GIS 集成技術在天山公路地質災害評價與決策中的應用研究

黃 勇，黃潤秋，何政偉，裴向軍

（1.成都理工大學 地質災害防治與環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.新疆交通科學研究院，烏魯木齊 830000）

GIS 集成技術在天山公路地質災害評價與決策中的應用研究

黃 勇1，2，黃潤秋1，何政偉1，裴向軍1

（1.成都理工大學 地質災害防治與環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.新疆交通科學研究院，烏魯木齊 830000）

天山公路由于其特殊的復雜地形、地質條件及降雨等因素，嚴重影響其正常通行。因此，借助于GIS新技術手段優勢，建立一套適合于天山公路特殊區域的評價決策支持系統，就顯得尤其重要。天山公路地質災害評價與決策支持信息系統的建立，首先在詳細分析天山公路地質病害原理的基礎上，收集公路沿線已有的基礎地理、地學等資料，對照實地工作成果和遙感成果，結合數據庫及遙感圖像處理技術，按數據庫規則進行相應的綜合、整理、篩選、歸納及轉換，建立以ArcGIS為數據平臺的多源信息數據庫。然后基于ArcEngine平臺，開發一套集基礎數據的采集、存儲、管理、檢索、圖形編輯、空間模型分析、線路區域穩定性評價、公路地質選線，以及三維可視化飛行成果圖形生成及輸出為一體的地質災害評價與決策支持信息系統操作應用平臺。系統整合不同類型的數據資料和多媒體信息，實現了基于三維的空間信息查詢和分析功能，勢必為國土資源和交通建設管理部門提供一種可靠的決策管理應用平臺。

天山公路；GIS；ArcEngine；地質災害；集成開發

0 前言

天山公路處于新疆“二縱三橫”公路主骨架中第二縱線中段，是國家規劃西部重點公路建設的組成部份，更是國防公路網中的重要組成線路。由于其復雜的地形地質條件和惡劣的氣候環境等因素，公路沿線地質災害（滑坡、崩塌、泥石流）頻繁發生，嚴重影響公路暢通。針對于天山公路現狀，作者通過現代測量技術和多媒體技術，獲取天山公路沿線地質災害數據、地形影像數據和多媒體屬性數據，按GIS數據模型進行集成管理。將GIS技術集成應用到天山公路中，為評價該地區的地質災害穩定性情況，作出科學合理的決策規劃的應急處理方案提供解決途徑。

天山公路地質災害評價與決策支持信息系統是基于ArcGIS Engine平臺開發的一套適用于天山公路地質災害評價與決策的管理軟件，實現了信息瀏覽查詢、穩定性評價、決策支持、三維可視化分析等功能，該系統為相關管理部門在提高天山公路地質災害防治管理水平，地質災害的有效防治及評價決策等方面提供了依據［1］。

1 基于ArcGIS平臺的系統框架體系建立

將天山公路多源數據，以GeoDatabase數據存儲方式融合集成到SQL Server 2000數據庫上，采用ArcEngine和Visual C＃2005集成開發技術，利用ArcSDE空間數據庫引擎對系統數據進行管理，構建了一套集基礎數據的采集、存儲、管理、檢索、圖形編輯、空間模型分析、區域穩定性評價、公路地質選線，以及三維可視化分析及成果輸出為一體的“天山公路地質災害評價與決策支持信息系統”［2］。系統的框架體系主要從以下四個方面分析。

1.1 多源數據集成

系統數據庫集成了以下四類資料：第一類為基礎地理信息，包括水系、行政區劃、地理標注、地形、經濟、人口和降雨、降雪、氣溫等氣象等內容；第二類為地學信息，包括地層巖性、地質構造、斷層、地質災害等方面的數據要素；第三類為遙感影像數據，包括天山公路（獨庫段）ETM影像數據；第四類數據主要為經過對基礎信息處理而得的其它數據，如數字高程模型（DEM）和歸一化植被指數（NDVI）等。

