GIS 在巖土工程中的開發與應用

李鵬遠 包春燕

地理信息系統(Geographic Information System或Geo-Information System,GIS),都是有針對性地建立的,處理的對象也都是各種空間實體和空間關系,現已被廣泛應用于城市規劃、資源管理、水利、巖土工程等各個領域。它是一項以計算機為基礎的新興技術,在計算機硬、軟件系統支持下,對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布的海量數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。通過對多因素的綜合分析,它可以迅速地獲取滿足應用需要的信息,然后以地圖、圖形或數據的形式表示處理的結果。GIS應用技術上的突破,很大程度上是由于GIS軟件的成熟和商用化程度的提高。國際市場上有大約300家各類GIS軟件研制和供應單位,常用的GIS軟件達到400多種,國外主要有ARC/INFO,GENAMAP,MGE。國內較著名的有MAP/GIS,GEOSTAR和CITYSTAR等。

1 GIS在巖土工程中的應用實例

盡管現存的GIS軟件很多,但對于它們的研究應用,歸納起來有兩種情況:1)利用GIS系統來處理用戶的數據;2)在GIS的基礎上,利用它的開發函數庫二次開發出用戶專用的GIS軟件。在巖土工程領域,GIS的應用雖然起步較晚,但是發展卻相當迅速。

1.1 GIS與巖土工程勘察[1]

工程勘察成果是十分寶貴的信息資源,具有很高的重復利用的價值,可以充分利用GIS系統中龐大的綜合信息,為實現地理信息共享等做出貢獻。巖土工程勘察信息系統的建立分為四個階段:錄入數據、軟件運用、二次開發和系統運行,首先輸入大量的已知鉆孔信息在選擇的軟件上,經過一系列軟件上的處理工作,形成一個大的良好的區域共享,主要特點是勘察設計各環節使用計算機作業,勘察階段為設計階段提供接口數據文件,使得數據傳遞流暢,在各專業工種間及同區域內各勘察設計部門間,達到數據共享與協同操作,以提高勘察設計的效率,節省人力,縮短設計周期。

1.2 GIS與地質災害[2]

1)滑坡方面。滑坡災害是在地球表層一定空間范圍和一定時間內發生的一種災害現象。在空間上各種類型的滑坡或滑坡群的大小有很大的區別,時間快慢上也有很大差別,但它們都是災害孕育環境與觸發因子共同作用的結果,滑坡災害及其影響因素都與空間位置密切相關,因此利用GIS技術不僅可以對滑坡災害及其相關信息進行管理,而且可以從不同空間和時間尺度上分析滑坡發生與環境因素之間的統計關系,定量或半定量地評價滑坡災害發生風險及其可能的災害范圍。2)砂土液化方面。在強烈地震作用下,處于地下水位以下的砂土,其性質可能發生明顯的變化,致使分析方法大多還是采用傳統的工程地質研究方式,即單純的試驗、計算和得出結論,大部分工作由手工完成。由于砂土液化涉及的因素較多,且與空間位置密切相關,加之其往往為整個防災救災系統工程的一部分,所以傳統的分析方法顯得孤立低效。

1.3 GIS在巖土工程中的典型應用

第一個地理信息系統產生于20世紀70年代的加拿大,是針對土地開發和保護并為農業服務,于20世紀70年代初研究成功第一個實用意義上的地理信息系統(CGIS)。早在1970年～1976年,美國地質調查所就建立了50多個信息系統,作為管理地理、地質和水資源等領域空間信息的工具。1989年,美國Peter Douglas C等用GIS對工程數據進行分析評價,并取得良好效果[2]。1989年和1991年美國科學基金會與聯邦高速公路管理處利用GIS建立了美國巖土工程試驗現場信息系統,對美國所有巖土工程試驗現場所得的數據進行處理、管理、演示及輸出[4]。南京大學地球環境計算工程研究所應用三維地質建模技術,對潤揚長江公路大橋北錨碇的地基進行三維地質分析,并通過數據轉換接口,將其移入GIS數據庫中進行各項空間分析。

