GIS 在巖土工程中的開發(fā)與應用

李鵬遠 包春燕

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System或Geo-Information System,GIS),都是有針對性地建立的,處理的對象也都是各種空間實體和空間關系,現已被廣泛應用于城市規(guī)劃、資源管理、水利、巖土工程等各個領域。它是一項以計算機為基礎的新興技術,在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下,對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布的海量數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。通過對多因素的綜合分析,它可以迅速地獲取滿足應用需要的信息,然后以地圖、圖形或數據的形式表示處理的結果。GIS應用技術上的突破,很大程度上是由于GIS軟件的成熟和商用化程度的提高。國際市場上有大約300家各類GIS軟件研制和供應單位,常用的GIS軟件達到400多種,國外主要有ARC/INFO,GENAMAP,MGE。國內較著名的有MAP/GIS,GEOSTAR和CITYSTAR等。

1 GIS在巖土工程中的應用實例

盡管現存的GIS軟件很多,但對于它們的研究應用,歸納起來有兩種情況:1)利用GIS系統(tǒng)來處理用戶的數據;2)在GIS的基礎上,利用它的開發(fā)函數庫二次開發(fā)出用戶專用的GIS軟件。在巖土工程領域,GIS的應用雖然起步較晚,但是發(fā)展卻相當迅速。

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,具有很高的重復利用的價值,可以充分利用GIS系統(tǒng)中龐大的綜合信息,為實現地理信息共享等做出貢獻。巖土工程勘察信息系統(tǒng)的建立分為四個階段:錄入數據、軟件運用、二次開發(fā)和系統(tǒng)運行,首先輸入大量的已知鉆孔信息在選擇的軟件上,經過一系列軟件上的處理工作,形成一個大的良好的區(qū)域共享,主要特點是勘察設計各環(huán)節(jié)使用計算機作業(yè),勘察階段為設計階段提供接口數據文件,使得數據傳遞流暢,在各專業(yè)工種間及同區(qū)域內各勘察設計部門間,達到數據共享與協同操作,以提高勘察設計的效率,節(jié)省人力,縮短設計周期。

1.2 GIS與地質災害[2]

1)滑坡方面。滑坡災害是在地球表層一定空間范圍和一定時間內發(fā)生的一種災害現象。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,時間快慢上也有很大差別,但它們都是災害孕育環(huán)境與觸發(fā)因子共同作用的結果,滑坡災害及其影響因素都與空間位置密切相關,因此利用GIS技術不僅可以對滑坡災害及其相關信息進行管理,而且可以從不同空間和時間尺度上分析滑坡發(fā)生與環(huán)境因素之間的統(tǒng)計關系,定量或半定量地評價滑坡災害發(fā)生風險及其可能的災害范圍。2)砂土液化方面。在強烈地震作用下,處于地下水位以下的砂土,其性質可能發(fā)生明顯的變化,致使分析方法大多還是采用傳統(tǒng)的工程地質研究方式,即單純的試驗、計算和得出結論,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,加之其往往為整個防災救災系統(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用

第一個地理信息系統(tǒng)產生于20世紀70年代的加拿大,是針對土地開發(fā)和保護并為農業(yè)服務,于20世紀70年代初研究成功第一個實用意義上的地理信息系統(tǒng)(CGIS)。早在1970年～1976年,美國地質調查所就建立了50多個信息系統(tǒng),作為管理地理、地質和水資源等領域空間信息的工具。1989年,美國Peter Douglas C等用GIS對工程數據進行分析評價,并取得良好效果[2]。1989年和1991年美國科學基金會與聯邦高速公路管理處利用GIS建立了美國巖土工程試驗現場信息系統(tǒng),對美國所有巖土工程試驗現場所得的數據進行處理、管理、演示及輸出[4]。南京大學地球環(huán)境計算工程研究所應用三維地質建模技術,對潤揚長江公路大橋北錨碇的地基進行三維地質分析,并通過數據轉換接口,將其移入GIS數據庫中進行各項空間分析。

