GIS 集成技術(shù)在天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策中的應(yīng)用研究

黃 勇，黃潤(rùn)秋，何政偉，裴向軍

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.新疆交通科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000）

GIS 集成技術(shù)在天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策中的應(yīng)用研究

黃 勇1，2，黃潤(rùn)秋1，何政偉1，裴向軍1

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.新疆交通科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000）

天山公路由于其特殊的復(fù)雜地形、地質(zhì)條件及降雨等因素，嚴(yán)重影響其正常通行。因此，借助于GIS新技術(shù)手段優(yōu)勢(shì)，建立一套適合于天山公路特殊區(qū)域的評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)，就顯得尤其重要。天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策支持信息系統(tǒng)的建立，首先在詳細(xì)分析天山公路地質(zhì)病害原理的基礎(chǔ)上，收集公路沿線已有的基礎(chǔ)地理、地學(xué)等資料，對(duì)照實(shí)地工作成果和遙感成果，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)及遙感圖像處理技術(shù)，按數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的綜合、整理、篩選、歸納及轉(zhuǎn)換，建立以ArcGIS為數(shù)據(jù)平臺(tái)的多源信息數(shù)據(jù)庫(kù)。然后基于ArcEngine平臺(tái)，開(kāi)發(fā)一套集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、檢索、圖形編輯、空間模型分析、線路區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、公路地質(zhì)選線，以及三維可視化飛行成果圖形生成及輸出為一體的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策支持信息系統(tǒng)操作應(yīng)用平臺(tái)。系統(tǒng)整合不同類型的數(shù)據(jù)資料和多媒體信息，實(shí)現(xiàn)了基于三維的空間信息查詢和分析功能，勢(shì)必為國(guó)土資源和交通建設(shè)管理部門提供一種可靠的決策管理應(yīng)用平臺(tái)。

天山公路；GIS；ArcEngine；地質(zhì)災(zāi)害；集成開(kāi)發(fā)

0 前言

天山公路處于新疆“二縱三橫”公路主骨架中第二縱線中段，是國(guó)家規(guī)劃西部重點(diǎn)公路建設(shè)的組成部份，更是國(guó)防公路網(wǎng)中的重要組成線路。由于其復(fù)雜的地形地質(zhì)條件和惡劣的氣候環(huán)境等因素，公路沿線地質(zhì)災(zāi)害（滑坡、崩塌、泥石流）頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響公路暢通。針對(duì)于天山公路現(xiàn)狀，作者通過(guò)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和多媒體技術(shù)，獲取天山公路沿線地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、地形影像數(shù)據(jù)和多媒體屬性數(shù)據(jù)，按GIS數(shù)據(jù)模型進(jìn)行集成管理。將GIS技術(shù)集成應(yīng)用到天山公路中，為評(píng)價(jià)該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性情況，作出科學(xué)合理的決策規(guī)劃的應(yīng)急處理方案提供解決途徑。

天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策支持信息系統(tǒng)是基于ArcGIS Engine平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一套適用于天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策的管理軟件，實(shí)現(xiàn)了信息瀏覽查詢、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、決策支持、三維可視化分析等功能，該系統(tǒng)為相關(guān)管理部門在提高天山公路地質(zhì)災(zāi)害防治管理水平，地質(zhì)災(zāi)害的有效防治及評(píng)價(jià)決策等方面提供了依據(jù)［1］。

1 基于ArcGIS平臺(tái)的系統(tǒng)框架體系建立

將天山公路多源數(shù)據(jù)，以GeoDatabase數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式融合集成到SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)上，采用ArcEngine和Visual C＃2005集成開(kāi)發(fā)技術(shù)，利用ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，構(gòu)建了一套集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、檢索、圖形編輯、空間模型分析、區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、公路地質(zhì)選線，以及三維可視化分析及成果輸出為一體的“天山公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與決策支持信息系統(tǒng)”［2］。系統(tǒng)的框架體系主要從以下四個(gè)方面分析。

1.1 多源數(shù)據(jù)集成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)集成了以下四類資料：第一類為基礎(chǔ)地理信息，包括水系、行政區(qū)劃、地理標(biāo)注、地形、經(jīng)濟(jì)、人口和降雨、降雪、氣溫等氣象等內(nèi)容；第二類為地學(xué)信息，包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、斷層、地質(zhì)災(zāi)害等方面的數(shù)據(jù)要素；第三類為遙感影像數(shù)據(jù)，包括天山公路（獨(dú)庫(kù)段）ETM影像數(shù)據(jù)；第四類數(shù)據(jù)主要為經(jīng)過(guò)對(duì)基礎(chǔ)信息處理而得的其它數(shù)據(jù)，如數(shù)字高程模型（DEM）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）等。

1.2 區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與公路地質(zhì)選線分析

在GIS支持下的區(qū)域，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析的目的主要是得到穩(wěn)定性等級(jí)，并以專題圖的形式直觀顯示。其參與評(píng)價(jià)的理論依據(jù)是工程地質(zhì)類比法，該方法根據(jù)現(xiàn)有與災(zāi)害空間分布相關(guān)的地形變量，來(lái)預(yù)測(cè)未知災(zāi)害的空間分布［3］。系統(tǒng)利用ArcGIS數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，結(jié)合信息量法模型，得到地質(zhì)穩(wěn)定性專題圖，為公路選線提供決策依據(jù)。運(yùn)用GIS進(jìn)行公路沿線區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析，將每個(gè)影響地質(zhì)穩(wěn)定性的因子作為一個(gè)矢量圖層來(lái)考慮，通過(guò)疊加和相關(guān)數(shù)學(xué)模型，從已知穩(wěn)定性的地質(zhì)圖元推出其它未知地質(zhì)圖元的穩(wěn)定性。