2 GIS在巖土工程的發展趨勢

綜合上述國內外的應用實踐可以看出,在巖土工程GIS應用研究方面,國內與國外還是存在著一定差距,主要體現在以下兩個方面[5]:1)國外的研究領域十分廣泛和系統,包括區域工程地質、工程勘察、滑坡、砂土液化、地質災害總體評價等,尤其在滑坡方面,研究十分全面和深入。國內除煤礦地質災害中應用相對較多,其他方面涉及較少。對于環境巖土工程的前沿課題幾乎空白。2)從20世紀70年代至今,國外GIS技術的應用已從簡單的數據處理、圖形輸出,發展到空間分析,DEM,DTM的使用,GIS與有關專業擴展模型(如統計模型、力學模型等)的結合,GIS與DSS的集成,乃至GIS虛擬現實技術的運用。而國內GIS應用研究在90年代以后才逐漸開展起來,各方面結合和運用還很欠缺。

對GIS本身來說,其發展趨勢可從三個方面來看:1)硬件方面。分布式計算機環境、多媒體技術、虛擬現實技術、手指跟蹤技術等都將改善GIS的工作環境和狀態,這勢必會使有關的專業問題研究變得更加科學、簡便、快捷。2)軟件方面。三維GIS和時態GIS將成為以后幾年的熱點課題之一。3)GIS,RS,GPS的集成。目前,RS與GIS的集成已達到了“無縫結合”的階段,但GIS,RS,GPS三者真正意義上的集成還未解決,尚需進一步研究。

3 基于MapX控件的GIS應用軟件開發研究[6,7]

MapX是MpInfo公司推出的地圖控件,它可以在應用程序中方便地插入各種地圖,可以使用VB,VC++,PowerBuilder,Delphi等面向對象語言來創建應用程序。MapX是按圖層組織地圖的,通常在MapX中使用的圖層都是矢量圖層,也可以使用柵格圖象,柵格圖象可以提供比矢量圖更細致的圖象。MapX還提供強大的地理信息查詢與統計功能,可以和遠程數據庫掛接;可以使用SQL語句進行查詢;可以通過數據綁定而把記錄顯示在地圖中;可以按照數據的地理信息進行各種統計與查詢。和GPS相結合還可以顯示大面積上的移動對象,這些特點也正是MapX適用于開發GIS的主要原因。基于MapX控件的GIS應用軟件系統采用MapX組件與面向對象可視化編程語言Visual C++集成的二次開發模式,具有GIS所必備的基本功能;該系統還具有可擴展性,使開發者能根據實際情況添加其他應用功能。系統的主要功能包括文件管理、編輯、視圖管理、地圖工具等,并提供地圖工具欄,方便用戶的使用。在VC環境下集成MapX開發GIS軟件是將MapX作為控件插入到應用程序中,然后通過設置其屬性和調用其方法,響應其事件來實現的。

4 結語

隨著巖土工程理論和技術的進一步完善以及GIS技術的不斷發展,GIS在巖土工程中的應用將會更加廣泛和深入,也只有在全面深入的基礎研究條件下進行的GIS分析才是可靠的,也就是說基礎資料的收集、必要的野外調查試驗及室內分析試驗等傳統的研究方法是最基礎的工作。由此可見,將傳統方法與GIS技術相結合應用在巖土工程中,將具有廣闊的前景。

[1] 雒林林,陳情來,張春生.GIS在我國巖土工程中的應用[J].東北測繪,2002,25(3):57-58.

[2] 沈 芳,黃潤秋.地理信息系統與地質環境評價[J].地質災害與環境保護,2000,11(1):6-10.

[3] 包惠明,胡長順.GIS支持下巖土工程勘察設計一體化[J].水文地質工程地質,2002(2):74-76.

[4] Jean Benoit,Pedro A de Alba,Stephen M Sawyer.National geotechnical experimentation sites center data repository[A].David Frost J,Jean Lou A Chameau.Proceedings of Geographic Information Systems and Their Application in Geotechnical Earthquake Engineering[C].Atlanta:Ameri can Society of Civil Engineers,1993:17-21.

[5] 方海東,施 斌,王寶軍.GIS在環境巖土工程中應用的回顧與展望[J].桂林工學院學報,2001,21(4):371-375.

[6] 馮永玉,時三帥.基于MapX控件的GIS應用軟件開發研究[J].礦山測量,2004(1):32-34.

[7] 管志杰,趙 政.使用MapX開發地理信息系統[J].微型電腦應用,1999(7):6-81.