基于遙感與GIS技術的公路損毀監測評估系統設計

趙 琛， 唐 凝， 曹 鴻

(1. 陜西能源職業技術學院 地質測量系，陜西 咸陽 712000; 2. 西安科技大學 安全學院， 西安 710054)

基于遙感與GIS技術的公路損毀監測評估系統設計

趙 琛1， 唐 凝1， 曹 鴻2

(1. 陜西能源職業技術學院 地質測量系，陜西 咸陽 712000; 2. 西安科技大學 安全學院， 西安 710054)

在分析公路損毀對遙感數據要求的基礎上，利用ALOS衛星遙感影像建立公路損毀自動提取模型。結合公路損毀段的工程實際，利用GIS技術系統空間分析能力及圖像功能，以Oracle作為數據庫，采用Java語言，集成二次開發的方式進行整個系統開發。利用公路損毀遙感監測與GIS評估技術構建的公路損毀監測評估系統，可對公路損毀段的泥石流和滑坡等損毀信息進行有效提取。可檢測公路損毀的位置、長度和面積，并可估算損毀造成的經濟損失，在公路出現重大損毀時能夠實現快速應對。

遙感； 地理信息系統； 公路損毀； 評估系統

0 引 言

在我國南方地區，公路損毀主要由暴雨和洪澇等災害引發的山體滑坡、泥石流等次生災害造成的[1-4]。目前，由降雨引發的公路沿線滑坡和泥石流等災害更是頻繁發生，是導致公路損毀的重要因素[5]。在山區多雨地段經常會發生公路損毀，由于公路損毀預測技術和監測技術不完善，故對公路損毀的預防和救治無法及時進行，這就引起公路地段發生損毀后，損失加劇；隨著我國遙感和GIS技術的進一步發展，有了有效的手段對公路損毀進行監測[6-8]。對公路損毀監測與評估技術研究時，將遙感技術和GIS技術相互結合具有非常重要的意義，尤其是在公路損毀后，進行應急搶修和恢復方面具有非常重要的作用[9-13]。

本文以公路損毀的空間圖形信息和屬性信息為基礎建立系統數據庫，建立了公路損毀遙感自動評估系統，為有效控制公路損毀和防治公路損毀現象的發生及降低公路損毀的損失提供技術支持。

1 遙感技術影像預處理

從衛星接收下來的遙感影像，在通常情況下先要經過地面接收站的簡單處理后，才可提供給各用戶，而不能直接提供給用戶。接收站的處理包括系統輻射校正和系統幾何粗糾正兩部分。通過系統輻射校正，遙感器系統產生的輻射畸變就可以被消除掉。通過系統幾何粗糾正，利用衛星下載的幾何參數就可以對遙感圖像的空間進行粗略定位。在試驗前，遙感影像必須進行輻射精糾正與幾何精糾正后，才能提取滑坡和泥石流災害的信息。圖像通過校正后，物體更加清晰、可辨的被顯示；通過幾何精糾正，可嚴格將圖像的地物目標與地圖中的地物坐標進行對應，為制圖提供方便。本文借助ERDAS遙感圖像處理軟件，對影像進行預處理，并利用Actor大氣糾正模塊對AIOS遙感數據進行大氣輻射校正處理；利用圖像幾何校正模塊對影像進行幾何精校正。

2 系統數據庫的設計

系統數據庫是用來存儲利用系統開展相關業務所需要的數據，包括基礎地理數據、衛星遙感影像數據、歷史災情數據、地面核查數據、社會經濟數據等。

2.1 系統目標

結合我國南方某些重點滑坡和泥石流災害的公路路段，以發生滑坡和泥石流災害公路段的地形地貌、降雨和地下水情況等為基礎，進行該地段空間圖形數據和工程數據的計算和分析，同時以滑坡和泥石流災害類型及發生機理為依據，利用GIS技術系統空間分析能力及圖像功能，采用數學模型，對滑坡和泥石流災害發生的條件、影響的范圍及程度進行科學的預測和預報，并提出有效地控制滑坡和泥石流災害發生和整治的科學依據。

