GIS支持下的地质灾害实时动态预测评估系统架构研究
时间：2020-12-13 08:09:39 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(内蒙古地质勘查有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要：文章对基于GIS支持下的地质灾害预测评估系统的架构进行了研究。将数学方法与GIS技术相结合，以目前拥有的大量区域自然环境、地质环境、社会条件、地质灾害信息等基础资料为依托，利用GIS的叠加分析、空间统计分析等模型进行区域地质灾害实时动态预测评估。并通过对灾害点所在区域的评估，获取灾点所在区的基础环境条件，结合灾点特征信息，对正在发生的地质灾害点进行评估，为防灾、救灾提供快速支持。
关键词：地质灾害；
动态预测；
评估；
架构；
GIS
中图分类号：P694 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)22—0360—03
由于地质灾害的发生具“突发性”和不确定性，因此对其进行预测预报和评估具有深远的社会意义和现实价值。人们对地质灾害的认识首先是从单个地质灾害点开始的，对其研究评估工作也从此入手。随着人们对其认识的不断加深和其危害的逐渐增大，为了有效地防灾、救灾，区域性地质灾害预测评估工作被人们逐步重视起来。地质灾害预测评估技术的发展，经历了由点到面，由面回到点或小区域的过程。预测评估的方法也由局部单一的灾害发生后的被动统计，向综合的小区域的经验性、定性预测评估发展，以及目前的大区域、空间动态的主动半定量、定量预测评估。20世纪末，随着计算机技术在地质灾害领域的应用，使地质灾害的预测评估研究呈现多种方法综合应用、现代数理科学理论广泛应用、“3S”技术广泛应用的飞速发展局面，预测评估技术得到了前所未有的发展。任何长期存在、应用和不断发展的系统，首先必须要有一个科学、合理、开放的系统架构。地质灾害预测评估系统亦如此。
本文将从地质灾害的基本过程、阶段和危害程度入手，研讨在GIS技术支持下的地质灾害实
时动态预测评估系统的构建。
1 预测评估方法
1.1 国内外研究概述
地质灾害预测评估经国内外地质专家多年的潜心研究和探索，总体上其发展经历了3个阶段：①现象预报和经验统计学方法预报阶段：利用地质灾害的一些破坏现象和失稳的宏观前兆，对其进行推断。该阶段起于20世纪60～70年代，以1968年日本学者腾迪孝为代表，通过大量试验，构建起了地质灾害时间与蠕变速率关系经验公式和模型。并利用该模型成功预测了日本高场山隧道滑坡；
②位移和时间统计分析预报阶段：20世纪80年代后，许多学者大量引入数学方法和理论模型，用于拟后不同地质灾害发生发展的位移和时间曲线，根据所建的模型作外推预报；
③综合预报模型及预报判扬威研究阶段：随着地质灾害研究的深入发展和计算机技术的广泛应用，地质灾害预报不仅是一个纯方法问题，要实现较准确的预报，必须将斜坡变形破坏机制分析与定量预测评估模型相结合、分析、模拟的方法，系统地进行识别、模拟及预测预报。
与此同时，地质灾害评估方法也得到了迅速发展，借助于数理统计、现代计算机技术等手段，产生了概率分析、模糊分析、神经网络分析、GIS空间分析等方法，预测评估由定性向半定量到定量发展，使评估由主观经验向客观发展。纵观目前国内外诸多预测评估模型和方法，主要分为4类：①宏观预测评估模型：充分依据地质灾害发展各阶段所表现出来的各种宏观现象，判断其发展阶段，预测其下一步发展趋势；
②统计预测评估模型，运用现代数理统计规律，根据所建模型的外推性进行预测评估；
③非线性预测评估模型：其引用处理复杂问题比较有效的非线性科学理论，来预测评估地质灾害的发展；
