地理信息系統在地質災害防治中的構建策略探討

文／汪翔宇、胡新紅、李桂林、雷學文、陳文兵 湖北省鄂東南基礎工程有限公司 湖北黃石 435100

1.地理信息系統分析

當代地理信息系統依托的主要平臺是計算機技術系統，融合了通信網絡、人工智能和計算機圖形學技術，系統更完善，功能具有多樣化特征。在地質災害監測防治中，地理信息系統將G/S 模式和B/S 模式相結合，系統結構更穩定。其中，G/S 模式是Client /Server 的簡稱，指客戶端和服務器；B/S 模式是Brower/Server 的簡稱，特指瀏覽器和服務器。國家在這兩種模式的結合基礎上，構建了G/S 系統，設置了地學瀏覽器與服務器，能夠將所有服務功能相結合，依托網絡環境做好海量信息和異構空間數據的集中管理工作。在21世紀，地質災害系統監測技術更先進，結構更完整，操作更便利。具體包括以下午幾方面內容：（1）地質災害防治中所應用的地理信息系統搜索引擎技術融合了云計算的優勢，構建 Arc GIS 平臺，提供在線應用服務，建立了存儲功能良好的數據庫。（2）隨著云產品的創新和大數據技術的普及應用，地理信息系統也連接了大數據，創建了大型數據集，能夠協同數千臺電腦同時工作。地理信息系統更具開放性，能夠滿足地質災害信息監測工作大眾化需求，體現監測信息內容的空間性與屬性特征。（3）地理信息系統將用戶需求作為本系統需求分析的核心，地質災害監測工作性質對軟件系統功能的要求具有特定性，不同工作環節的需求各異。對此，地理信息系統也設置了特定的軟件功能，不斷加強系統可行性，改善系統知識結構。（4）地理信息系統在總系統平臺下構建了多個分支系統，主要包括地質災害易發區信息采集系統、危險區監測數據信息評估系統、地質災害信息查詢系統、地質災害信息數據庫服務更新系統、地質災害預警系統、地質災害損失評估系統、災后救援工作規劃指導系統、災害救援監測系統等，發揮各分支系統功能，有助于全面防治地質災害，將災害造成的損失降到最低[1]。

2.地質災害信息系統功能探討

2.1 功能概述

隨著中國科技的不斷發展，地質災害信息系統功能日趨多樣化。從整體上看，地質災害信息系統有6 種基本功能：（1）空間數據查詢功能。（2）空間數據分析功能。（3）屬性數據綜合功能。（4）屬性數據融合功能。（5）數據庫綜合分析評價功能。（6）數據庫模擬預測功能。同步發揮各項功能，方能有效提高地質災害防治工作質量，盡可能降低災害帶來的損失。

2.2 空間數據的查詢以及分析功能

地質災害通常波及面積廣，破壞性很強，因此，地質災害防治工作也會涉及廣泛的區域范圍。國家已經構建了先進的地質災害數據庫，地理信息系統具備空間數據檢索查詢功能和深度分析功能，滿足地質災害監測評估工作的基本需求。在地質災害信息系統空間數據查詢工作中：（1）會采用3 種方式：圖形方式；表格方式；范圍方式。運用這3 種方式能夠對各范圍的災害信息進行更為準確的監測和分析，及時查詢空間數據信息，實現監測信息直觀化展示。（2）運用 Arc GIS 平臺系統，可以全面收集地質災害信息監測點、線、面要素，構建完整的拓撲關系，充分發揮系統的統計分析功能，根據信息分析結果制定科學的災害防治方案。（3）地質災害信息系統能夠分級顯示不同地質災害的危險等級，標注緩沖區。（4）在地質災害信息查詢過程中，工作人員會正確運用術數據庫內存儲的原始數據信息，在完成查詢后，結合用戶需求，對信息實施統計分析處理，然后，用圖件來表示地質災害信息成果，確保信息內容在空間位置上的一致性，進一步提高地質災害防治效果。