1.2 區域穩定性評價與公路地質選線分析

在GIS支持下的區域，穩定性評價分析的目的主要是得到穩定性等級，并以專題圖的形式直觀顯示。其參與評價的理論依據是工程地質類比法，該方法根據現有與災害空間分布相關的地形變量，來預測未知災害的空間分布［3］。系統利用ArcGIS數據管理和空間分析功能，結合信息量法模型，得到地質穩定性專題圖，為公路選線提供決策依據。運用GIS進行公路沿線區域地質穩定性評價分析，將每個影響地質穩定性的因子作為一個矢量圖層來考慮，通過疊加和相關數學模型，從已知穩定性的地質圖元推出其它未知地質圖元的穩定性。

公路地質選線的研究依據是成本疊加法：將影響公路選線設計的因素統一量綱柵格化后按權重疊加，得到多個單因素指標綜合影響的成本柵格數據。在此基礎上人工輸入公路起點，得到每個柵格到起點的最少累加成本和路線方向。最后輸入終點即可得到經過成本最低的柵格像元生成的最優路徑。

1.3 地質災害分析預測及防治決策

將GIS強大的空間分析功能與多種數學模型相結合。在進行地質區域危險性評價分析時，采用了信息量法、模糊綜合評判、多元回歸法；在進行單點地質災害分析評價中，采用了Q系統分級、RMR系統分級、TSMR系統分級、十五因子法等，這些分析預測方法都是基于ArcEngine平臺上通過二次開發來實現的［4］。同時，在對地質災害進行分析預測計算的過程中，緊密結合地質災害防治決策工程，將各種適合于天山公路的防治決策措施集成到系統數據庫中。

1.4 三維可視化分析

結合ArcGIS Engine提供的三維可視化開發模塊，根據ArcEngine提供的頂層SceneViewer－Control數據接口，來進行三維圖形可視化顯示及對鼠標操作響應等功能［5］。系統的數據集成按GIS統一的空間數據模型，將不同細節層次的多種類型數據進行一體化組織管理，并建立GIS空間數據庫。這些數據包括地質災害數據、地形數據（DEM）、影像數據和多媒體屬性數據（如圖像、視頻和音頻）。根據天山公路沿線所涉及到的場景大小、復雜程度、目的要求選擇所需的數據類型，劃分合理的細節層次，來實現天山公路地區三維可視化功能，同時還提供了空間信息查詢和地形剖面圖分析功能［6］（見下頁圖1）。

2 系統主要功能的實現過程

2.1 區域穩定性分析評價

根據天山公路沿線地質災害類型、分布特征，以及定量計算結果，在定性分析基礎上，可將天山公路沿線分為十個地質災害危險性區段，具體如下：

（1）Ⅰ區（K552＋000～K627＋000）：本區地貌上屬于構造剝蝕中山地貌，線路于K583＋600翻越一個小達坂后逐漸進入奎屯河流域，沿奎屯河谷蜿蜒前行。巖體主要以石炭系的凝灰巖為主，局部有砂巖、砂巖夾炭質頁巖、輝綠巖、蛇紋巖出露，第四系覆蓋層以洪積物為主。區內工程地質條件簡單，僅在K601＋140～K603＋140段集中出現了一處崩塌、一處小型滑坡和四處小型泥石流，給本段公路帶來一定影響。本區屬危險性小區。

（2）Ⅱ區（K627＋000～K662＋540）：本區地貌上屬于構造剝蝕高山地貌，線路沿奎屯河逆流而上直到哈希勒根達坂，河谷兩岸山體陡峻，高差很大。該區地質條件復雜，環境惡劣，凍融作用十分強烈，巖體破碎，植被很不發育。哈希勒根達坂附近常年積雪，春夏季積雪融水成為奎屯河主要補給水源，達坂北坡可清晰看到古冰川及古泥石流的活動痕跡。巖體類型主要以石炭系的玄武巖、板巖、花崗巖、石英閃長巖為主，第四系覆蓋物以沖洪積、崩積物為主，局部夾有少量坡積物。區內工程地質條件復雜，各種災害頻繁發生，共發育有八處較大規模的崩塌，十二處大規模影響公路運營的泥石流，危巖體、潛在不穩定斜坡數量較多，為危險性大區。