④确定性预测评估模型：把有关地质灾害及其环境的各类参数用测定的量予以数值休，用严格的数学、物理模型推理方法，通过精确分析，得出明确的预测评估结论。
1.2 系统预测评估方法概述
对于地质灾害这复杂体系的研究，采用任何单一的数学方法和单个数学模型是难奏效的。解决此类问题，需要综合运用多种数学方法，建立起具有分析、模拟、仿真、预测、规划、决策、调控等各种功能并由众多模型组成的系统才能完成。然而，这种模型系统的运行，不但需要由有大量数据所构成的数据库的支持，还要有科学的计算方法与计算程序的帮助，由此所得到的研究结论也需要以简明的形式（区划图、统计图或表格等）予以表达。GIS技术就能为该模型系统提供有力的支持。
地理信息系统（Geographic Information System及GIS）为W.L.Garrision于1965年首先提出。20世纪70年代后期发展起来的，对地理数据进行采集、存储、更新、检索、管理及综合分析与输出的计算机应用技术。它是以计算机为工具，综合利用定位观测、统计调查、地图、遥感等数据，通过一系列空间操作与分析，借助数学方法为其建造如数字地形模型（DTM）、空间统计分析模型、叠加（Overlay）分析模型、缓冲（Buffer）区分析模型、规划模型等空间分析模型、决策分析模型等其他应用分析模型，对地理学进行综合研究的现代化手段。本文重点对基于GIS支持下的地质灾害预测评估系统的架构进行探究，将数学方法与GIS技术相结合，以目前拥有的大量区域自然环境、地质环境、社会条件、地质灾害信息等基础资料为依托，根据系统需求对其进行信息化，建立起各要素图层，利用GIS的叠加分析、空间统计分析等模型进行空间叠加统计分析。并运用现有科学的、成熟的、命题的评估方法，对空间叠加统计结果系统分析，总结出评估区域的地质灾害发育分布规律。通过对灾点所在区域的评估，获取灾所在区的基础环境条件，结合灾点牲信息，迅速对正在发生的地质灾害的发展趋势进行预测评价，通过危险性、危害性评估，快速提出应对措施和响应建议。
2 预测评估系统架构
2.1 指导思想
地质灾害现象的发生发展，除具有自然属性外，同时还具备社会属性。人们研究地质灾害的目的是防灾救灾，对他的认识是从其所造成的危害开始，即其的社会属性开始。随着人类改造自然能力的不断增强，人类活动的日益频繁，其的社会属性显的逐渐突出。而对其的研究则首先得从自然属性开始，只有全面掌握了各种地质灾害成灾的原因、发育分布规律等基本特性后，才能提出合理的防灾救灾措施。
根据地质灾害评估按范围可将其划分为区域评估和突发性地质灾害点评估（简称“灾点评估”），评估方法也各不相同。区域评估的对象为复杂大系统，信息量有限，这样给区域预测评估带来很大的不确定性，同时造成预测评估结果与现实的巾近程度承受评估方法和样本空间的大小而不同。而因单体灾点的范围小，控制和影响因素较少，投入研究工作量大，获取的信息量及其质量高，灾点评估系统相对比较简单明确。灾点评估的方法相对区域要多，研究的深度也相对较深。就各种地质灾害而言，滑坡、崩塌的研究程度相对要高于泥石流、塌陷等灾种，方法也各异。
地质灾害的自然属性与社会属性、区域评估与灾点评估是相互关联和依存的。对地质灾害的预测评估必须在系统全面掌握其自然属性的同时，结合社会属性对其进行危险性、危害性预测评估。系统还应考虑长远发展、自我完善和实用性，预测评估不仅只停留在单个地质灾害点的评估上，应通过单点评估的积累逐步扩大系统样本空间，对区域地质灾害发育分布、敏感性进行实时动态评价，以此达到区域地质灾害实时动态评估。通过对灾点所在区域的基础环境条件的分析评估，反过来又可支持突发灾点评估，由此构成了以点带面，又以面带点的良性循环，实现系统的自我完善、实时动态更新的进化。
2.2 系统架构
