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(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

浙江省是一个沿海省份,海岸线漫长,沿海大部分地区无山体阻挡，有超过千万的人口和良田直接处在大潮水位之下，依赖海塘工程保护人民的生命财产安全[1].海塘是一种建在沿海的人工屏障，用于阻止潮水上涌入附近生活区，对保护塘内耕地和平民生活起着重要作用.然而随着经济和科学的不断发展，旧时代下的海塘管理已经无法满足现在的社会发展需求.传统的海塘管理模式在资料收集、信息统计等方面存在一定局限性，无法快速方便的反映海塘信息，也难以快速查询和对比各项数据，地理信息系统技术(Geographic in-formation system或 Geo-information system，GIS)为海塘信息的获取与分析提供了一个新的方法[2].以浙江栲门海塘为例，设计了舟山栲门海塘工程地理信息管理系统.海塘是舟山岱山县最重要的防灾减灾工程措施，栲门海塘工程信息管理系统是岱山海塘建设和管理重要的非工程类措施之一.

1 地理信息系统描述

地理信息系统(GIS)既是一种特定的空间信息系统，又是一种决策服务系统，具有信息系统的各种特点.它结合地理信息科学，采用现代化的方法收集、存储、分析、管理和显示与地理空间分布有关的数据和图形，为管理、模拟、规划和决策提供服务[3-4].同时，它又是一种应用性很强的技术系统，以空间信息数据库为基础，采用地图模型分析方法，在计算机硬、软件系统支持下，处理各种专题地图、遥感数据、观测资料等.利用GIS可以高效管理各种空间地理信息和属性信息，包括数据查询、使用和数据库更新，还可以对各类数据进行空间分析、统计分析以及综合分析[5].

从应用的角度，地理信息系统由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成.硬件和软件为地理信息系统建设提供环境；数据是GIS的重要内容；方法为GIS建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其他几个组成部分[6].GIS有多种概念模型，一是通过计算机系统实现用户管理的软件模型；二是使用某种公共结构，用于描述数据与数据之间关系的数据模型；三是包含图形运算、统计数据识别、空间信息检索、网络分析等的空间模型[7].

GIS具有以下几个特点：

1) 地理信息再生性.通过处理所存储的地理信息产生新的地理信息.

2) 地理信息测量的还原性.在地理信息系统中，可以不受地图投影影响，将地图测量还原为地表的测量来提高地图测量的精度.

3) 空间图形的分离性.空间属性在地理信息系统中用基本图形显示，实现属性与地图的分离.

4) 空间图形的任意缩放性.由于地理信息分析应用可以任意无比例缩放，能拼接不事先处理的各种比例尺图形.

随着信息时代和计算机技术快速发展，凭借着强大的数据处理能力和结果显示能力，GIS在海塘保护方面、环境保护方面，以及资源控制方面的应用前景十分广阔.同时，GIS将地图数据图形化，对空间信息数据进行有效管理，使用计算机程序模拟一般的或特定的地理分析方法，使现实世界对象的表达和分析更加丰富和有效，从而完成传统方法难以完成的任务，所以必将是海塘工程信息管理的发展方向和必然趋势.

2 基于ArcGIS的栲门海塘信息系统设计

2.1 系统逻辑结构

浙江栲门标准海塘位于舟山岱山县本岛北部东沙镇(原泥峙镇和东沙镇)境内，距高亭镇15 km，栲门海塘塘线东起燕窝山蟹钳嘴，西至新道头的东沙大闸，朝向西北、遥对杭州湾、濒临岱山衢洋渔场.栲门海塘全长3 512 m，同栲门大坝共同形成栲门闭合围区.保护面积7 853 000 m2，受益人口12 500人.栲门大坝位于栲门海塘东北端，始建于1972年，完建于1974年，大坝全长450 m，是深水堵港大坝，围涂促淤面积3 800 000 m2.因所处区域风高浪大，栲门大坝有“浙江抗台第一坝”之称，2007年7月底完成了大坝维修加固工程.

栲门海塘工程信息通过ArcGIS建立一个地理信息系统，将海塘工程信息与其他信息集成在一起并实现共享，该系统逻辑结构主要由四层组成，一是用户管理界面层；二是数据采集层，依靠传感器和监测器获得相应的数据信息；三是信息处理层，该层是系统的主体层，用于建立满足不同需要的基础数据库和特定数据库；四是反馈查询层，由几个应用系统构成，用于管理人员的安全监控和应急处理.系统逻辑结构如图1所示.