2.3 屬性數據的綜合和融合功能

在地質災害防治工作中所應用的地理信息系統內，時常會緊密結合實際需求，對不同屬性的屬性數值采取綜合處理，這些數據會轉變為新的屬性項。需要注意的是，這些屬性數值的綜合處理并非僅是將所有數據實施融合，而是要嚴格遵守綜合原則。在地質災害防治工作中所監測的數據信息含有大量多源空間數據，數據類型、數量、內容均有顯著的差異。同時，也有部分信息為定性數據信息或者定量信息，發揮屬性數據的綜合與融合功能，做好信息統計處理工作，需要運用地質災害信息系統構建數據模型，對所有數據信息實施篩選，將有用的信息納入模型中，建設完善的地質災害防治數據庫，從而有效提高數據應用價值。

2.4 數據庫綜合分析評價以及模擬預測功能

建立地質災害防治數據庫，確保地質災害預測準確性，提高災害防治效果，需要充分發揮地質災害防治數據庫的功能，做好數據綜合分析評價工作，啟用數據庫的模擬預測功能，運用地理信息系統對地質災害預測區域的地質結構、地貌特征、水文條件與氣候條件等重要信息進行精確獲取和深度分析，同時，要認真分析歷史地質災害關鍵信息，做好所有信息的評價工作，以便于各準確地預測該區域地質災害發生可能性、時間與災害等級，根據預測評價結果，制定全面、科學、合理的應對方案。發揮數據庫的功能，不僅要做好地質災害預測工作，而且要充分運用空間數據信息的編碼，做好信息存儲工作，準確提取信息，模擬地質災害，科學實施演練活動，制定最全面的災害防治方案和救災方案。

3.構建策略分析

3.1 滿足用戶需求分析

在地質災害信息系統應用中，專業技術人員要依次完整3 步工作：（1）建立新數據庫。做好地質災害區域調查工作后（通常在野外調查），要建立新數據庫，按照標準流程，將野外所調查的卡片數據信息與室內所整理的數據成果一并導入數據庫系統，這樣才能實現統一管理。（2）做好地質災害調查數據與圖形屬性數據輸入管理工作。通常，在建立好數據庫之后（包括縣級數據庫和市級數據庫），運用人工輸入模式將調查資料輸入到數據庫系統，方便后期能迅速檢索查詢和統計分析數據。（3）合理劃分地質易發區和高發區。在部分巖石結構松散的區域，很容易發生山崩、滑坡等地質災害，如果位于地震帶區域，就屬于地震高發區。對此，專業技術人員要做好野外調查工作，在室內對調查資料予以整理，結合資料內容，對地質災害高發區和易發區進行合理劃分，為防災救災管理工作提供更準確的參考依據。

地理信息系統構建需要結合行政管理人員的工作內容，滿足以下管理功能：（1）提供圖形數據與屬性數據管理功能，便于行政管理人員做好這兩種數據管理工作。在具體工作中，行政管理人員會借助地理信息系統集中管理各種圖層數據，像地質災害監測區域河流勘察數據、水系數據、交通數據、巖石結構數據、地層數據、地質構造數據、地質災害易發區圖層數據、災害防治區圖層數據等，這樣能夠實現地質災害監測防治工作直觀化。與此同時，行政管理人員會借助地理信息系統做好本區域泥石流、山崩、滑坡、地震等災害調查數據的統一管理工作，全面了解數據信息內容。（2）做好數據信息查詢工作。地理信息系統會針對地質災害調查信息內容生成直觀化地圖，行政管理人員能夠根據地圖上的清晰標注看到地質災害發生位置，獲取所有災害點的具體信息。在查詢災害信息的過程中，行政管理人員會點擊和輸入行政地名、地質災害類型和災害點的規模，以此了解災害點的詳細信息，準確定位災害發生位置。（3）做好圖形輸出工作。行政管理人員會結合地質災害防治管理需求，運用地理信息系統自動打印地質災害地圖、災害易發區和災害防治分布圖，為防災救災工作提供更完善的參考資料。

