GIS在邊坡中的應用現狀及前景

張澤方 錢志寬

摘?要：隨著計算機及數字信息技術的不斷發展，各行各業數字化的趨勢越來越明顯，學科之間的影響越來越大，這也為解決一些邊坡問題提供了新的研究思路和方法。GIS作為一種將空間數據數字化并分析處理的工具，在解決實際邊坡問題中表現出了其獨特的優勢。本文首先對GIS作了簡要介紹，闡述了GIS在邊坡中的應用現狀，最后探討了其發展前景。

關鍵詞：GIS;邊坡;數字化

在工程建設中，邊坡是一種常見的工程形式，由于受到各種因素的影響，其產生的崩塌、滑坡、坍塌等破壞情況，嚴重影響著人們的生產生活。隨著GIS的發展，邊坡研究有了新的方法。

1 GIS技術

GIS即Geographic Information System，是地理信息系統的英文簡稱，它是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地球信息的計算機系統，是分析和處理海量空間數據的通用技術[1]。將GIS應用到邊坡問題中，可以充分發揮其空間數據管理和分析的優勢及強大的可視化功能，能夠提升邊坡工程的效率和質量。總體上，GIS主要分為以下幾個功能模塊（見圖1）。

數據采集與編輯功能：數據是GIS的血液，沒有數據的GIS是不可能存在的[2]。良好的數據會使分析結果更具真實性和參考性，但是高精度的數據不易獲取，如高分辨率的遙感圖像、高精度的地形圖和工程地質中的鉆孔數據等，這也體現出GIS對數據的依賴性。

空間數據庫功能：GIS中配備有空間數據庫，可以對海量的空間數據進行儲存和管理。工程人員應用空間數據庫這一功能時，可以發揮其在工程地質中的價值，從而提高工程效益[3]。

制圖及可視化功能：傳統制圖工作強度大、周期長，已經無法滿足實際工作需要，GIS的數字化制圖功能提升了制圖質量和效率。通過GIS構建三維立體模型，能夠較為全面、立體地查看地質樣貌，提高數據信息的精度，便于后續工作的開展[4]。

空間分析功能：空間分析是GIS應用的核心，它能夠對空間數據進行深度挖掘，將外業測量的“死”的數據變“活”起來，揭示出空間數據的內在聯系。目前，GIS技術的空間分析功能在工程地質中也得到了廣泛的應用，如地質災害評估、礦產資源評價、地質測量等。

二次開發功能：GIS提供二次開發平臺，該平臺適用多種編程語言，如C語言、C++、C#、VB、Python等，通過編寫專用的程序，能夠實現相應的功能。

2 GIS在邊坡工程中的應用現狀

2.1 基于GIS的邊坡穩定性分析

邊坡穩定性問題是工程建設中經常遇到的問題，而邊坡穩定性研究是邊坡問題研究的核心問題[5]。傳統的邊坡穩定性分析方法有工程類比法和邊坡穩定性圖解法，此類方法存在一定的局限性，其分析結果誤差較大;定量分析方法中包括有限元法等數值分析方法和極限平衡分析法，這類方法較前者精確。在上述定量分析方法中再結合GIS技術進行邊坡穩定性分析，這種新方法在邊坡穩定性研究中表現出了它的優越性。

一般傳統的有限元方法在前期因處理大量數據而占用很長時間，工作效率低下，而基于GIS的邊坡有限元分析前處理使工作效率大大提高。劉慶元等利用GIS技術[6]，實現了從確定滑坡范圍到自動生成有限元網格的全部過程，從而提高了邊坡三維有限元計算的前處理工作效率。在有限元前處理中，難點在于計算剖面線和生成剖面圖，王寶軍等利用GIS的空間分析技術和可視化顯示功能有效解決了上述技術難點[7]，不但提高了工作效率，而且保證了有關計算的準確性。

另外，GIS技術在其他方法中也有應用，余國等結合GIS和滑面正應力分布假定模型[8]，推導出應用于GIS中的三維極限平衡方程及各參數，開發出基于GIS的三維邊坡穩定性分析擴展模塊，從而完成了邊坡的穩定性計算，并通過算例驗證了該方法的正確性與便利性。王超對收集的資料通過整理和分析[9]，選取10個重要的影響邊坡穩定性的指標，采用改進的層次分析法確定了各指標的權重，在GIS中加權疊加并生成了危險區劃圖，以可視化的形式展示出來，又結合Python技術分別求出了二、三維邊坡的穩定系數，為邊坡穩定性分析提供了新的方案。

2.2 基于GIS的邊坡可視化

傳統情況下，對地質信息的表達一般采用的是平面圖或者是剖面圖，也就是說將三維地質信息投影到平面上來研究，這種方法會造成一定程度的誤差。另外，隨著可視化技術的發展，對地質災害的預防也越來越有幫助。因此，對邊坡進行三維建模，可以更為精確地表達邊坡的信息，在邊坡三維建模基礎上的研究也更加符合真實情況。

三維建模的基礎和核心是對地質表面的構造、擬合[10]。劉紅楓通過MATLAB軟件開發出滑坡穩定性分析及可視化擴展模塊[11]，得到研究區滑坡的最危險破壞面的坐標數據，將數據處理后再通過GIS技術生成滑坡面，并將其與研究區的高精度DEM數據和遙感影像數據進行疊加、剪切等操作，建立滑坡及滑體的三維模型，從而實現了滑坡的三維可視化，為后續的研究奠定了基礎。宋維琦通過無人機航空攝影得到研究區的航測相片[12]，將航測相片進行處理并生成三維地表模型，然后根據收集的其他數據資料在GIS中構建三維地層模型和三維礦體模型，基于GIS技術將三個模型疊加，生成三維邊坡模型（見圖2），最終建立了研究區的三維可視化體系。