圖1 系統結構體系圖Fig.1 The frame of system structure

（3）Ⅲ區（K662＋540～K692＋000）：本區屬于高山、山間平原地貌，其中K662＋540～K683＋000屬高山地貌，K683＋000～K692＋000屬山間平原地貌。線路向南翻過哈希勒根達坂，沿山坡輾轉而下，進入喬爾瑪草原。達坂南坡氣候相對北坡明顯好轉，降雨充沛，植被較發育，部分地帶十分發育，巖體結構完整性較好，災害數量種類顯著降低。喬爾瑪草原為古沖積平原，地勢開闊、平坦，基本無不良地質災害。區內巖體類型主要是石炭系花崗巖，土體類型為冰磧物（主要位于山坡上）及沖積物（主要位于沖積平原）。區內工程地質條件簡單，為危險性小區。

（4）Ⅳ區（K692＋000～K714＋000）：本區為山間河谷地貌，線路沿阿拉斯坦河右岸前進。區內雨量充沛，植被發育，但地層巖性及巖體結構較為復雜，巖性變化頻繁，主要有安山巖、砂巖、花崗巖、千枚巖等，土體類型主要有冰磧、沖洪積物。區內潛在不穩定斜坡較多，K702＋000處曾發生山體滑坡，所引發特殊泥石流（巖崩碎屑流）堵塞河道形成堰塞湖，且此處還有大型崩塌產生阻斷交通。所以本區工程地質條件一般，為危險性中等區。

（5）Ⅴ區（K714＋000～K759＋000）：本區屬高山地貌，公路在山坡上盤行并翻越玉希莫勒蓋達坂。區內海拔較高，凍融作用較嚴重，老隧道由于未做好防水處理，被冰封后無法通行。山坡上植被較發育，但巖體較為破碎，K745＋360處可見到一條較大規模的斷層。巖體主要以安山巖、安山玢巖、花崗巖為主，局部出露有炭質頁巖，土體類型主要為崩坡積、冰水堆積物。本區內除K727＋500～K748＋000條件較好外，其余路段工程地質條件一般，局部地質災害發育，K715＋380～K715＋490發育有一處小型泥石流，K755＋000～K759＋000發育有一處在活動期的滑坡，對公路造成較大影響，為危險性中等區。

（6）Ⅵ區（K759＋000～K784＋000）：本區屬山間河谷地貌，線路沿克科薩依河展布。區內氣候條件較好，植被發育，巖體相對較完整，局部因切坡形成高陡邊坡及小型崩塌對線路有一定影響。主要出露有石炭系的玄武巖、安山巖、砂巖，土體類型主要為第四系的坡積，沖積物。區內工程地質條件較簡單，為危險性小區。

（7）Ⅶ區（K784＋000～K807＋000）：本區屬中山區，線路沿山坡盤行，翻越拉爾敦達坂。區內氣候條件好，植被發育，山勢較平緩，基本無高陡邊坡，局部的小型垮塌對公路影響較小，于K794＋900處可見到一條斷層。巖土體類型主要為凝灰巖、花崗巖及第四系坡積物，工程地質條件簡單，為危險性小區。

（8）Ⅷ區（K807＋000～K906＋000）：本區屬山間平原地貌，線路在巴音布魯克大草原上展布。區內主要為冰水堆積物及沖積物，地勢平坦，開闊，氣候條件較好，植被發育，基本無不良地質災害，為危險性小區。

（9）Ⅸ區（K906＋000～K990＋520）：本區屬高山及高山河谷地貌，其中K933＋200～K946＋000屬于高山區，其余均屬高山河谷區。線路由巴音布魯克大草原進入巴音郭愣河流域，在K911＋850處轉入呼屯郭愣河流域，沿河谷前行翻越鐵力買提達坂后順山坡而下，進入卡爾腦河流域。區內海拔較高，凍融作用強烈，巖體破碎，尤以K924＋600處大塌方阻斷交通后基本無任何養護，造成公路破壞嚴重，崩塌、泥石流頻繁發生。大塌方處危巖體十分發育，隨時有下落的可能；鐵力買提達坂南部線路水毀十分嚴重，局部地段路基已被掏空；K937＋106～K942＋300在一側山坡形成多級公路，同時受到崩塌落石的影響；K949＋000～K952＋200連續爆發較大規模泥石流，目前仍頻繁活動；K957＋720～K958＋700處古滑坡造成堰塞湖（大龍池、小龍池），洪水期可淹沒路面。巖體類型主要為千枚巖、板巖、灰巖、花崗巖及少量的砂巖、底礫巖，土體類型主要為坡積、沖洪積物。本區工程地質條件十分復雜，為危險性大區。

