GIS 集成技术在天山公路地质灾害评价与决策中的应用研究

2012-01-11黄润秋何政伟裴向军

物探化探计算技术 2012年5期

关键词：天山泥石流边坡

黄勇，黄润秋，何政伟，裴向军

（1.成都理工大学地质灾害防治与环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830000）

GIS 集成技术在天山公路地质灾害评价与决策中的应用研究

黄勇1，2，黄润秋1，何政伟1，裴向军1

（1.成都理工大学地质灾害防治与环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830000）

天山公路由于其特殊的复杂地形、地质条件及降雨等因素，严重影响其正常通行。因此，借助于GIS新技术手段优势，建立一套适合于天山公路特殊区域的评价决策支持系统，就显得尤其重要。天山公路地质灾害评价与决策支持信息系统的建立，首先在详细分析天山公路地质病害原理的基础上，收集公路沿线已有的基础地理、地学等资料，对照实地工作成果和遥感成果，结合数据库及遥感图像处理技术，按数据库规则进行相应的综合、整理、筛选、归纳及转换，建立以ArcGIS为数据平台的多源信息数据库。然后基于ArcEngine平台，开发一套集基础数据的采集、存储、管理、检索、图形编辑、空间模型分析、线路区域稳定性评价、公路地质选线，以及三维可视化飞行成果图形生成及输出为一体的地质灾害评价与决策支持信息系统操作应用平台。系统整合不同类型的数据资料和多媒体信息，实现了基于三维的空间信息查询和分析功能，势必为国土资源和交通建设管理部门提供一种可靠的决策管理应用平台。

天山公路；GIS；ArcEngine；地质灾害；集成开发

0 前言

天山公路处于新疆“二纵三横”公路主骨架中第二纵线中段，是国家规划西部重点公路建设的组成部份，更是国防公路网中的重要组成线路。由于其复杂的地形地质条件和恶劣的气候环境等因素，公路沿线地质灾害（滑坡、崩塌、泥石流）频繁发生，严重影响公路畅通。针对于天山公路现状，作者通过现代测量技术和多媒体技术，获取天山公路沿线地质灾害数据、地形影像数据和多媒体属性数据，按GIS数据模型进行集成管理。将GIS技术集成应用到天山公路中，为评价该地区的地质灾害稳定性情况，作出科学合理的决策规划的应急处理方案提供解决途径。

天山公路地质灾害评价与决策支持信息系统是基于ArcGIS Engine平台开发的一套适用于天山公路地质灾害评价与决策的管理软件，实现了信息浏览查询、稳定性评价、决策支持、三维可视化分析等功能，该系统为相关管理部门在提高天山公路地质灾害防治管理水平，地质灾害的有效防治及评价决策等方面提供了依据［1］。

1 基于ArcGIS平台的系统框架体系建立

将天山公路多源数据，以GeoDatabase数据存储方式融合集成到SQL Server 2000数据库上，采用ArcEngine和Visual C＃2005集成开发技术，利用ArcSDE空间数据库引擎对系统数据进行管理，构建了一套集基础数据的采集、存储、管理、检索、图形编辑、空间模型分析、区域稳定性评价、公路地质选线，以及三维可视化分析及成果输出为一体的“天山公路地质灾害评价与决策支持信息系统”［2］。系统的框架体系主要从以下四个方面分析。

1.1 多源数据集成

系统数据库集成了以下四类资料：第一类为基础地理信息，包括水系、行政区划、地理标注、地形、经济、人口和降雨、降雪、气温等气象等内容；第二类为地学信息，包括地层岩性、地质构造、断层、地质灾害等方面的数据要素；第三类为遥感影像数据，包括天山公路（独库段）ETM影像数据；第四类数据主要为经过对基础信息处理而得的其它数据，如数字高程模型（DEM）和归一化植被指数（NDVI）等。

1.2 区域稳定性评价与公路地质选线分析

在GIS支持下的区域，稳定性评价分析的目的主要是得到稳定性等级，并以专题图的形式直观显示。其参与评价的理论依据是工程地质类比法，该方法根据现有与灾害空间分布相关的地形变量，来预测未知灾害的空间分布［3］。系统利用ArcGIS数据管理和空间分析功能，结合信息量法模型，得到地质稳定性专题图，为公路选线提供决策依据。运用GIS进行公路沿线区域地质稳定性评价分析，将每个影响地质稳定性的因子作为一个矢量图层来考虑，通过叠加和相关数学模型，从已知稳定性的地质图元推出其它未知地质图元的稳定性。