(1) 建立公路損毀測評估系統。公路損毀檢測評估系統是在公路路網、損毀監測網、公路地質災害區劃分3個層面上建立的。利用公路損毀檢測評估評估系統，可對公路滑坡和泥石流災害進行信息錄入與存儲、檢索與查詢、修改與更新、數據分析處理與統計、空間分析與輸出、經濟損失評估等一系列功能。

(2) 實現信息存儲與查詢。利用GIS 的Arc SDE、Arc IMS、Arc Server技術，能有效存儲公路滑坡和泥石流災害的空間和屬性信息，同時能實現可視化查詢互聯網上發布的信息。

(3) 實現公路損毀治理的決策支持。通過系統的公路滑坡和泥石流災害預測預報模型庫和方法庫，分析和判斷災害的原始數據，對災害危險程度和預警級別進行預測，給公路建設提供一定的支持，在分析地質災害后，為災害的防治與治理、交通管理、經濟損失評估等方面提供決策。

2.2 系統設計原則

(1) 科學性。在設計數據庫和系統功能時，重點研究數據結構與系統功能；在進行公路滑坡和泥石流災害的監測數據分析和處理時，要求采用專業的方法進行；在對災害危險評價和預測時，要注意采用科學和合理的方法對預測模型進行研究；同時要求具有快捷方便的信息查詢。

(2) 實用性。數據庫的建立與系統的開發，必須滿足公路損毀信息的查詢、信息統計、決策分析等要求，同時系統結構應簡潔、方便和靈活，使各級公路管理部門、災害防治部門、決策部門的操作人員在進行管理和使用時比較方便。

(3) 統一性。系統設計時，不僅要對信息編碼和坐標系統進行統一規范，還要對數據的精度和符號系統進行規范。在公路滑坡和泥石流災害屬性和圖像的基礎上建立系統，要對數據有統一規范和標準的規定。

(4) 延展性。系統設計時不僅要考慮系統的擴展，同時還要考慮與其他系統的兼容，當添加新的模塊后，要求不會對現有模塊和系統造成較大影響。由于，目前網絡和GIS技術的快速發展，故必須滿足利用網絡進行遠程傳輸，以響應系統庫內信息的要求。

2.3 系統開發

本系統采用Oracle作為數據庫，地理信息系統的開發平臺為GIS，采用Java語言，集成二次開發的方式進行整個系統開發。

2.4 系統數據庫的設計

公路工程地質災害信息的基本形式包括圖形、圖像、文字數據信息3種，涉及內容較多，信息量比較大，來源比較廣泛，是一種多源數據。在設計系統數據庫時，如何對多源數據進行組織，對研發系統的功能和效率具有非常大的影響。基于GIS構建公路損毀評估系統時，在數據組織和管理上，將圖形和屬性數據分開，通過標識號進行兩者的聯系。

公路損毀遙感與GIS監測評估系統包括數據層、數據接口層、業務邏輯層和應用層4個層次。數據層為各類基礎數據，這些數據是進行公路損毀遙感分析所用的；數據接口層實際上是進行數據交換的通道，該通道主要是系統數據庫與業務功能系統進行交換的；業務邏輯層實際上是系統的業務系統；應用層主要是利用業務系統，進行各種數據的收集與處理，包括收集與處理遙感數據、公路損毀遙感的分析與處理、損毀情況的評估與分析、應急搶通路徑的分析等。圖1所示為系統的架構。

2.5 系統組織結構設計

建立系統的目的是預測、預報和管理地質災害的信息，達到公路管理與運營服務的數據共享。在進行系統設計時，應采用客戶/服務器管理模式，將所有數據放在服務器上，客戶機對相關數據進行各種操作和處理，在這個過程中，客戶機先與局域網和服務器通信，然后通過應用程序進行相關功能的運作。

圖1 公路損毀GIS檢測評估系統構架

3 系統功能的設計

(1) 監測的信息。在進行系統功能設計時，入庫的檢測信息包括：①發生滑坡和泥石流的公路段基本信息；②監測損毀點的文件和圖片信息；③該公路段的地質、設計、影像資料及監測數據等。

(2) 監測數據的處理。 根據所用的方法差異，進行數據輸入和分析，包括地表的監測、地下的監測與變形相關的物理量的監測、相關因素的監測、宏觀變形監測等；在分析繪圖時，要根據不同的方法進行數據監測。