（10）Ⅹ區（K990＋520～K1089＋000）：本區屬山間河谷，平原（戈壁）地貌，隨著山勢逐漸變緩，河谷逐漸開闊，線路出天山山區，進入南疆平原。區內氣候干燥少雨，蒸發較強，植被很不發育，巖體受風蝕嚴重，較為破碎，可見到十分明顯的雅丹地貌。區內的地勢平坦，起伏較小，原有路況好，局部有小型崩塌及斜坡問題，但較易治理；泥石流病害對公路危害相對較小。巖土體類型主要為砂巖、礫巖及第四系沖積物，工程地質條件簡單，為危險性小區。

在此基礎上，區域穩定性評價分析從定性分析逐步走向定量分析，系統在開發實現過程中，主要依托大量的綜合海量數據庫（包括氣象、水文、土壤、巖性、地質構造、地形地貌、各種重大災害點詳細信息等），利用ArcEngine針對于研究區內空間數據庫和柵格數據的空間分析功能，并結合信息量評價分析模型，采用 Visual C＃2005和 ArcEngine集成開發技術，實現了該研究區域內的地質穩定性評價分析專題圖（見圖2）。

區域穩定性分析評價主要過程包括三個模塊，它們分別是：

（1）矢量疊加模塊。將所有因素對應的圖層進行疊加，疊加生成的矢量圖層將包含評價因素圖層的所有字段。

（2）指標體系模塊。本模塊是在地質穩定性評價分析時必須進行的也是最重要的一個步驟［7］。具體實現三個功能：①新建指標體系；②維護，更新指標體系；③對定性指標量化，并和圖層數據建立一一映射關系。

圖2 以信息量法生成的區域穩定性評價分析圖Fig.2 The chart of evaluate and analysis in the region stability based on information model

（3）地質穩定性評價模塊。在該模塊中采用信息量法作為分析模型，并編程實現該地區的地質穩定性評價分析專題圖。

2.2 公路地質選線分析

在區域穩定性分析的基礎上，我們可以定量地判斷出研究區內的地質結構穩定性情況。在公路選線過程中，采用的研究思路就是基于該結論進行人機交互式判讀，從而可以動態地求取該地區的線路，為高山地質災害頻發地區提取快速的信息解決方案。系統在實現過程中主要是基于GIS空間分析功能，進行多因素、多層次柵格數據疊加分析，然后進行柵格單元可選性的優劣評判，自動連線，最終得到形成線路方案［8］，如圖3所示。

公路地質災害選線分析主要包括以下三個過程，它們分別是：

（1）柵格重分類。在選線分析中，要用到穩定性分析柵格數據、坡度柵格數據和土地利用柵格數據等。為了消除量綱影響，使得各類數據之間具有量值可比性，在選線分析之前需要將坡度和土地利用數據進行重分類（因穩定性結果已分為1～4，故不用再分）。分類原則是級別越高，路線通過性越低。

（2）柵格權重疊加。在選線分析中，各個因子指標對路線走向的貢獻率不同，故按照其重要程度將各個柵格數據附某一權重數值。疊加后的結果就是Σ（權重×柵格象元值），每個象元值代表路線經過時的成本。

（3）最優路徑生成。在系統設計中，我們堅持“以人為本”的原則，努力減少用戶操作步驟。因此將距離成本和方向成本的生成在后臺完成，并且做到了不產生臨時文件。在該步中，利用上步生成的成本數據，輸入公路的起點和終點，即可得到最優路徑，即經過成本最低的柵格象元的矢量線數據。