3.2 建立地質災害數據庫

國內地質災害信息系統文件存儲格式為MapGIS 文件，地質資料和地質災害專題資料內容完備，基礎地理信息資料存儲格式為ArcGIS 文件。優化地理信息系統在地質災害防治中的構建策略，首先要充分借助大數據技術構建Oracle 數據庫，建立ArcSDE 空間數據引擎，設置GIS 空間分析模塊，這樣能夠獲取準確的地質災害區域空間數據，做好數據分析工作，實現海量數據提取、挖掘和存儲管理。當前地質災害信息系統所獲取的基礎地理信息數據和環境工程地質信息兼具3 大基本特征：（1）空間分布特征；（2）時間性。（3）動態性。運用GIS 系統能夠對所有信息結合所處空間位置實施統一處理，并將經過處理的信息提供給系統用戶。GIS 系統空間分析功能應用有多種數學分析方法，常用方法有4 種：（1）空間疊加分析法.（2）領域分析法。（3）緩沖區分析法。（4）最佳路徑選擇法。發揮GIS 系統分析功能，有助于優化救援路線規劃方案，選擇合適的救援物資存放地點，做好地質災害危險區和風險區劃分工作，科學選用災后安置區。同時，運用人工智能技術構建災害預測模型，一旦發現地質災害潛存風險，就可以及時發布預警信息，制定救援方案，降低災害損失[2]。其次，在地質災害數據庫系統設計過程中，應編輯好程序代碼，統一空間坐標，把握好數據精度，對字段類型、命名方式、符號系統進行統一處理，謹遵數據庫建設類型所規定的數據組織方式、字段限制和數據存儲標準要求，建立標準化空間數據庫，將地質災害圖像、數據信息、圖層統一納入數據庫存儲信息內。再次，要構建完整的地理信息系統結構層。當代地質災害信息系統分為4 層結構：（1）系統層，該層次由客戶端和服務器端組成。（2）數據服務層，該層次能夠做好數據庫服務管理工作。（3）軟件平臺層，該層次能夠管理好各軟件系統，實現多個數據庫系統之間的協作，提升數據傳輸與操作效率。（4）應用層，該層次為系統界面，設置了多種系統模塊，便于系統調用。

3.3 優化地質災害監控系統

地質災害監控系統技術主要包括RS485 總線技術、I2C 總線技術、單總線系統、觸摸屏、嵌入式系統和平板顯示技術。其中，RS485 總線技術性能價格比良好，控制任務較為簡單，如果所處場合的實時性要求比較低，就可以選用RS485 總線技術，該技術具備經濟性與高效性。在地質災害監控系統中，RS485 總線技術應用方便，能夠實現主監控單元和其他擴展控制單元的有效連接，完成相關監測任務。在RS485 總線技術硬件電路中，安置總線收發器能夠銜接RS485 總線，滿足監測模塊數據通信需求。

I2C 總線技術能夠將監控系統電器MCU 與機頂盒MCU 相連接，實現數據通信。當代I2C 總線（英文名Inter IC bus）是由PHILIPS 公司所研發的一種通信總線，能夠在芯片之間串行，運用兩根連線實現全雙工同步數據傳輸，同時，能夠滿足兩個器件之間的數據信息互動以及地址的彼此傳送。在地質災害監控系統設計中，會運用I2C 總線技術采取器件地址硬件設計法和軟件尋址來改善監控系統，硬件系統的擴展會更加便捷而靈活，總系統具備良好的抗干擾能力與可靠性。從I2C 總線技術性能來看，該技術應用是通過兩根信號線來傳遞器件之間的數據信息和地址信息，其中一根信號線是數據線，英文簡寫為SDA；另一根信號線是時鐘線，英文簡稱SCL，這兩根信號線均具有雙向傳輸功能，因而，能夠實現雙向信息傳輸。在I2C 總線傳輸數據時，發送器與接收器在靠時鐘線上的時鐘脈沖處于同步狀態。如果速度不同，就會在外設銜接同一條I2C 總線，以此實現數據的相互傳送。I2C 總線上的每個器件都可以被設置成唯一的地址，然后，結合其所設功能，發揮接收器與發送器的作用，需要在I2C總線空閑時期，開展各器件的數據傳送工作，遵守I2C標準模式下的數據傳送規則，此時的傳送速率能夠達到100kbit/s，如果是高速模式，就能夠達到400kbit/s。總線電容通常會限制總線驅動能力，如果不加驅動擴展，此時的驅動能力是400pF。在監控過程中，主器件會產生啟動信號，緊接著，會發出同步時鐘，此時的地址數據會從數據線（SDA）串行移出，完成通信后，主器件會發出通信結束的信號。數據線上的數據在時鐘高時，必須處于穩定狀態，只有當時鐘線（SCL）上的時鐘信號為低時，數據線上的高或低狀態方能改變。主發送器件會在完成每個字節后，生出應答時鐘脈沖，接收器件會在每接收一個字節后，出現一個確認比特。當器件產生確認脈沖后，會使數據線被拉低。因而，在確認相關的時鐘脈沖時，需要將數據線保持在低電平單總線系統內。此外，在地質災害監控系統設計中，工作人員非常注重優化I2C 軟件模擬方案，這樣能夠對I2C 總線器件適用范圍予以大幅度擴展，消除系統單片機的限制[3]。

