3S技術在地質災害調查中的新應用

倪恒　劉翔宇　謝謨文

摘 要：隨著計算機技術的不斷發展，3S技術也迎來了飛速發展時期。各行各業也都引入3S技術以推動本領域的技術變革。地質災害調查是工程設計、地質災害防治規劃等工作的基礎，文章針對地質災害調查中遇到的問題，引入了3S（RS、GIS、GPS）技術，并且提出了一種基于3S技術的綜合解決方案，發揮3S的各自優勢，讓現場作業人員時刻知道“我”當前在什么位置，“我”周圍的環境是怎樣的，以及回到辦公室整理資料時能快速知道“我”在哪個地方，記錄了什么以及“我”拍攝照片的位置，目的是為地質災害調查現場工作和地質災害調查后的室內工作提供支持和便利。

關鍵詞：3S；地質災害調查；GPS照片；三維GIS；地理信息系統

遙感（RS，Remote Sensing）技術是20世紀60年代發展起來的對地觀測綜合性技術，是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，遠距離不直接接觸物體而識別、測量并分析目標物性質的技術，可在全球層面揭示地球表面各要素的空間分布特征與時空變化規律。遙感技術讓大面積的同步觀測成為現實，可以在短時間內對同一地區進行重復監測，其數據具有很強的綜合性、可比性和經濟性。

20世紀90年代以來，遙感技術已深入到環境評價與監測、地球資源勘探及動態監測、城鄉規劃、土地管理、農業生產條件研究及作物估產、水災和火災監測、森林和作物病蟲害研究以及軍事偵察等諸多領域，從室內的工業測量到大范圍的陸地、海洋、大氣信息的采集以至全球范圍環境變化的監測。經過半個世紀的探索和嘗試，現在已經在實用化的方向上邁出重要的一步。近年來遙感技術越來越受到各國的普遍重視，世界遙感技術面臨著突飛猛進的發展，新的傳感器將使遙感技術應用的領域進一步拓寬，監測精度不斷提高，新的遙感處理軟件將使科技人員的工作效率大大提高，綜合使用各種遙感資料變成可能，人們對遙感技術的重視加密后進一步提高，遙感技術將得到更加廣泛的應用。

地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）產生于70年代中期。隨著其自身的不斷發展和應用的日趨廣泛，GIS的定義也各種各樣，其中比較準確且被廣泛接受的表述為：GIS是一個能用于進行有效的搜集、儲存、更新、處理、分析和顯示所有形式之地理信息的計算機硬件、軟件、地理數據和有關人員（用戶）的有機集合。由此定義可知，GIS是一種工具，但不僅僅是一個制作地圖的工具，而且它可以按不同的比例尺、用不同的顏色繪制地圖。在GIS中，計算機硬件部分是骨架，沒有硬件，其它部分就無從依附；GIS的軟件部分是其精髓，沒有軟件，就不成其為GIS；地理數據則如血液一樣，沒有了地理數據，地理信息系統就成了空殼。我國GPS技術研究起步于80年代，進入90年代以后，GPS技術研究、開發和應用取得了長足進展。GPS具有定位的高度靈活性和高精度、快速度、提供三維坐標、全天候作業、操作簡便以及全球連續覆蓋等特點，已成為獲取現實空間數據的重要手段，也廣泛的應用到了地質工作中。它作為野外定位的最佳工具正逐步成為現代測量的主要手段，大幅度地提高了野外工作效率。

在地質調查方面，地質調查是一項綜合性的地質工作，是各項地質工作的先行步驟，是運用地質理論和各種技術手段在一定區域內系統的進行綜合性調查工作在地質填圖中的應用，利用GPS手持儀方便進行地質填圖的數據采集，可以減少野外工作量，縮短成圖周期，克服了傳統方法中的一些缺點。增強了數據的共享性，有利于數據的二次開發與利用。GPS的單點絕對定位精度能夠滿足平原、山區、高山區等遮擋少的地區的地質填圖及地質工程測量在小比例尺地質測量工作，用手持式GPS單點絕對定位技術測定地質點，減少了控制測量環節，降低了成本，大大提高了工作效率和減輕了地質、測繪人員的勞動強度。