由此可見，在實際運用過程中，為了更加貼近實際情況，我們應該進行更多更好地人機交互工作，客觀合理地確定出各個因子指標的權重，通過多次修改和對比，必定能設計出成本最低且符合實際需要的路徑。

2.3 路害評價及防治決策智能系統的構建

路害評價在公路病害預測及防治等方面都有著非常重要的意義。要求進行基于ArcGIS軟件平臺的二次開發，研制出一套適合于地質災害（天山公路沿線主要地質病害包括邊坡穩崩塌、泥石流、水毀災害等）的評價分析，能在基于常規巖體力學計算的基礎上，進行地質災害的敏感性分析，能在對模型分析研究基礎上，對模型進行時間和空間的延拓，建立評價標準及預測模型，從而達到對典型的重大地質災害進行穩定性評價與預測。在此基礎上，能為沿線地質災害的宏觀評價與防治決策提供支撐。

圖3 公路地質選線優化圖Fig.3 The chart of highway geology routing

在本系統中，擬從以下幾方面研究：

（1）路害快速評價方法研究。

（2）路害分類指標體系的建立。

（3）路害地質分類方法研究。

（4）基于防護設計的路害地質分類（以GIS基礎信息為平臺）。

（5）信息化施工接口技術。

具體來說，路害評價子系統通過運用一些經典的數學模型和數學方法，對邊坡崩塌、泥石流和水毀進行危險性評價，并且可以通過此模塊對現有的邊坡、泥石流、水毀的基礎信息和圖片影像等多媒體信息進行查詢、修改、刪除、導出。結構如圖4所示。

2.3.1 邊坡評價

邊坡分析包含一個窗體HarmAnalysis＿Slope，邏輯表如下頁表1所示。

邊坡評價主要實現斜坡信息的明細顯示，并運用多種數學方法和模型對其危險性進行評價。邊坡功能結構如圖5所示。

圖5 邊坡評價分析子系統結構圖Fig.5 The system structure of the slope analysis and evaluation

邊坡分析預測主要考慮五大影響因素，采用四種分析預測方法，如圖6邊坡列表詳細信息。

2.3.2 泥石流評價

泥石流評價分析包含一個窗體HarmAnalysis＿DebrisFlow，具體界面邏輯如下頁表2所示。

泥石流評價主要實現斜坡信息的明細顯示，以及運用多種數學方法和模型對其危險性進行評價。結構如圖7所示（見下頁）。

用戶可通過此模塊查詢、修改、刪除、導出以泥石流溝名為索引的泥石流基礎信息和圖片影像等多媒體信息；可以通過分析計算泥石流的危險度、泥石流流速、泥石流流量等相關數值。具體見下頁的圖8、圖9及圖10。

表1 邊坡評價界面邏輯表Tab.1 The logical table of the ramp evaluation interface

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

表2 泥石流評價界面邏輯表Tab.2 The logical table of the debris flow evaluation interface

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

2.3.3 水毀評價

水毀評價分析包含一個窗體HarmAnalysis＿WaterDestroy，具體界面邏輯如表3所示。

水毀評價主要實現斜坡信息的明細顯示，以及運用多種數學方法和模型對其危險性進行評價。結構如下頁圖11所示。

2.3.4 路害防治決策智能系統的構建

該模塊要求研制出一套適合于地質災害（包括邊坡穩定性、泥石流、水毀災害等）的，基于專家系統的地質災害防治決策支持系統，依據地質災害的分類體系制定總體防護方案。在此基礎上，挑選典型路段，提出防護的具體措施，并對防護措施和方案進行地質～工程優化分析。更進一步，針對少數重大地質災害，依據物理模型、數學模型的分析結果，進行防護措施系統優化設計。結構如圖12所示。