公路地质选线的研究依据是成本叠加法：将影响公路选线设计的因素统一量纲栅格化后按权重叠加，得到多个单因素指标综合影响的成本栅格数据。在此基础上人工输入公路起点，得到每个栅格到起点的最少累加成本和路线方向。最后输入终点即可得到经过成本最低的栅格像元生成的最优路径。

1.3 地质灾害分析预测及防治决策

将GIS强大的空间分析功能与多种数学模型相结合。在进行地质区域危险性评价分析时，采用了信息量法、模糊综合评判、多元回归法；在进行单点地质灾害分析评价中，采用了Q系统分级、RMR系统分级、TSMR系统分级、十五因子法等，这些分析预测方法都是基于ArcEngine平台上通过二次开发来实现的［4］。同时，在对地质灾害进行分析预测计算的过程中，紧密结合地质灾害防治决策工程，将各种适合于天山公路的防治决策措施集成到系统数据库中。

1.4 三维可视化分析

结合ArcGIS Engine提供的三维可视化开发模块，根据ArcEngine提供的顶层SceneViewer－Control数据接口，来进行三维图形可视化显示及对鼠标操作响应等功能［5］。系统的数据集成按GIS统一的空间数据模型，将不同细节层次的多种类型数据进行一体化组织管理，并建立GIS空间数据库。这些数据包括地质灾害数据、地形数据（DEM）、影像数据和多媒体属性数据（如图像、视频和音频）。根据天山公路沿线所涉及到的场景大小、复杂程度、目的要求选择所需的数据类型，划分合理的细节层次，来实现天山公路地区三维可视化功能，同时还提供了空间信息查询和地形剖面图分析功能［6］（见下页图1）。

2 系统主要功能的实现过程

2.1 区域稳定性分析评价

根据天山公路沿线地质灾害类型、分布特征，以及定量计算结果，在定性分析基础上，可将天山公路沿线分为十个地质灾害危险性区段，具体如下：

（1）Ⅰ区（K552＋000～K627＋000）：本区地貌上属于构造剥蚀中山地貌，线路于K583＋600翻越一个小达坂后逐渐进入奎屯河流域，沿奎屯河谷蜿蜒前行。岩体主要以石炭系的凝灰岩为主，局部有砂岩、砂岩夹炭质页岩、辉绿岩、蛇纹岩出露，第四系覆盖层以洪积物为主。区内工程地质条件简单，仅在K601＋140～K603＋140段集中出现了一处崩塌、一处小型滑坡和四处小型泥石流，给本段公路带来一定影响。本区属危险性小区。

（2）Ⅱ区（K627＋000～K662＋540）：本区地貌上属于构造剥蚀高山地貌，线路沿奎屯河逆流而上直到哈希勒根达坂，河谷两岸山体陡峻，高差很大。该区地质条件复杂，环境恶劣，冻融作用十分强烈，岩体破碎，植被很不发育。哈希勒根达坂附近常年积雪，春夏季积雪融水成为奎屯河主要补给水源，达坂北坡可清晰看到古冰川及古泥石流的活动痕迹。岩体类型主要以石炭系的玄武岩、板岩、花岗岩、石英闪长岩为主，第四系覆盖物以冲洪积、崩积物为主，局部夹有少量坡积物。区内工程地质条件复杂，各种灾害频繁发生，共发育有八处较大规模的崩塌，十二处大规模影响公路运营的泥石流，危岩体、潜在不稳定斜坡数量较多，为危险性大区。

图1 系统结构体系图Fig.1 The frame of system structure

（3）Ⅲ区（K662＋540～K692＋000）：本区属于高山、山间平原地貌，其中K662＋540～K683＋000属高山地貌，K683＋000～K692＋000属山间平原地貌。线路向南翻过哈希勒根达坂，沿山坡辗转而下，进入乔尔玛草原。达坂南坡气候相对北坡明显好转，降雨充沛，植被较发育，部分地带十分发育，岩体结构完整性较好，灾害数量种类显著降低。乔尔玛草原为古冲积平原，地势开阔、平坦，基本无不良地质灾害。区内岩体类型主要是石炭系花岗岩，土体类型为冰碛物（主要位于山坡上）及冲积物（主要位于冲积平原）。区内工程地质条件简单，为危险性小区。

