《震區公路次生地質災害監測與評估地圖集》的設計與編制

韓用順，彭述剛，朱穎彥，孔亞平，李龍偉，付 玉

(1．湖南科技大學地理空間信息湖南省工程實驗室，河南湘潭411201;2．中國科學院成都山地災害與環境研究所，四川成都610041;3．交通運輸部科學研究院交通環保與安全研究中心，北京100029)

一、引 言

公路交通對于促進區域經濟發展和提高人民生活水平，起到了十分重要的作用。震區次生地質災害已成為災后恢復重建和道路交通安全面臨的突出問題和重要制約因素，大型公路災害專題地圖集具有系統科學、綜合集成、形象直觀等特點，成為公路交通科技防災減災管理的重要技術手段之一。目前，關于汶川地震次生地質災害及震區道路交通的研究成果較多，而有關汶川地震災害方面的地圖集相對較少[1-4]，僅有的幾部地圖集也多從遙感和災情方面反映汶川地震或其次生地質災害的分布與危害，仍沒有高烈度地震區公路次生地質災害監測與評估方面的大型綜合性專題地圖集。本文介紹了面向我國西部高烈度地震區公路建設發展及其防災減災需求，整合公路交通領域抗震救災、次生災害形成機理、分布規律、識別診斷、監測預警、災害評價和防治規劃等相關科技成果，進行震區公路次生地質災害監測與評估地圖集設計，采用3S和數字制圖技術，建立了地圖數據庫和制圖信息平臺，編制了國內外首部高烈度地震區公路地質災害監測與評估地圖集，可為我國山區公路選線設計、重建規劃和防災減災管理提供依據和參考，并為震區次生地質災害研究積累豐富的數據資料。

二、地圖集設計

1．設計思想

《震區公路次生地質災害監測與評估地圖集》從災害系統和災害風險管理的角度出發，進行圖集的總體設計(圖1)。公路地質災害的孕災環境、致災體、承災體和災情之間相互作用、相互影響、相互聯系，形成了一個具有一定結構、功能和特征的復雜系統，即公路地質災害系統。孕災子系統包括地質、地貌、氣象、水文及土地利用等自然環境子系統;致災子系統包括地震、地質災害及其運動與危害特征等子系統;承災子系統包括人、各類產業、道路交通及資源環境等社會經濟子系統;災情子系統包括人員傷亡、社會經濟損失、各種財富性與資源性資產損失等破壞損失子系統。公路地質災害系統是一個動態、復雜、非線性系統，需要引入風險管理概念，以定量的方式對其加以完整的研究。公路地質災害風險綜合反映了公路地質災害自然屬性和社會屬性，由其致災體的危險性、承災體的易損性和孕災環境的暴露性組合而成。因此，需要從系統的角度將公路次生地質災害看做一個整體，以形成機理和成災機制為基礎，以災害監測與風險評估為核心，以防災減災和風險管理為目標，進行其專題地圖集設計與編制，反映震區孕災環境及其地理特征，揭示震后公路次生地質災害形成機理、分布與演化規律，提出次生地質災害識別診斷、動態監測與風險評估方法，構建公路災害風險管理技術體系，為震區公路恢復重建和運營管理提供科技支撐。

2．內容設計

本地圖集共分為序圖、汶川地震、次生地質災害、災害分布規律、公路災害監測、公路災害評估和災害防治規劃等7個圖組，共142幅圖。序圖主要介紹震區地理環境、地質條件、歷史地震、震前地質災害、道路交通及其內在聯系，是整個圖集的先導。汶川地震圖組根據地震及其次生地質災害的自然環境和社會經濟狀況等孕災條件，選編災區地理環境、地質背景、氣象水文、土地利用、社會經濟和主震余震等內容，反映我國西部山區主要地震帶的孕災環境及強震活動。次生地質災害圖組歸納總結次生地質災害的概念、類型、成災特點與危害，是科學認識次生地質災害的基礎。災害分布規律圖組在全面掌握震前震后地質災害信息的基礎上，按照不同時空尺度，分析次生地質災害的活動特征，揭示其分布與演化規律，是關于震后次生災害客觀規律和總體態勢的基本認知，也是科學研究和防災減災的基礎。公路災害監測圖組基于災害形成機理，提出潛在地質災害識別診斷技術，構建次生地質災害動態監測技術體系，是最為直接有效的防災減災非工程措施(圖2)。公路災害評價圖組介紹次生地質災害危險性評估原理與方法，進行不同空間尺度下不同類型次生地質災害危險性、易損性和風險評估與等級區劃，形成震區次生災害風險管理的技術基礎。災害防治規劃圖組分析總結次生地質災害防治技術，進行防治工程優化設計與方案優選，開發次生地質災害輔助決策支持系統，介紹震區公路交通抗震救災、恢復重建及次生地質災害防治規劃成果，為震區公路選線設計、恢復重建和防災減災管理提供依據和參考。