表3 水毀評價界面邏輯表Tab.3 The logical table of the water damaged evaluation interface

（1）邊坡防治決策。邊坡決策支持包含一個窗體DebrisSlope，具體界面邏輯如表4所示。

邊坡防治決策見圖13。具體算法如下：首先將影響因素建庫并編號，然后根據用戶的選擇在數據庫中提取因素組合，再根據組合得到水毀防治決策方案。

對于典型邊坡災害地段，得到專家防治方案，同時為了直觀現實，將該邊坡的圖片、文字描述一并進行顯示。

表4 評價界面邏輯表Tab.4 The logical table of the ramp evaluation interface

（2）泥石流防治決策。泥石流決策支持包含一個窗體DebrisFlow，具體界面邏輯如表5所示。

泥石流防治決策主要實現應用物理模型，數學模型的分析結果與泥石流堆積物的分布位置，泥石流的發展階段相結合，進行防護措施系統優化設計，提出泥石流防治決策方案。

泥石流防治決策算法界面見圖14。

圖13 斜坡防治決策界面Fig.13 The computing interfaces of the ramp decision－making

表5 泥石流評價界面邏輯表Tab.5 The logical table of the debris flow evaluation interface

圖14 泥石流防治決策界面Fig.14 The computing interfaces of the debris flow decision－making

（3）水毀防治決策。水毀防護根據防護類型的機理，可分為直接防護和間接防護。

水毀決策支持包含一個窗體DebrisDestrory，具體界面邏輯如表6所示。

水毀防治決策方法分為以下兩種，分為水毀推理防治決策法和水毀組合防治決策法，見圖15及圖16。

表6 評價界面邏輯表Tab.6 The logical table of the water damaged evaluation interface

2.4 其它子系統的構建

根據實際需求，綜合決策系統中還構建了氣象與水文子系統、景觀美化及生態保護子系統等，由于篇幅所限，這里不再一一展開論述。

2.5 三維可視化功能的實現

三維可視化廣泛應用于地質和地球物理學的所有領域。三維可視是描繪和理解模型的一種手段，是數據體的一種表征形式，并非模擬技術。它能夠利用大量數據，檢查資料的連續性，辨認資料真偽，發現和提出有用異常，為分析、理解及重復數據提供了有用工具，對多學科的交流協作起到了橋梁作用。

GIS三維可視化技術根據所建立的場景模型以及場景中各實體對象運行時的參數來生成實時場景，還能將公路地質優化線路與原有線路在三維空間中進行對比分析，有助于管理決策者對空間數據相互關系的直觀理解［9］。在系統開發過程中，主要是利用ArcEngine提供的頂層SceneViewer－Control數據接口，來進行三維圖形可視化顯示及對鼠標操作響應等功能，利用ArcEngine對象庫中提供了IMap、IDisplay、IRubberBand和IEnvelope接口，將系統原有的二維視圖中的信息傳遞到三維視圖窗口中。在實現過程中，axSceneControl控件負責傳遞過來圖層的三維顯示以及鼠標操作分析響應功能。具體實現界面如下頁圖17所示。

3 結論

采用ArcEngine強大的組件開發工具，將GIS技術引入到公路地質災害評價決策支持管理中，不僅實現對空間數據庫的管理、查詢、分析等功能，還集成了地質災害預測及防治專家數據庫，為天山公路預測及防治提供了操作分析平臺。

（1）系統結合工程地質應用模型、數學公式進行系統構架，充分體現出“GIS＋專業”的設計思路。

（2）通過選取指標體系和穩定性評價方法模型，對天山公路沿線進行區域穩定性評價，得出危險性評價圖，該評價圖同時也是公路地質選線因子之一，做到兩者的有機結合。

（3）基于柵格的最短路徑算法，實現公路地質選線技術，對天山公路地質選線起到了輔助決策作用。

系統提供的三維可視化模塊，整合不同類型的數據資料和多媒體信息，實現了基于三維的空間信息查詢和分析功能。相信該系統的實現，必能為國土資源和交通建設管理部門提供一種可靠的決策管理應用平臺。

圖17 三維可視化分析圖Fig.17 The graphic of 3Dvisualization analysis

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1001—1749（2012）05—0604—10

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A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.19

西部交通建設科技項目（200431800003）

2012－05－11 改回日期：2012－06－05

黃勇（1972－），男，上海嘉定人，高級工程師，博士，專業為公路巖土工程，研究方向是公路地質災害防治研究。