1—管理界面层；2—数据采集层；3—信息处理层；4—反馈查询层

2.2 系统界面

栲门海塘工程地理信息管理系统依据海塘线上综合工程的结构型号、地质条件、塘顶沉降、塘前滩涂、海塘走向等因素选取五个断面桩号，分别为200，1 100，1 800，2 500和3 200，作为用来检测海塘的稳定性和沉降偏移的桩号.在一个数据框架下建立了断面分界处、各个断面、地名、示廓线、内陆、海域、建筑大坝7个图层.图2为基于ArcGIS建立的舟山栲门海塘地理信息系统界面.

图2 栲门海塘工程管理地理信息系统界面

3 栲门海塘信息系统功能

3.1 系统基本功能组成

栲门海塘工程信息系统的设计功能主要表现在专题地图、数据输入、信息查询和显示、数据处理、信息反馈输出和安全预警上，如表1所示.该系统首先将海塘工程信息输入地理信息系统的数据库，将计算机图形和数据库融为一体，建立快捷方便的信息数据库，再在数据库基础上进行信息的查询，通过属性查询快速得到各组数据，然后采用空间模型分析方法实现准确、高效、综合地对复杂的工程信息系统进行空间定位和数据动态分析.依据地理信息系统的空间数据分析和空间信息双向查询功能生成具有实用价值的专题地图，在专题地图上输出所需信息.

表1 系统功能描述表

3.2 数据录入

系统建立了7个图层，每个图层有相应的属性表，例如“各个断面”图层有“Attribute of各个断面”属性表，在属性表上根据具体的情况增添所需字段，并将数据录入.栲门海塘的数据主要输入在“各个断面”属性表中.除此之外，由于断面的数据比较多，因而又增添了两个Dbase Table属性表，分别为“典型断面情况表”和“横断面高程与尺寸检测表”.

3.3 属性查询

3.3.1 属性表

ArcGIS中，每个空间数据有其相对应的属性表.属性表是数据库的组成部分，一般使用ArcMap的属性表来查看地理要素的各个属性[8-9].属性表可以储存与要素有关的信息，可以将信息与空间数据连接起来.在表中可以识别具有特定属性的要素，同时在地图上选中这些要素，用来更新属性，反映地理要素的变化.例如，栲门海塘地理信息系统的设计中，在“各个断面”这一图层中，对每个要素都增添了两个字段，即名字和断面图片，打开属性表即可见.

3.3.2 属性表图片显示

ArcGIS中，超链接是一个通道，用户可以扩展到非表状属性数据来进行要素及其属性的查询.超链接的属性一般存放在要素属性表的字段里，在地图上点击相应要素，就能显示该超链接.通常利用超链接进行加载图片和文档，使外部的内容能显示在ArcMAP中，方便用户查询和使用.例如各个断面图层中，使用超链接在断面图片这一要素中加载断面地基及塘身土层分区图，当鼠标点击任何一个断面能够显示该断面的图片.

3.3.3 属性表字段显示

字段是数据库中某个要素所特有的一个属性，属性表可以对一些特定的属性进行控制[8].若需要其显示时，可以将其显示在地图上，并且会随地理要素一起移动，会随地理要素的放大缩小进行相应的放大缩小，相比之下，使用文本形式的字段不仅不能选择显示状态，更不能随之变化.因此，使用字段显示功能给海塘工程管理带来极大的便利，也使地图文档更加简练直观.

3.3.4 属性表的连接

建立表与表之间的连接，可以使查询的功能、内容得到扩展.属性表与属性表之间可以通过两种方法连接起来，分别是“Join”和“Relate”.使用“Join”法，将一组数据根据对应字段加到另一组数据中；使用“Relate”法，这两个属性表在显示外观上不变，但在逻辑上实现了关联.当要同时查询两个属性表的数据时，可以在一个属性表中选中相应的要素，然后使用Relate使另一个表中相同的要素部分同时被显示，这样就方便地实现在不同属性表中的查询.

例如在海塘各个断面和典型断面的查询中，使用Relate可以轻松实现多个属性表同时显示的功能，利用该功能将“各个断面”和“典型断面情况表”联动起来，如图3所示.

