)的功能和效率具有非常大的影響?；贕IS構(gòu)建公路損毀評(píng)估系統(tǒng)時(shí)，在數(shù)據(jù)組織和管理上，將圖形和屬性數(shù)據(jù)分開，通過標(biāo)識(shí)號(hào)進(jìn)行兩者的聯(lián)系。

公路損毀遙感與GIS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)接口層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層4個(gè)層次。數(shù)據(jù)層為各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行公路損毀遙感分析所用的；數(shù)據(jù)接口層實(shí)際上是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道，該通道主要是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)功能系統(tǒng)進(jìn)行交換的；業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)際上是系統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)；應(yīng)用層主要是利用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的收集與處理，包括收集與處理遙感數(shù)據(jù)、公路損毀遙感的分析與處理、損毀情況的評(píng)估與分析、應(yīng)急搶通路徑的分析等。圖1所示為系統(tǒng)的架構(gòu)。

2.5 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建立系統(tǒng)的目的是預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和管理地質(zhì)災(zāi)害的信息，達(dá)到公路管理與運(yùn)營服務(wù)的數(shù)據(jù)共享。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用客戶/服務(wù)器管理模式，將所有數(shù)據(jù)放在服務(wù)器上，客戶機(jī)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作和處理，在這個(gè)過程中，客戶機(jī)先與局域網(wǎng)和服務(wù)器通信，然后通過應(yīng)用程序進(jìn)行相關(guān)功能的運(yùn)作。

圖1 公路損毀GIS檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)架

3 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

(1) 監(jiān)測(cè)的信息。在進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時(shí)，入庫的檢測(cè)信息包括：①發(fā)生滑坡和泥石流的公路段基本信息；②監(jiān)測(cè)損毀點(diǎn)的文件和圖片信息；③該公路段的地質(zhì)、設(shè)計(jì)、影像資料及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

(2) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理。 根據(jù)所用的方法差異，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和分析，包括地表的監(jiān)測(cè)、地下的監(jiān)測(cè)與變形相關(guān)的物理量的監(jiān)測(cè)、相關(guān)因素的監(jiān)測(cè)、宏觀變形監(jiān)測(cè)等；在分析繪圖時(shí)，要根據(jù)不同的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

(3) 災(zāi)害的預(yù)報(bào)。公路滑坡和泥石流災(zāi)害的預(yù)報(bào)包括滑坡災(zāi)害和泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)兩部分。

(4) 管理與查詢。公路損毀區(qū)的信息管理與查詢包括損毀區(qū)基本信息庫和損毀區(qū)圖層兩方面。

(5) 損毀評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。通過利用各種預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路損毀信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)與處理，同時(shí)對(duì)損毀的危險(xiǎn)程度也進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷，并將結(jié)果反饋到系統(tǒng)客戶端。

4 公路損毀評(píng)估

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立

表1所示為在GIS系統(tǒng)支持下，本文建立的公路損毀數(shù)據(jù)庫和公路數(shù)據(jù)層的屬性數(shù)據(jù)。

4.2 公路損毀的檢測(cè)評(píng)估

在分析公路損毀造成的經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，本文利用受損公路段的分布數(shù)據(jù)屬性表，統(tǒng)計(jì)受損公路的長度和面積，以損毀公路單位長度的造價(jià)為依據(jù)，運(yùn)用下列公式估算經(jīng)濟(jì)損失：

E=10-3LP

表1 公路數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

其中：E表示公路損毀經(jīng)濟(jì)損失；損毀長度用L表示；單位長度造價(jià)用P表示。

在公路分布數(shù)據(jù)屬性表中，添加災(zāi)害損失字段，主要是對(duì)估算經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)算；在GIS軟件中，利用表格字段的計(jì)算器輸入經(jīng)濟(jì)損失估算公式，受損字段賦值為E，對(duì)應(yīng)長度字段為L，單位長度造價(jià)字段為P，這樣就可以將估算的經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算出來。通過GIS軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能，匯總統(tǒng)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)其進(jìn)行分析，如圖2所示；圖3所示為公路損毀遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估識(shí)別過程。

圖2 經(jīng)濟(jì)損失匯總分析

5 實(shí)例分析

本文選擇重慶市武隆縣水來鄉(xiāng)一小塊區(qū)域作為研究試驗(yàn)區(qū)，研究區(qū)域在G319國道西南區(qū)(見圖4)。區(qū)域內(nèi)公路屬山區(qū)路段，山體構(gòu)造比較松散。在持續(xù)的雨水侵蝕下，極易發(fā)生泥石流和滑坡災(zāi)害，引起該路段出現(xiàn)公路大量損毀。本文使用2010年6月17日ALOS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用公路損毀遙感監(jiān)測(cè)與GIS評(píng)估技術(shù)，得到該地區(qū)G319國道的損毀分布信息，如圖5所示，并估算出該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 公路損毀遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估