單總線系統英文名1 一wire，該技術起初是由美國所發明的一種總線技術，這種技術不同于I2C 技術，在運行中，僅采用一根信號線來完成數據和時鐘傳輸工作，能夠節約資源和成本，其構造結構簡單，使用方便，能夠實施有效擴展，便于維護，因此，應用廣泛。在國內，單總線系統經常被應用于由單個主機控制一個或者多個從機的系統設備。如果某個主機只控制一個從機，總系統會按照單節點系統實施操作。如果主機控制的從機為兩個或者兩個以上，總系統就會按照多個節點系統實施操作。目前，常用主機設備是微控制器，所控制的從機設備主要是單總線器件，像A/D 轉換器、一線存儲器、溫度傳感器和可尋址開關。單總線系統應用無須實施串行和并行，也不需要安裝專用總線，會將主機控制器件的數據線、控制線與地址線結合成一條信號線，從而實現主機和從機設備的雙向數據傳遞，其系統布線非常簡單。在地質災害監控系統設置中，會運用單總線系統來檢測散熱器的溫度，系統內的主機大多是單片機ADuC841，從機主要為單總線器件DS182。

觸摸屏是多媒體時代的產物，運用觸摸屏能夠創建良好的人機交互環境，彌補了傳統式鍵盤和鼠標、數位板的操作缺陷。目前，液晶屏顯示器的價格處于降低狀態，觸摸液晶屏在不斷創新，相繼研發出了紅外式觸摸屏、電阻感應式觸摸屏、電容感應式觸摸屏、聲波感應式觸摸屏，這些觸摸屏有良好的分辨率和敏銳的感應能力，能夠準確傳遞監控信號。

嵌入式系統能夠為地質災害監控系統創建良好的硬件環境，關系著系統運行質量。在嵌入式系統組建過程中，首先要做好PC/104 主機板選型工作，安置好PC/AT 機的母板和擴展板，注重優化 PGIO4CPU 模塊。所謂的PC/104 屬于一種工業控制總線，其應用目標是做好嵌入式控制工作，一個 PGIO4CPU 模塊則可以同時擁有PCll04 和Pezlo4/Plus 總線。

平板顯示技術應用的顯示器件包括液晶顯示器、電致發光顯示器、立子體顯示器、發光二極管顯示器，這些顯示器各具優勢。在選用顯示器的過程中，應結合實際需求，發揮不同顯示器的優勢。在監控模塊和監控數據匯總之間，是運用隔離的RS485 總線實現互連。地質災害監控數據匯總不僅要完成底層被監控對象和頂層管理級計算機的通信作業，而且要科學設置監控系統電源微機號和監控模塊的所有控制參數。

結語：

綜上所述，為了做好地質災害防治工作，國家已經構建了先進的地質災害數據庫，地理信息系統具備空間數據檢索查詢功能和深度分析功能，可以滿足地質災害監測評估工作的基本需求。優化地理信息系統在地質災害防治中的構建策略，理應注意滿足用戶需求分析，做好地質災害數據庫建立作業，實現數據規范化管理，全面優化地質災害監控系統。