图3 两个属性表联动图

3.3.5 属性表的双向查询

GIS的空间查询、统计分析功能可以帮助用户实现属性与地图之间的双向查询和浏览，同时为用户提供相应的统计数据.属性表的查询可以有两个方法，一是直接通过选择要素进行查询，在图上选择一个或几个要素，被选中的要素会在属性表中变成不同的颜色；二是按特定字符串查询，使用Find对话框来查找输入的相应内容，系统提供了3种不同类型的字符串查询，即按字段的任意部分、全字段和字段头查询.

3.4 栲门海塘断面信息管理

在地图文档上，一般只显示断面的图例，无法直接通过地图了解相应断面的一些数据，若是打开属性表，也需要通过点击相应的要素才能把数据和断面联系起来，显然在便利性和直观性上有欠缺.为快捷看到这些数据，可以将这些数据直接显示在图上，如图4所示，将防浪墙实测高程数据显示在图上.这样不仅便于查看，也便于比较，在不需要时也可以不显示.由于这个数据还能随图例的变化发生变化，因此不用担心对图例的放大和缩小，便于管理.

图4 栲门海塘断面信息显示

3.5 栲门海塘信息处理

3.5.1 断面信息统计

地理信息系统的图表功能可以快速结合数据库数据建立饼状图、柱状图、折线图等，为用户分析数据提供便利.断面信息主要存放于图层“各个断面”、“典型断面情况表”和“横断面高程与尺寸检测”中，选中“横断面高程与尺寸检测”，这个属性表中记录了每个断面的主要信息，选择与高程有关的数据进入统计，然后记录，得到一张反映指标对比的矩形统计图，如图5所示.

图5 横断面高程与尺寸比较统计图

利用ArcGIS，不仅可以对数据进行纵向对比，同时也能进行横向对比.海塘各断面竣工时与现在检测的数据有防浪墙顶高程、堤顶路面高程、堤顶路面宽度、提防外侧尺寸(挡墙坡度、消浪平台高程、消浪平台宽度、干砌石斜坡坡度、镇压层内外侧高程、平台高程、平台宽度)，为了将这些数据进行直观比较，可以随意选取其中一个或者多个指标进行绘制折线图将数据展示出来.例如“横断面高程与尺寸检测”图层上，将“防浪墙顶高程设计值”和“防浪墙顶高程实测值”、“堤顶路面设计高程”和“堤顶路面实测高程”绘在折线图上，如图6所示.从图6中能清楚地显示断面实测与设计的差值，各断面危险性高低，同时帮助工作人员查清原因，预防事故发生.

图6 断面信息折线统计图

3.5.2 栲门海塘工程安全预警

栲门海塘地理信息系统不仅可用于信息查询和检索，而且可通过处理信息来比较和鉴定海塘安全.海塘大坝安全鉴定中一项较为重要的指标是塘顶高程差值，即达到防潮标准要求的塘顶高程与每次所测塘顶高程的差值.表2为各典型断面塘顶高程差值，从表2中可以看出：典型断面一到典型断面四均发生了不同程度的沉降，其中最大塘顶高程差为0.43 m，典型断面五不但没有下降反而上升了0.2 m.栲门海塘的5个典型横断面高程与尺寸检测结果表明，海塘的堤顶路面、平台宽度等尺寸依然能满足设计要求和现行规范要求，但是各个断面出现不同程度的沉降.经过长期运行，海塘存在消浪设施损失比较严重，背海坡严重腐蚀和沉降，但是结构整体性较好，没有出现滑动、倾斜、大裂缝等现象.从上述折线图中可见海塘起始段与结尾段沉降较小，中间部分沉降较大，其中最大的有0.43 m，平均达到0.22 m，并且高程大部分较竣工时偏低.

表2 挡浪墙高程差值

4 结 论

海塘工程地理信息管理系统应用ArcGIS实现信息查询和处理的便捷性，改进了传统手工管理的复杂和繁琐.利用属性表可以快速完成查询与检索，将所需原始数据快速呈现.通过信息的输入，采用计算机网络技术处理相应的数据，比较前后结果能够实时监测海塘的安全性，减少海塘在未知情况下的事故，将在防潮减灾，洪水管理中发挥重大作用，一方面节省大量的人力物力，同时也提高了管理的水平和效率，实现海塘管理的科学化.栲门海塘将地理信息系统结合用于工程管理中，解决了一些问题，但只是实现了部分功能，还有很多需要改进的地方，如实现三维的海塘ArcGIS和数据模拟，更加直观显示海塘的变化等等，这方面也是后续研究工作的重点.

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