本系统以空间数据库系统、地质灾害速报系统为信息依托，以信息管理系统为枢纽，依据上述指导思想所构建的如图1所示的由区域评估和灾点评估子系统组成的评估系统架构。通过地质灾害危险性和危害性评估，迅速地对宏观评估区域或正在发生的突发性地质灾害点进行实时动态预测评估，为快速响应系统提供技术支撑和决策依据。
3 区域评估
本系统区域评估分3步完成。第一步：敏感性分析［发育程度分析+敏感性分析］；
第二步：风险性评估［危险性评估+危害性评估］；
第三步：防治规划预报［防治规划+地质灾害气象预报+区域性土地使用地质灾害危险性评估］。即本区域评估系统通过发育度(Distribution parameter)、敏感度（Sensitivity）分析，以及危险度（Hazard）、危害度（Harmfulness parameter）、风险度（Risk）分析评估，完成实时动态的地质灾害发育程度分区、土地使用地灾危险性评估分区（小区划）等工作。并形成发育分布图——发育度分区图（分灾种和综合）+敏感度分区图（分各因子和综合）－危险度分区图（分灾种和综合）－风险度分区图（分灾种和综合）——地质灾害防治区划图－地质灾害气象预报分区图－土地使用地质灾害危险性评估分区图等图件。
3.1 敏感性分析
敏感性分析首先对评估区内已掌握的地质灾害点（样本空间）进行系统统计分析，绘制地质灾害发育分布图和发育度分区图；
然后依据已掌握的地质灾害信息经系统分析，确定各灾种成灾因子集，并绘制各灾种各因子基础分区图层 ；
最后将各灾种各成灾因子图层分别与地质灾害发育度分区图叠加，统计计算出各灾种各成灾因子各基本区域内地质灾害的数量和归并，构建起各灾种各成灾因子地质灾害敏感度分级标准即指标体系。扬威此绘制各灾种和各成灾因子地质灾害敏感度分区图层和分区图。
3.2 风险性评估
风险性评估首先把已编制好的各灾种和地质灾害发育度分区图与敏感度分区图叠加，得到各灾种和地质灾害在评估区各单元的危险度，依据各评估区的具体特点，对评估区的危险度进行适当分级，构建危险度指标体系，编制出各灾种和地质灾害危险度分区图；
而后在评估区的社会环境条件的基础上， 根据地质灾害的社会属性特点，将评估区各危害因子进行合理分级，建立危害因子分级指标体系，形成评估区各危害性因子分区图层并予以叠加，分别统计计算区各评估单元的危害度，对其进行合理的分级，建立评估区地质灾害危害度指标体系，编制出地质灾害危害度分区图；
最后将已形成的各灾种和地质灾害危险度分区图和危害度
分区图叠加，统计计算评估区各评估单元的风险度，并对其进行合理分组，构建起各灾种和地质灾害风险度指标体系，编制形成相应的风险度分区图。
3.3 防治规划和预报评估
根据目前地质灾害管理和社会需求，系统还应提供3方面服务：
3.3.1 地质灾害防治规（区）划。通过对已掌握的评估区各地质灾害点的稳定性、危害性统计分析，根据地质灾害相关管理办法和原则，进行合理级别划分，并对已发现的地质灾害点进行合理的管理分组和防治分期。在评估区地质灾害风险度分区的基础上，将各管理分级和防治分期的灾点于风险度分区图上分别表现出来，并对地质灾害风险分区进行合理规划，形成地质灾害防治规划图。
3.3.2 地质灾害气象预报。以地质灾害危险度、风险度分区图为基础，将评估区气象部门所提供的实时气象分区图与其叠加，即可获得评估区地质灾害危险性和风险性预测、预警分区。
3.3.3 区域土地使用地质灾害危险性评估。对于评估区内大面积小区域性土地使用，系统以地质灾害危险度分区基础，将各项土地使用的范围、规划、布置等图件与其叠加，补充适当的现场调查信息，就可得到土地使用区的地质灾害危险性分区图，用于指导土地开发使用。
4 突发性灾点评估