圖1 地圖集總體設計

圖2 重大災害監測點原位監測技術體系

3．數學基礎設計

統一的數學基礎是數字制圖與空間分析的基礎，也是地圖數據標準化規范表達的前提，主要包括統一地圖投影系統、坐標系統、高程系統、比例尺系統和地理編碼系統。本圖集主要有災區51縣、災區32縣、龍門山區、岷江上游、汶川縣、都汶公路沿線、震中牛圈溝等7個不同空間尺度和地理特征的制圖區域，根據制圖目的、要求與制圖對象分布特點，采用高斯投影系統、WGS-84坐標系和黃海85高程系統，其基本比例尺分別為1∶200萬、1∶1 50萬、1∶100 萬、1∶50 萬、1∶20 萬、1∶5 萬和 1∶1 萬，部分典型工程區和重大工程點則采用1∶2000和1∶1000。依據國家相關標準，制定空間數據分層方案和非空間數據分類與編碼體系，并在此基礎上，完成地圖數據庫設計與基礎數據采集與處理。

4．地圖語言設計

地圖語言是地理信息表達和傳遞的基本工具，主要包括地圖符號、色彩和注記。地圖語言的設計質量直接影響地圖信息表達和傳遞的效果[5-6]。本圖集采用ArcGIS為基礎制圖平臺，該軟件具有豐富的符號庫、色彩庫和注記功能，并提供了擴展的二次開發接口，但缺乏對地震、地質災害和公路交通等專題要素符號與色彩的定義與描述。因此，地圖語言設計的難點在于專題要素的地圖符號設計。普通地理要素及其表達，根據地圖圖式和制圖規范，在ArcGIS中按照給定的圖例符號、色彩和注記進行地圖語言設計與制作。地震、地質災害和公路交通等專題要素地圖符號則在優先考慮各要素分類分級要求的基礎上，重點顧及構成地圖符號的形狀、尺寸、方向、色彩、結構、密度等6個圖形變量，并以形狀、尺寸和色彩為主，結合 CorelDraw、Auto-CAD、DWGConvertor和Photoshop等輔助工具，進行公路次生地質災害地圖符號庫和色彩庫的設計與制作，形成一個較為完整的公路地質災害符號庫和色彩庫，最后將其添加到ArcGIS中，方便后續制圖工作需要。本圖集中，設計了點狀符號2304個、線狀符號307個、面狀符號412個，按照4色配比法配置了523種顏色，整編了19 058個地名，初步建立了公路次生地質災害地圖符號庫、色彩庫和地名數據庫。

5．圖型與版式設計

該圖集中的普通地理要素根據相應的地圖內容，按地圖圖式和制圖規范要求進行設計與表達。地震、次生地質災害和公路交通等專題要素，則運用定點符號法、定位圖表法、等值線法、動線法、范圍法、質底法、分區統計圖、分級統計圖等表達方法，結合文字、圖表、照片、影像等輔助手段，綜合設計，靈活應用，科學地表達(圖3)。此外，采用遙感制圖、三維數值模擬和虛擬現實技術，進行震區地理環境、防治工程優化設計，危巖危險性評價等內容的三維模擬與虛擬仿真，創新了圖型表達方式和地圖表現力(圖4)。

圖3 汶川地震及其次生地質災害危害道路交通

圖4 龍門山區地理環境三維虛擬仿真

為了便于使用與保存，根據地圖主題、制圖區域特點和成圖比例尺要求，本圖集開本設置為16開，主要版式有展開頁、標準圖幅、兩拼和四拼。標準圖幅的版面規格為高280 mm×寬210 mm，包括頁邊距、頁眉頁腳裝幀和成圖區，其中成圖規格為高250mm×寬165 mm;展開頁為8開，版面規格為高280mm×寬420mm、其中成圖規格為高250 mm×寬380mm。

三、地圖集編制

1．編輯準備

收集與整理制圖所需的基本資料、補充資料和參考資料，分析編圖資料的政治性、完備性、精確性和現勢性，研究制圖區域地理特征和制圖對象分布特點，根據圖集的主題、用途和比例尺，確定所編地圖的內容、表示方法、作業程序等，撰寫編圖大綱，制作地圖生產工藝流程及綜合樣圖。本圖集大量制圖資料來源于抗震救災和震后現場調查與災害監測過程中的第一手資料，借鑒和引用了相關單位專家學者研究成果[1-3，7]。