(3) 災害的預報。公路滑坡和泥石流災害的預報包括滑坡災害和泥石流災害的預測預報兩部分。

(4) 管理與查詢。公路損毀區的信息管理與查詢包括損毀區基本信息庫和損毀區圖層兩方面。

(5) 損毀評價的數學模型。通過利用各種預測和預報模型，實現對公路損毀信息和監測數據的綜合評價與處理，同時對損毀的危險程度也進行預測和判斷，并將結果反饋到系統客戶端。

4 公路損毀評估

4.1 基礎數據庫的建立

表1所示為在GIS系統支持下，本文建立的公路損毀數據庫和公路數據層的屬性數據。

4.2 公路損毀的檢測評估

在分析公路損毀造成的經濟損失時，本文利用受損公路段的分布數據屬性表，統計受損公路的長度和面積，以損毀公路單位長度的造價為依據，運用下列公式估算經濟損失：

E=10-3LP

表1 公路數據庫結構

其中：E表示公路損毀經濟損失；損毀長度用L表示；單位長度造價用P表示。

在公路分布數據屬性表中，添加災害損失字段，主要是對估算經濟損失進行存儲計算；在GIS軟件中，利用表格字段的計算器輸入經濟損失估算公式，受損字段賦值為E，對應長度字段為L，單位長度造價字段為P，這樣就可以將估算的經濟損失計算出來。通過GIS軟件的統計分析功能，匯總統計經濟損失，并對其進行分析，如圖2所示；圖3所示為公路損毀遙感監測評估識別過程。

圖2 經濟損失匯總分析

5 實例分析

本文選擇重慶市武隆縣水來鄉一小塊區域作為研究試驗區，研究區域在G319國道西南區(見圖4)。區域內公路屬山區路段，山體構造比較松散。在持續的雨水侵蝕下，極易發生泥石流和滑坡災害，引起該路段出現公路大量損毀。本文使用2010年6月17日ALOS衛星遙感數據，利用公路損毀遙感監測與GIS評估技術，得到該地區G319國道的損毀分布信息，如圖5所示，并估算出該地區的經濟損失。

圖3 公路損毀遙感監測評估

公路損毀45處，公路損毀總長度為4 582.38 m，最大長度為549.14 m，最小長度為3.6 m；公路損毀總面積為35 491 m2，假設公路造價為1 500萬元/km，估算經濟損失為6 874萬元。由于缺少公路損毀段的詳細數據，目前還暫時不能對評估數據的精度進行評估，與更高分辨率遙感影像上的數據對比，兩者的數據誤差不超過8%。

6 結 語

利用公路損毀遙感監測與GIS評估技術構建信息提取模型，可對公路損毀段的泥石流和滑坡等損毀信息進行有效提取。

利用公路損毀遙感監測與GIS評估技術構建的公路損毀監測評估系統，可檢測公路損毀的位置、長度和面積，并可估算損毀造成的經濟損失，有利于快速應對出現的公路重大損毀。

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·名人名言·

科學研究能破除迷信，因為它鼓勵人們根據因果關系來思考和觀察事物。

——愛因斯坦

Design and Implementation of Highway Damage Monitoring and Evaluation System Based on Remote Sensing and GIS

ZHAOChen1，TANGNing1，CAOHong2

(1. Geological Survey Department, Shanxi Vocational and Technical College，Xianyang 712000, Shanxi, China; 2. Institute of Safety, Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China)

Combined remote sensing image obtained by ALOS satellite with engineering practice a highway damage model with automatic extraction function was established. The system applies the GIS spatial analysis and image features, uses Oracle as the database, uses java language and the integrated secondary development technique. Based on the monitoring and evaluation system, the information of debris flow and landslide can be extracted effectively. The location, length and area of damaged roads can be detected, and the economic losses caused by damage can be estimated.

remote sensing; geographic information system(GIS); highway damage; evaluation system

2016-08-15

國家自然科學基金項目(20198015)

趙 琛(1983-)，男，回族，河南開封人，講師，主要從事地理信息系統、測繪工程研究。

Tel.：15686175237；E-mail：zhaochennh@163.com

P 315.7

A

1006-7167(2017)04-0045-04