由于人们对地质灾害点投入的工作量不同，对其的了解和认识程度也各异，所掌握关于灾点的特征信息量及其精度、质量也相差较大。因此根据突发性地质灾害点所处认识阶段，将其分为速报评估、应急调查评估、群测群防评估、专业监测评估、专项勘查论证评估。总体上灾点评估分灾点危险性评估、危害性评估和风险性评估3步完成，各阶段采取的评估方法不同。对于仅通过地面调查获取特征信息的灾点，系统采用宏观预测评估方法进行定性评估。而对于进行了专业监测和勘查的灾点，系统将利用获取的大量定量信息，对灾点进行监测预报和确定性预测评估。
4.1 灾点危险性评估
4.1.1 灾点危险性宏观预测评估。宏观预测评估主要用于突发性灾点的速报评估、应急调查评估和简易监测的宏观巡视评估。评估分3步进行。首先以区域评估所掌握的评估区各灾种的成灾特性为基础，系统分析总结同各灾种的宏观预测评估判据；
然后将灾点放入区域环境中，在区域危险性评估中获取灾点所在区域成灾的危险性信息；
最后以速报、应急调查和宏观巡查的灾点特征信息为基础，结合宏观判扬威对灾合口味当头一棒同危险性宏观评估，并将其与区域评估危险性信息相叠加
，以此得出该灾点的危险性评估结论。
4.1.2 灾点危险性监测预报评估。为点监测预报评估是建立在地质灾害简易监测和专业监测的基础上的，通过对灾点的变形监测所获得的数据进行分析处理，以此预测灾点下一步发展的趋势以及发生灾变的时间和变形量。评估工作首先对各项监测数据进行系统处理、分析，并对非等间隔数据序列进行等间隔化，建立符合评估系统要求的监测数据序列；
然后用监测预报评估模型对灾点下步可能产生的位移量进行预测，对其发展趋势进行预测预报；
最后以监测预报模型为基础，对灾点可能发生的突变时间进行预测。
4.1.3 灾点危险性确定性评估。对于经过详细勘查的灾点，通常采用确定性方法。该方法首先利用灾点勘查所获取的信息，建立灾点危险性评估物理模型（剖面及其结构）；
然后统计分析各种岩土所取得的试验参数，确定物理模型各岩土的物理力学性质参数；
最后利用灾点各种确定性评估模型对灾点各种工况的安全系数或可靠概率进行计算和分析，得到灾点的危险性评估结论。
4.2 灾点危害性评估
危害性评估的关键是灾（险）情实物数量和价格水平。因此首先将评估区内的所有价格体系进行统一和分级。即按照评估区的经济发达程度，统一相同价格水平区内的计算单价，对评估区进行价格水平分级然后根据速报、应急调查、专项调查、勘查所统计的灾情（已造成危害）和险情（潜在危害）信息，依据灾点所在区域的价格水平，采用危害性评估模型进行危害性评估，确定其危害等级。
4.3 灾点风险性评估
为便于地质灾害的风险管理和决策，将灾点的危险性与危害性等级进行综合叠加考虑，按照危害性优先原则，确定灾点风险度等级。
5 结语
系统架构是关系到系统科学性、适用性、可持续发展性、推广性的核心。本文从地质灾害的区域评估和灾点评估开始构建预测评估系统架构。以突发地质灾害点为出发，通过地质灾害现状（敏感性）分析，利用GIS空间动态分析（图层叠加Overlay）功能，经风险性评估、防治规划和预报评估完成地质灾害区域实时动态预测评估。而后以此为基础，结合突发地质灾害点的特征，进行灾点危险性、危害性和风险性预测评估。构建起一个从突发地质灾害点到区域，双从区域回到灾点的预测评估架构。实现了地质灾害的实时动态预测评估，为指导地质灾害的防治、救灾对策构建起一个预测评估架构。
［参考文献］
［1］ 胡立山，马宵汉，等湖北省地质灾害信息管理与响应系统综合研究
报告［R］．宜昌：湖北省地质灾害防治中心，2006.
［2］ 王小平，孙仁先，江鸿彬，湖北省地质灾害信息管理与响应系统研究总体设计
［R］．宜昌：湖北省地质灾害防治中心，2004.
［3］ 刘传正，李铁锋，程凌鹏等，区域地质灾害评价预警的递进分析理论与方法［
J］.水文地质工程地质，2004，（4）：1～8.