（4）Ⅳ区（K692＋000～K714＋000）：本区为山间河谷地貌，线路沿阿拉斯坦河右岸前进。区内雨量充沛，植被发育，但地层岩性及岩体结构较为复杂，岩性变化频繁，主要有安山岩、砂岩、花岗岩、千枚岩等，土体类型主要有冰碛、冲洪积物。区内潜在不稳定斜坡较多，K702＋000处曾发生山体滑坡，所引发特殊泥石流（岩崩碎屑流）堵塞河道形成堰塞湖，且此处还有大型崩塌产生阻断交通。所以本区工程地质条件一般，为危险性中等区。

（5）Ⅴ区（K714＋000～K759＋000）：本区属高山地貌，公路在山坡上盘行并翻越玉希莫勒盖达坂。区内海拔较高，冻融作用较严重，老隧道由于未做好防水处理，被冰封后无法通行。山坡上植被较发育，但岩体较为破碎，K745＋360处可见到一条较大规模的断层。岩体主要以安山岩、安山玢岩、花岗岩为主，局部出露有炭质页岩，土体类型主要为崩坡积、冰水堆积物。本区内除K727＋500～K748＋000条件较好外，其余路段工程地质条件一般，局部地质灾害发育，K715＋380～K715＋490发育有一处小型泥石流，K755＋000～K759＋000发育有一处在活动期的滑坡，对公路造成较大影响，为危险性中等区。

（6）Ⅵ区（K759＋000～K784＋000）：本区属山间河谷地貌，线路沿克科萨依河展布。区内气候条件较好，植被发育，岩体相对较完整，局部因切坡形成高陡边坡及小型崩塌对线路有一定影响。主要出露有石炭系的玄武岩、安山岩、砂岩，土体类型主要为第四系的坡积，冲积物。区内工程地质条件较简单，为危险性小区。

（7）Ⅶ区（K784＋000～K807＋000）：本区属中山区，线路沿山坡盘行，翻越拉尔敦达坂。区内气候条件好，植被发育，山势较平缓，基本无高陡边坡，局部的小型垮塌对公路影响较小，于K794＋900处可见到一条断层。岩土体类型主要为凝灰岩、花岗岩及第四系坡积物，工程地质条件简单，为危险性小区。

（8）Ⅷ区（K807＋000～K906＋000）：本区属山间平原地貌，线路在巴音布鲁克大草原上展布。区内主要为冰水堆积物及冲积物，地势平坦，开阔，气候条件较好，植被发育，基本无不良地质灾害，为危险性小区。

（9）Ⅸ区（K906＋000～K990＋520）：本区属高山及高山河谷地貌，其中K933＋200～K946＋000属于高山区，其余均属高山河谷区。线路由巴音布鲁克大草原进入巴音郭愣河流域，在K911＋850处转入呼屯郭愣河流域，沿河谷前行翻越铁力买提达坂后顺山坡而下，进入卡尔脑河流域。区内海拔较高，冻融作用强烈，岩体破碎，尤以K924＋600处大塌方阻断交通后基本无任何养护，造成公路破坏严重，崩塌、泥石流频繁发生。大塌方处危岩体十分发育，随时有下落的可能；铁力买提达坂南部线路水毁十分严重，局部地段路基已被掏空；K937＋106～K942＋300在一侧山坡形成多级公路，同时受到崩塌落石的影响；K949＋000～K952＋200连续爆发较大规模泥石流，目前仍频繁活动；K957＋720～K958＋700处古滑坡造成堰塞湖（大龙池、小龙池），洪水期可淹没路面。岩体类型主要为千枚岩、板岩、灰岩、花岗岩及少量的砂岩、底砾岩，土体类型主要为坡积、冲洪积物。本区工程地质条件十分复杂，为危险性大区。

（10）Ⅹ区（K990＋520～K1089＋000）：本区属山间河谷，平原（戈壁）地貌，随着山势逐渐变缓，河谷逐渐开阔，线路出天山山区，进入南疆平原。区内气候干燥少雨，蒸发较强，植被很不发育，岩体受风蚀严重，较为破碎，可见到十分明显的雅丹地貌。区内的地势平坦，起伏较小，原有路况好，局部有小型崩塌及斜坡问题，但较易治理；泥石流病害对公路危害相对较小。岩土体类型主要为砂岩、砾岩及第四系冲积物，工程地质条件简单，为危险性小区。

在此基础上，区域稳定性评价分析从定性分析逐步走向定量分析，系统在开发实现过程中，主要依托大量的综合海量数据库（包括气象、水文、土壤、岩性、地质构造、地形地貌、各种重大灾害点详细信息等），利用ArcEngine针对于研究区内空间数据库和栅格数据的空间分析功能，并结合信息量评价分析模型，采用 Visual C＃2005和 ArcEngine集成开发技术，实现了该研究区域内的地质稳定性评价分析专题图（见图2）。