公路損毀45處，公路損毀總長度為4 582.38 m，最大長度為549.14 m，最小長度為3.6 m；公路損毀總面積為35 491 m2，假設(shè)公路造價(jià)為1 500萬元/km，估算經(jīng)濟(jì)損失為6 874萬元。由于缺少公路損毀段的詳細(xì)數(shù)據(jù)，目前還暫時(shí)不能對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)估，與更高分辨率遙感影像上的數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者的數(shù)據(jù)誤差不超過8%。

6 結(jié) 語

利用公路損毀遙感監(jiān)測(cè)與GIS評(píng)估技術(shù)構(gòu)建信息提取模型，可對(duì)公路損毀段的泥石流和滑坡等損毀信息進(jìn)行有效提取。

利用公路損毀遙感監(jiān)測(cè)與GIS評(píng)估技術(shù)構(gòu)建的公路損毀監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，可檢測(cè)公路損毀的位置、長度和面積，并可估算損毀造成的經(jīng)濟(jì)損失，有利于快速應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的公路重大損毀。

[1] 李茂嬌,楊 斌,何政偉,等.GIS技術(shù)在天山公路危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].江西建材,2015,10(12)1-102.

[2] 吳滿意,劉二洋.高速公路養(yǎng)護(hù)GIS信息平臺(tái)研究與開發(fā)初探[J].測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化,2014,30(1):20-22.

[3] 穆永寧,李延龍.公路路線設(shè)計(jì)中GIS的應(yīng)用問題研究[J].路橋科技,2015,8(2):147.

[4] 楊朝輝,袁 苑,阮 穎.基于GIS的高速公路管理平臺(tái)的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2015,28(12):123-124.

[5] 汪 鵬,陳躍東.基于GIS的高速公路數(shù)據(jù)庫建立與實(shí)現(xiàn)[J].荊楚理工學(xué)院學(xué)報(bào),2015,32(2):60-66.

[6] 王衛(wèi)東,劉 超,李大輝,等.基于 GIS的公路邊坡危險(xiǎn)性分析與預(yù)警系統(tǒng)研究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,49(3):452-460.

[7] 游曉英.基于GIS的公路建設(shè)管理系統(tǒng)[J].山西交通科技,2014(2):44-45.

[8] 朱益軍,荊偉偉.基于GIS公路邊坡數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與防護(hù)決策系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].科技通報(bào),2015,31(2):233-236.

[9] 劉曉華.基于GIS技術(shù)在公路管理中的應(yīng)用探討[J].江西建材,2015(2):152.

[10] 馬海榮,程新文,陳聯(lián)君,等.基于G I S與層次分析法的公路泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].公路工程,2016,41(1):33-38.

[11] 狄靖月,王 志,田 華,等.降水引發(fā)的西南地區(qū)公路損毀風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2015,26(3):268-277.

[12] 王曉亮.淺析GIS在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].民營科技,2015(12):20.

[13] 張 勇.公路災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界,2014,21(5):77-81.

[14] 陳蓓蓓,宮輝力,李小娟，等.綜合時(shí)序 InSAR和GIS技術(shù)地面沉降時(shí)序演化規(guī)律研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2014,10(4):1017-1025.

[15] 趙 宇,王先培,胡紅紅，等.基于紫外光譜檢測(cè)的GIS內(nèi)多類故障早期預(yù)警[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015,15(2):438-442.

·名人名言·

科學(xué)研究能破除迷信，因?yàn)樗膭?lì)人們根據(jù)因果關(guān)系來思考和觀察事物。

——愛因斯坦

Design and Implementation of Highway Damage Monitoring and Evaluation System Based on Remote Sensing and GIS

ZHAOChen1，TANGNing1，CAOHong2

(1. Geological Survey Department, Shanxi Vocational and Technical College，Xianyang 712000, Shanxi, China; 2. Institute of Safety, Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China)

Combined remote sensing image obtained by ALOS satellite with engineering practice a highway damage model with automatic extraction function was established. The system applies the GIS spatial analysis and image features, uses Oracle as the database, uses java language and the integrated secondary development technique. Based on the monitoring and evaluation system, the information of debris flow and landslide can be extracted effectively. The location, length and area of damaged roads can be detected, and the economic losses caused by damage can be estimated.

remote sensing; geographic information system(GIS); highway damage; evaluation system

2016-08-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20198015)

趙 琛(1983-)，男，回族，河南開封人，講師，主要從事地理信息系統(tǒng)、測(cè)繪工程研究。

Tel.：15686175237；E-mail：zhaochennh@163.com

P 315.7

A

1006-7167(2017)04-0045-04