2 GIS在巖土工程的發(fā)展趨勢

綜合上述國內外的應用實踐可以看出,在巖土工程GIS應用研究方面,國內與國外還是存在著一定差距,主要體現在以下兩個方面[5]:1)國外的研究領域十分廣泛和系統(tǒng),包括區(qū)域工程地質、工程勘察、滑坡、砂土液化、地質災害總體評價等,尤其在滑坡方面,研究十分全面和深入。國內除煤礦地質災害中應用相對較多,其他方面涉及較少。對于環(huán)境巖土工程的前沿課題幾乎空白。2)從20世紀70年代至今,國外GIS技術的應用已從簡單的數據處理、圖形輸出,發(fā)展到空間分析,DEM,DTM的使用,GIS與有關專業(yè)擴展模型(如統(tǒng)計模型、力學模型等)的結合,GIS與DSS的集成,乃至GIS虛擬現實技術的運用。而國內GIS應用研究在90年代以后才逐漸開展起來,各方面結合和運用還很欠缺。

對GIS本身來說,其發(fā)展趨勢可從三個方面來看:1)硬件方面。分布式計算機環(huán)境、多媒體技術、虛擬現實技術、手指跟蹤技術等都將改善GIS的工作環(huán)境和狀態(tài),這勢必會使有關的專業(yè)問題研究變得更加科學、簡便、快捷。2)軟件方面。三維GIS和時態(tài)GIS將成為以后幾年的熱點課題之一。3)GIS,RS,GPS的集成。目前,RS與GIS的集成已達到了“無縫結合”的階段,但GIS,RS,GPS三者真正意義上的集成還未解決,尚需進一步研究。

3 基于MapX控件的GIS應用軟件開發(fā)研究[6,7]

MapX是MpInfo公司推出的地圖控件,它可以在應用程序中方便地插入各種地圖,可以使用VB,VC++,PowerBuilder,Delphi等面向對象語言來創(chuàng)建應用程序。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致的圖象。MapX還提供強大的地理信息查詢與統(tǒng)計功能,可以和遠程數據庫掛接;可以使用SQL語句進行查詢;可以通過數據綁定而把記錄顯示在地圖中;可以按照數據的地理信息進行各種統(tǒng)計與查詢。和GPS相結合還可以顯示大面積上的移動對象,這些特點也正是MapX適用于開發(fā)GIS的主要原因。基于MapX控件的GIS應用軟件系統(tǒng)采用MapX組件與面向對象可視化編程語言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)還具有可擴展性,使開發(fā)者能根據實際情況添加其他應用功能。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作為控件插入到應用程序中,然后通過設置其屬性和調用其方法,響應其事件來實現的。

4 結語

隨著巖土工程理論和技術的進一步完善以及GIS技術的不斷發(fā)展,GIS在巖土工程中的應用將會更加廣泛和深入,也只有在全面深入的基礎研究條件下進行的GIS分析才是可靠的,也就是說基礎資料的收集、必要的野外調查試驗及室內分析試驗等傳統(tǒng)的研究方法是最基礎的工作。由此可見,將傳統(tǒng)方法與GIS技術相結合應用在巖土工程中,將具有廣闊的前景。

[1] 雒林林,陳情來,張春生.GIS在我國巖土工程中的應用[J].東北測繪,2002,25(3):57-58.

[2] 沈 芳,黃潤秋.地理信息系統(tǒng)與地質環(huán)境評價[J].地質災害與環(huán)境保護,2000,11(1):6-10.

[3] 包惠明,胡長順.GIS支持下巖土工程勘察設計一體化[J].水文地質工程地質,2002(2):74-76.

[4] Jean Benoit,Pedro A de Alba,Stephen M Sawyer.National geotechnical experimentation sites center data repository[A].David Frost J,Jean Lou A Chameau.Proceedings of Geographic Information Systems and Their Application in Geotechnical Earthquake Engineering[C].Atlanta:Ameri can Society of Civil Engineers,1993:17-21.

[5] 方海東,施 斌,王寶軍.GIS在環(huán)境巖土工程中應用的回顧與展望[J].桂林工學院學報,2001,21(4):371-375.

[6] 馮永玉,時三帥.基于MapX控件的GIS應用軟件開發(fā)研究[J].礦山測量,2004(1):32-34.

[7] 管志杰,趙 政.使用MapX開發(fā)地理信息系統(tǒng)[J].微型電腦應用,1999(7):6-81.