区域稳定性分析评价主要过程包括三个模块，它们分别是：

（1）矢量叠加模块。将所有因素对应的图层进行叠加，叠加生成的矢量图层将包含评价因素图层的所有字段。

（2）指标体系模块。本模块是在地质稳定性评价分析时必须进行的也是最重要的一个步骤［7］。具体实现三个功能：①新建指标体系；②维护，更新指标体系；③对定性指标量化，并和图层数据建立一一映射关系。

图2 以信息量法生成的区域稳定性评价分析图Fig.2 The chart of evaluate and analysis in the region stability based on information model

（3）地质稳定性评价模块。在该模块中采用信息量法作为分析模型，并编程实现该地区的地质稳定性评价分析专题图。

2.2 公路地质选线分析

在区域稳定性分析的基础上，我们可以定量地判断出研究区内的地质结构稳定性情况。在公路选线过程中，采用的研究思路就是基于该结论进行人机交互式判读，从而可以动态地求取该地区的线路，为高山地质灾害频发地区提取快速的信息解决方案。系统在实现过程中主要是基于GIS空间分析功能，进行多因素、多层次栅格数据叠加分析，然后进行栅格单元可选性的优劣评判，自动连线，最终得到形成线路方案［8］，如图3所示。

公路地质灾害选线分析主要包括以下三个过程，它们分别是：

（1）栅格重分类。在选线分析中，要用到稳定性分析栅格数据、坡度栅格数据和土地利用栅格数据等。为了消除量纲影响，使得各类数据之间具有量值可比性，在选线分析之前需要将坡度和土地利用数据进行重分类（因稳定性结果已分为1～4，故不用再分）。分类原则是级别越高，路线通过性越低。

（2）栅格权重叠加。在选线分析中，各个因子指标对路线走向的贡献率不同，故按照其重要程度将各个栅格数据附某一权重数值。叠加后的结果就是Σ（权重×栅格象元值），每个象元值代表路线经过时的成本。

（3）最优路径生成。在系统设计中，我们坚持“以人为本”的原则，努力减少用户操作步骤。因此将距离成本和方向成本的生成在后台完成，并且做到了不产生临时文件。在该步中，利用上步生成的成本数据，输入公路的起点和终点，即可得到最优路径，即经过成本最低的栅格象元的矢量线数据。

由此可见，在实际运用过程中，为了更加贴近实际情况，我们应该进行更多更好地人机交互工作，客观合理地确定出各个因子指标的权重，通过多次修改和对比，必定能设计出成本最低且符合实际需要的路径。

2.3 路害评价及防治决策智能系统的构建

路害评价在公路病害预测及防治等方面都有着非常重要的意义。要求进行基于ArcGIS软件平台的二次开发，研制出一套适合于地质灾害（天山公路沿线主要地质病害包括边坡稳崩塌、泥石流、水毁灾害等）的评价分析，能在基于常规岩体力学计算的基础上，进行地质灾害的敏感性分析，能在对模型分析研究基础上，对模型进行时间和空间的延拓，建立评价标准及预测模型，从而达到对典型的重大地质灾害进行稳定性评价与预测。在此基础上，能为沿线地质灾害的宏观评价与防治决策提供支撑。

图3 公路地质选线优化图Fig.3 The chart of highway geology routing

在本系统中，拟从以下几方面研究：

（1）路害快速评价方法研究。

（2）路害分类指标体系的建立。

（3）路害地质分类方法研究。

（4）基于防护设计的路害地质分类（以GIS基础信息为平台）。

（5）信息化施工接口技术。

具体来说，路害评价子系统通过运用一些经典的数学模型和数学方法，对边坡崩塌、泥石流和水毁进行危险性评价，并且可以通过此模块对现有的边坡、泥石流、水毁的基础信息和图片影像等多媒体信息进行查询、修改、删除、导出。结构如图4所示。

2.3.1 边坡评价

边坡分析包含一个窗体HarmAnalysis＿Slope，逻辑表如下页表1所示。

边坡评价主要实现斜坡信息的明细显示，并运用多种数学方法和模型对其危险性进行评价。边坡功能结构如图5所示。

图5 边坡评价分析子系统结构图Fig.5 The system structure of the slope analysis and evaluation

边坡分析预测主要考虑五大影响因素，采用四种分析预测方法，如图6边坡列表详细信息。

2.3.2 泥石流评价

泥石流评价分析包含一个窗体HarmAnalysis＿DebrisFlow，具体界面逻辑如下页表2所示。

泥石流评价主要实现斜坡信息的明细显示，以及运用多种数学方法和模型对其危险性进行评价。结构如图7所示（见下页）。

用户可通过此模块查询、修改、删除、导出以泥石流沟名为索引的泥石流基础信息和图片影像等多媒体信息；可以通过分析计算泥石流的危险度、泥石流流速、泥石流流量等相关数值。具体见下页的图8、图9及图10。