地質災害是指在地球的發展演化過程中，由自然地質作用和人類活動所形成的災害性地質事件，主要有崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、巖溶塌陷及地面沉降等。各類地質災害體在時間和空間上的分布及變化規模，既受制于自然地形地質環境，又與人類活動密切相關，即各類地質災害的發生、發展，有其特定的地形、地質因素，且必然影響到工程建設及居民的正常生活。

地質災害調查的目的就是為了調查清楚調查區域內的地質災害情況，從而為工程設計、地質災害防治規劃等提供依據。以傳統的工作方法進行地質調查時，因調查路線、調查范圍及個人經驗的局域性和時限性，一些被自然或人類活動改造過的地質災害遺跡，尤其是一些規模較大的地質災害體，在常規路線調查中也往往不易發現，使部分重要的地質信息被遺漏的現象不可避免，尤其當勘察工作周期短、人員緊張時，此種現象尤為突出。因此，在地質調查及測繪工作中，如何以最省時的工作、最省力的辦法，以獲取最多的地質信息、達到最理想的調查效果，歷來為廣大工程地質人員所重視。

地質災害調查現場工作的過程中，由于是野外工作，工作中充滿了危險因素，加上天氣等因素的影響，從而使野外調查工作進展緩慢。由于工程人員對現場環境不熟悉，導致調研出現盲區，而即使對現場環境十分熟悉，由于人的本身能力的限制，在大自然中仍然是十分的渺小，視野不能無限開闊，視角不能任意選擇，從而導致現場地質調查是一項十分艱苦的工作。現場拍攝一系列照片的過程中，要逐一記錄下拍攝照片的位置，記錄的過程無疑又消耗了寶貴的現場調研時間。即使目前市面上已經出現GPS數碼相機，由于它的原理是向照片的元數據信息中加入了坐標信息，但是由于有泄密的隱患，故此未能快速普及。

目前地質災害調查工作已經引入了部分3S技術，比如借助手持GPS定位儀進行定位，遙感圖紙的應用等。但是目前還沒有一套完整的系統來整合這些資源，為地質災害調查工作進行全面的技術升級、進行提速。

1 總體方案設計

本方案結合地質災害調查的實際情況而提出的總體設計方案共分為硬件部分、軟件部分、數據處理三大部分，如圖1所示。

圖1 系統組成圖

1.1 硬件部分

硬件部分主要有三部分組成：野外筆記本、GPS模塊、數碼相機。野外筆記本主要承載總體方案的軟件運行部分；GPS模塊主要給系統提供GPS坐標，便于系統顯示和記錄當前的坐標信息；數碼相機主要是拍攝調查現場實際情況的照片。

1.2 數據及處理部分

該部分主要是GIS數據和RS數據的整理、轉換并制作成三維GIS系統數據庫的過程。

1.3 軟件部分

軟件部分主要有三部分組成：數據顯示部分、GPS數據處理部分和數據庫部分。

數據顯示部分主要是顯示調查現場的一些基礎數據（比如居民點、道路、河流、行政區劃等）、GPS數據（當前坐標和已經走過的路徑）和RS數據等，以及現場照片的拍攝地點和時間等；GPS數據處理部分主要包括GPS數據解析、數據庫的讀寫、現場路徑的更新、現場照片的自動加入等部分；數據庫主要是負責記錄現場的路徑。

1.4 系統功能

系統的主要由如下功能組成：

（1）實現基本的點線面的創建與編輯操作，便于現場的災害點的描述和記錄；

（2）三維場景的任意角度和距離的視角和全屏功能，方便現場參考；

（3）實現GPS當前點的實時顯示功能，讓現場作業人員知道自己的位置；

（4）實現路徑記錄功能，便于現場調整調研計劃等；

（5）現場照片自動配置到場景的功能，便于后期資料的整理、報告和會議討論；

（6）數據庫操作功能，方便記錄現場的信息。

2 總體方案的實現

系統的總體方案的實現如圖2所示。

2.1 硬件部分

當前市面上的筆記本理論上都可以用于本系統，但是由于是野外現場工作，選擇的時候需要考慮電池的續航問題和野外光線強的問題。因此易選用續航時間長的筆記本，必要時備用一塊電池，筆記本屏幕的明流度也是一個主要標準，野外光線強如果是明流度低的話，系統在強日光下很難看清楚。