2．工作底圖制作

工作底圖是專題地圖的骨架和控制系統，直接影響到圖集科學內容表達的精度以及內容綜合的協調，解決相同底圖多次出現的統一性。工作底圖的要素起著說明專題現象發生、發展的地理環境的作用，因此是退居第2或第3個層面的背景要素層，用色淺淡，內容量不能干擾專題要素的表達。針對不同的專題主題、用途和表示方法，工作底圖的設計與表達方法也不同。本圖集共設計與制作了震中牛圈溝、都汶公路沿線、汶川縣、岷江上游、龍門山區、災區32縣和災區51縣等7類工作底圖(圖5)，從點、線、面和區域4個空間尺度綜合表達震區公路地質災害防災減災主題與內容，其主要地理要素包括行政界線、居民地、地名、DEM、水系等，且各類要素均分級設計與制作，并保持整個圖幅的信息載負量平衡與協調。在此基礎上，只需專注于各專題要素的設計與制作。

圖5 重災區32縣基礎工作底圖設計與樣圖制作

3．地圖編制與出版

該圖集根據設計與編制大綱要求進行編制。本圖集設計與編制過程中，成立了編纂委員會、科學顧問委員會和圖集編輯部，采用多學科與3S技術相結合的方法，利用現代數字制圖、數值仿真和虛擬現實等技術，完成了7個圖組的142幅圖件的編制(圖6～圖9)。經質量檢核、專家評審和校樣修改后，根據地圖出版印刷的分色要求，直接按分色要素將各專題圖件自動分為專色文件，通過激光照排系統輸出印刷專用膠片，提供給出版社和印刷廠出版印刷。

圖6 災區51縣歷史地震分布圖

圖7 都汶公路沿線崩塌滑坡分布與演化規律

圖8 都汶公路沿線危巖危險性評價圖

圖9 震中牛圈溝防治工程分布圖

四、地圖集特點

1)特色鮮明。本圖集立足汶川地震災區，面向我國高烈度地震山區公路防災減災需求，依托公路交通領域行業優勢，集成震后交通科技救災最新成果，具有鮮明的震區地域特色、交通行業特色、防災減災實踐特色和多學科多技術綜合集成特色。

2)科學性強。本圖集數據資料全面翔實、現勢性強，60%以上圖件在國內首次公布，綜合了交通和災害領域的震區公路次生地質災害最新技術和研究成果，系統介紹了公路次生地質災害形成條件、致災機理、分布規律、識別診斷、監測預警、風險評價和防治規劃，形成了較為完整的公路地質災害風險管理技術體系，成果豐富、科學具體。

3)通俗易懂。圖文并茂、制作精美，專業性強或較難理解的原理、技術與方法則多配以形象直觀的原理圖、結構圖、示意圖和淺顯易懂的文字、照片、圖表或影像等輔助說明，整個圖集在保證科學性的前提下，兼具藝術性和科普性。

4)技術先進。本圖集設計新穎，制作先進，采用數字制圖、3S、三維建模、數值仿真和虛擬現實等先進技術成果，建立了專題地圖數據庫和制圖技術平臺，在傳統數字制圖的基礎上，實現了三維數字制圖、多媒體制圖和電子地圖等多維動態效果。

5)實用性廣。本圖集可以為震區公路恢復重建、交通防災減災管理、政府宏觀決策、大眾科普教育和相關科學研究等提供依據和參考，其相關成果已成功應用于國家汶川地震災后重建規劃和災區公路恢復重建，取得了良好社會與經濟效益。

五、結論與討論

本圖集匯集了相關單位專家學者汶川地震后獲取的大量珍貴的第一手資料和多年研究成果，采用了高水平地圖制圖與地圖信息可視化技術，融合了多種表達方式，反映了震區公路次生地質災害的時空分布與過程，總結了公路次生地質災害防災減災和風險管理技術體系，展示了豐富的科學內容，圖文并茂、形象直觀、科學系統，可為震區公路恢復重建和運營管理提供科學依據和技術支撐，也可以地質災害防災減災管理提供借鑒和參考。震后災區次生地質災害問題復雜，需要長時間序列的深入研究，由于研究時間等條件所限，本地圖集中的一些原理和方法還有待實踐檢驗和完善，次生地質災害分布規律、形成機理、識別診斷、災害評估、監測預警與減災技術等一系列科學問題仍有待于進一步深化。本地圖集僅反映汶川地震次生地質災害監測與評估的初步研究成果，希望為災區次生地質災害防災減災管理提供借鑒和參考，為后續研究提供依據和基礎。

致謝：中國科學院對地觀測中心、中國科學院成都山地災害與環境研究所、國土資源部中國地質調查局和國家測繪地理信息局等單位提供了部分成果和數據支持，鐘敦倫研究員、陳昱研究員、王兆印教授、袁勘省教授等給予了悉心指導和幫助，圖集引用了相關單位專家學者的部分研究成果，在此一并感謝。

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