表1 边坡评价界面逻辑表Tab.1 The logical table of the ramp evaluation interface

图6 斜坡列表信息Fig.6 The information of ramp list

表2 泥石流评价界面逻辑表Tab.2 The logical table of the debris flow evaluation interface

图10 十五因子法Fig.10 The fifteen factor method

2.3.3 水毁评价

水毁评价分析包含一个窗体HarmAnalysis＿WaterDestroy，具体界面逻辑如表3所示。

水毁评价主要实现斜坡信息的明细显示，以及运用多种数学方法和模型对其危险性进行评价。结构如下页图11所示。

2.3.4 路害防治决策智能系统的构建

该模块要求研制出一套适合于地质灾害（包括边坡稳定性、泥石流、水毁灾害等）的，基于专家系统的地质灾害防治决策支持系统，依据地质灾害的分类体系制定总体防护方案。在此基础上，挑选典型路段，提出防护的具体措施，并对防护措施和方案进行地质～工程优化分析。更进一步，针对少数重大地质灾害，依据物理模型、数学模型的分析结果，进行防护措施系统优化设计。结构如图12所示。

表3 水毁评价界面逻辑表Tab.3 The logical table of the water damaged evaluation interface

（1）边坡防治决策。边坡决策支持包含一个窗体DebrisSlope，具体界面逻辑如表4所示。

边坡防治决策见图13。具体算法如下：首先将影响因素建库并编号，然后根据用户的选择在数据库中提取因素组合，再根据组合得到水毁防治决策方案。

对于典型边坡灾害地段，得到专家防治方案，同时为了直观现实，将该边坡的图片、文字描述一并进行显示。

表4 评价界面逻辑表Tab.4 The logical table of the ramp evaluation interface

（2）泥石流防治决策。泥石流决策支持包含一个窗体DebrisFlow，具体界面逻辑如表5所示。

泥石流防治决策主要实现应用物理模型，数学模型的分析结果与泥石流堆积物的分布位置，泥石流的发展阶段相结合，进行防护措施系统优化设计，提出泥石流防治决策方案。

泥石流防治决策算法界面见图14。

图13 斜坡防治决策界面Fig.13 The computing interfaces of the ramp decision－making

表5 泥石流评价界面逻辑表Tab.5 The logical table of the debris flow evaluation interface

图14 泥石流防治决策界面Fig.14 The computing interfaces of the debris flow decision－making

（3）水毁防治决策。水毁防护根据防护类型的机理，可分为直接防护和间接防护。

水毁决策支持包含一个窗体DebrisDestrory，具体界面逻辑如表6所示。

水毁防治决策方法分为以下两种，分为水毁推理防治决策法和水毁组合防治决策法，见图15及图16。

表6 评价界面逻辑表Tab.6 The logical table of the water damaged evaluation interface

2.4 其它子系统的构建

根据实际需求，综合决策系统中还构建了气象与水文子系统、景观美化及生态保护子系统等，由于篇幅所限，这里不再一一展开论述。

2.5 三维可视化功能的实现

三维可视化广泛应用于地质和地球物理学的所有领域。三维可视是描绘和理解模型的一种手段，是数据体的一种表征形式，并非模拟技术。它能够利用大量数据，检查资料的连续性，辨认资料真伪，发现和提出有用异常，为分析、理解及重复数据提供了有用工具，对多学科的交流协作起到了桥梁作用。

GIS三维可视化技术根据所建立的场景模型以及场景中各实体对象运行时的参数来生成实时场景，还能将公路地质优化线路与原有线路在三维空间中进行对比分析，有助于管理决策者对空间数据相互关系的直观理解［9］。在系统开发过程中，主要是利用ArcEngine提供的顶层SceneViewer－Control数据接口，来进行三维图形可视化显示及对鼠标操作响应等功能，利用ArcEngine对象库中提供了IMap、IDisplay、IRubberBand和IEnvelope接口，将系统原有的二维视图中的信息传递到三维视图窗口中。在实现过程中，axSceneControl控件负责传递过来图层的三维显示以及鼠标操作分析响应功能。具体实现界面如下页图17所示。