GPS模塊目前市面上主要有獨立GPS導航器、藍牙GPS模塊、USBGPS模塊和筆記本內置模塊，但是考慮到經濟和易用方面，推薦采用usbGPS模塊。

數碼相機使用平時野外調查用的普通數碼相機即可。

2.2 數據處理

數據處理部分主要是由四個任務組成，如圖3所示。

從多源的等高線數據，轉換為GIS的等高線矢量數據，最后轉換為數字高程DEM數據；

將遙感數據進行配準、融合和調色等工作，使遙感圖像色彩更接近真實；

將DEM和遙感圖像進行整合處理，制作出三維GIS數據庫；

將其他矢量數據（如道路、居民點、河流、行政邊界等）進行整理，加入到場景中，便于現場參考。

2.3 軟件部分

軟件部分的開發有如下兩大原則：（1）產品模塊化：將產品按照功能進行拆分，拆分成多個模塊，每個模塊制作成一個類，拆分原則是輸入參數簡單明了，功能獨立。（2）參數靈活化：不能將一些關鍵參數寫死，比如GPS端口號等，方便后期擴展和調整。

軟件部分主要是采用C#為開發語言，采用商用三維GIS進行二次開發，作為系統的顯示部分，設計了照片加入坐標的模塊、GPS當前位置實時顯示部分和歷史路徑部分的功能

部分模塊詳細設計：

GPS解析模塊：

輸入參數：從程序目錄的GPSparameters .ini讀取GPS參數（數據位長度、波特率、端口號）；

輸出參數：通過公共變量，返回如下參數X，Y，Z，速度，衛星數，方向，水平精度，當前時間；

public方法：GPSStart（）、GPSStop（）；

3Dlabel模塊：

輸入參數：GPS解析模塊-GPSClass，3DGIS窗口對象，程序目錄下的PictureParameters.ini文件提供Label名稱，label文件名，圖片縮放大小三個參數，isFoucus和isWrite2DB；

輸出參數：在3DGIS窗口創建Label，時時控制label的坐標；

public方法：Start（）、Stop（）。

路徑記錄模塊：

輸入參數：時間間隔-POI2DBparameters.ini，GPS解析模塊-GPSClass，Access數據庫文件-自動復制模板文件；

輸出參數：無，直接向數據庫中插入記錄；

public方法：Start（）Stop（）；

另外還有POI照片自動處理模塊、數據庫讀寫模塊、基本點線面描繪模塊等在此不再贅述。

軟件的數據庫部分，因為需要記錄的資料主要是GPS采集的信息，數據結構簡單，因此選用Microsoft Office Access的數據庫文件（*.mdb）作為數據庫來存儲數據。

3 方案展示

為了方便現場的操作，系統主要以工具欄形式操作，如圖4所示。系統實時路徑及當前位置功能展示，如圖5所示。現場照片自動加入效果展示，如圖6所示。

4 結語

文章以解決地質災害調查中遇到的實際問題為出發點，提出了一套方便現場作業人員野外調查工作和室內資料整理的3S解決方案。方案不但解決了現場調查人員頻繁對照手持GPS和圖紙查找自己位置的繁瑣而費時的事務，而且還解決了現場“一葉障目，不見泰山”的困窘，使現場作業人員能夠清楚地從三維GIS系統中看到自己所處位置周圍的環境，甚至從多視角觀察自己視野之外的情況，從而對現場的判定提供了有力的支持；同時提出了一種后期快速定位現場拍攝照片的方法，從而解決了室內作業中對于照片的位置辨識和定位的。因此系統以其“實時場景定位、大范圍多角度視野、帶坐標的現場圖片及現場記錄”的特點，必將在地質災害調查中發揮巨大的作用。

參考文獻

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作者簡介：倪恒（1977.02- ），男，湖北天門人，碩士，高級工程師，研究方向：核電廠及電力工程的巖土工程勘察、設計及地基處理。