2.3 基于GIS的邊坡監測

邊坡監測指的是通過一定的儀器設備對邊坡的變形情況（如變形位移、變形方向等）進行監測，目的是預防邊坡失穩造成的危險，保證施工前后的安全，防患于未然。朱鵬普根據測量收集的邊坡數據在GIS中建立三維邊坡模型[13]，并在實際邊坡各個監測點布置信號傳感器，將監測點的位置在三維模型中一一精確對應，從而在GIS中以可視化的形式時時監測邊坡的變化，對邊坡的穩定性進行快速和全面的分析，以便進行相關的預防和治理，該方法具有省時、省力且高效等優點。黃世秀從地質學角度考慮了盡可能多的影響指標[14]，將層次分析法與GIS空間分析結合，對邊坡的穩定性進行分析，另外采用先進的儀器設備使監測的數據更為精確，總體上實現了對邊坡變形監測方案的優化。

2.4 基于GIS的滑坡預警

滑坡預警是邊坡監測的一個延伸，即在監測的基礎上加上預警體系，將GIS應用到滑坡預警中，可以提高預警的精度和效率。談小龍從兩方面考慮，一是提高極限平衡法模型的精確性，二是基于現場觀測的數據及時分析、處理，并將這兩方面結合，通過GIS的支持，形成了一個具有安全監測模塊、計算模塊和評價模塊的綜合預警模型[15]，更好更全面地解釋了邊坡的失穩特點，能達到預警的目的，在工程應用中具有積極的參考價值。

2.5 基于GIS的邊坡植被防護

在邊坡的治理中，通常會種植一些植被進行綠化，由于邊坡所具有的特殊地質條件，這就會使邊坡植被的生長受到不良的影響，因此怎樣對邊坡上的植被進行防護管理成為了亟待解決的問題。周愛芳以孝襄高速公路植被生態防護工程為例[16]，基于GIS技術將所有與此公路邊坡植被防護的信息以地圖形式展現出來，有利于技術和管理人員從全局了解邊坡植被恢復的情況，從而方便了后續的統籌規劃工作。

2.6 基于GIS的邊坡支護方案優化

GIS技術還可以應用到邊坡支護系統的開發和優化中，可以使整個系統更加豐富，更能反映實際情況。陶麗娜等以普遍極限平衡法（GLE）為理論基礎[17]，在組件式GIS技術上進行了邊坡支護方案優化設計系統（SSODS）的設計與開發，將地理信息、工程技術等有機地融為一體，并在實際工程中得到了很好的應用。

3 發展趨勢

3.1 四維GIS

常規的二、三維GIS不能滿足未來的地質工作所需，將三維模型與時間數據結合，在三維的基礎上增加了時間維形成四維GIS，可以用于評價研究區某時刻的所有地質條件或某段時間內的平均地質條件[18]。

3.2 “4S”集成系統

“4S”指GIS（地理信息系統）、RS（遙感）、GPS（全球定位系統）和ES（專家系統）。GPS為GIS提供實時的定位數據，RS為GIS提供最新的數據源，然后用ES進行評估，四者形成優勢互補。這樣就能更加科學可靠地分析工程地質問題，從而找到解決工程地質問題的好方法。

3.3 推演GIS

傳統情況下，為了應對工程事故等突發事件的發生，有關部門制定了一些專項應急預案，但由于組織難度大、經費需求高，應急效果并不顯著。近年來，隨著信息技術的進步，基于GIS的推演系統逐漸發展起來。該系統可以將突發事故點的地形、地貌、重點設施等空間信息顯示出來，并對救援過程進行模擬演練，以便采取最優應對措施，最大程度上降低損失。

3.4 虛擬GIS

在GIS技術中應用虛擬現實（Virtual Reality）技術即為虛擬GIS。將虛擬環境融入GIS中，用戶可以在虛擬環境中方便快捷地處理分析空間實體數據，如在邊坡研究中，使用虛擬GIS重現邊坡的歷史性狀，模擬邊坡變形失穩的過程，展示其未來的變化狀態，從而更加科學地進行邊坡變形預測。

4 結語

（1）本文對GIS技術作了簡要介紹，討論了GIS技術在邊坡中的應用現狀，GIS憑借其空間數據管理和分析的優勢及強大的可視化功能為治理邊坡問題提供了良好的技術手段。

（2）目前GIS在工程地質中的應用存在不足，如三維GIS在技術上還有很多問題未解決，沒有統一的三維數據結構模型，無法完全準確地模擬現實世界地理實體;另外，一些專業模型與GIS的兼容性差，以及高精度數據不易獲取，對分析結果造成直接影響，這些都使得GIS在工程地質中的應用面臨著挑戰。

（3）GIS作為一種可以將地質信息進行有效管理、分析并進行輔助決策的便利工具，隨著計算機技術、信息技術和網絡技術等高新技術的快速發展，其將越來越廣泛地應用于更多工程地質問題中。

參考文獻：

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基金項目：貴州省自然科學基金項目（黔科合LH字[2014]7387號）

作者簡介：張澤方（1997—?），男，漢族，河南駐馬店人，碩士，研究方向：地質災害防治。