公路地質(zhì)選線的研究依據(jù)是成本疊加法：將影響公路選線設(shè)計(jì)的因素統(tǒng)一量綱柵格化后按權(quán)重疊加，得到多個(gè)單因素指標(biāo)綜合影響的成本柵格數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上人工輸入公路起點(diǎn)，得到每個(gè)柵格到起點(diǎn)的最少累加成本和路線方向。最后輸入終點(diǎn)即可得到經(jīng)過(guò)成本最低的柵格像元生成的最優(yōu)路徑。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)測(cè)及防治決策

將GIS強(qiáng)大的空間分析功能與多種數(shù)學(xué)模型相結(jié)合。在進(jìn)行地質(zhì)區(qū)域危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分析時(shí)，采用了信息量法、模糊綜合評(píng)判、多元回歸法；在進(jìn)行單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害分析評(píng)價(jià)中，采用了Q系統(tǒng)分級(jí)、RMR系統(tǒng)分級(jí)、TSMR系統(tǒng)分級(jí)、十五因子法等，這些分析預(yù)測(cè)方法都是基于ArcEngine平臺(tái)上通過(guò)二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的［4］。同時(shí)，在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析預(yù)測(cè)計(jì)算的過(guò)程中，緊密結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害防治決策工程，將各種適合于天山公路的防治決策措施集成到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.4 三維可視化分析

結(jié)合ArcGIS Engine提供的三維可視化開(kāi)發(fā)模塊，根據(jù)ArcEngine提供的頂層SceneViewer－Control數(shù)據(jù)接口，來(lái)進(jìn)行三維圖形可視化顯示及對(duì)鼠標(biāo)操作響應(yīng)等功能［5］。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成按GIS統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)模型，將不同細(xì)節(jié)層次的多種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化組織管理，并建立GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)包括地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)（DEM）、影像數(shù)據(jù)和多媒體屬性數(shù)據(jù)（如圖像、視頻和音頻）。根據(jù)天山公路沿線所涉及到的場(chǎng)景大小、復(fù)雜程度、目的要求選擇所需的數(shù)據(jù)類型，劃分合理的細(xì)節(jié)層次，來(lái)實(shí)現(xiàn)天山公路地區(qū)三維可視化功能，同時(shí)還提供了空間信息查詢和地形剖面圖分析功能［6］（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。

2 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 區(qū)域穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

根據(jù)天山公路沿線地質(zhì)災(zāi)害類型、分布特征，以及定量計(jì)算結(jié)果，在定性分析基礎(chǔ)上，可將天山公路沿線分為十個(gè)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)段，具體如下：

（1）Ⅰ區(qū)（K552＋000～K627＋000）：本區(qū)地貌上屬于構(gòu)造剝蝕中山地貌，線路于K583＋600翻越一個(gè)小達(dá)坂后逐漸進(jìn)入奎屯河流域，沿奎屯河谷蜿蜒前行。巖體主要以石炭系的凝灰?guī)r為主，局部有砂巖、砂巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖、輝綠巖、蛇紋巖出露，第四系覆蓋層以洪積物為主。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，僅在K601＋140～K603＋140段集中出現(xiàn)了一處崩塌、一處小型滑坡和四處小型泥石流，給本段公路帶來(lái)一定影響。本區(qū)屬危險(xiǎn)性小區(qū)。

（2）Ⅱ區(qū)（K627＋000～K662＋540）：本區(qū)地貌上屬于構(gòu)造剝蝕高山地貌，線路沿奎屯河逆流而上直到哈希勒根達(dá)坂，河谷兩岸山體陡峻，高差很大。該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，凍融作用十分強(qiáng)烈，巖體破碎，植被很不發(fā)育。哈希勒根達(dá)坂附近常年積雪，春夏季積雪融水成為奎屯河主要補(bǔ)給水源，達(dá)坂北坡可清晰看到古冰川及古泥石流的活動(dòng)痕跡。巖體類型主要以石炭系的玄武巖、板巖、花崗巖、石英閃長(zhǎng)巖為主，第四系覆蓋物以沖洪積、崩積物為主，局部夾有少量坡積物。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，各種災(zāi)害頻繁發(fā)生，共發(fā)育有八處較大規(guī)模的崩塌，十二處大規(guī)模影響公路運(yùn)營(yíng)的泥石流，危巖體、潛在不穩(wěn)定斜坡數(shù)量較多，為危險(xiǎn)性大區(qū)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系圖Fig.1 The frame of system structure

（3）Ⅲ區(qū)（K662＋540～K692＋000）：本區(qū)屬于高山、山間平原地貌，其中K662＋540～K683＋000屬高山地貌，K683＋000～K692＋000屬山間平原地貌。線路向南翻過(guò)哈希勒根達(dá)坂，沿山坡輾轉(zhuǎn)而下，進(jìn)入喬爾瑪草原。達(dá)坂南坡氣候相對(duì)北坡明顯好轉(zhuǎn)，降雨充沛，植被較發(fā)育，部分地帶十分發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)完整性較好，災(zāi)害數(shù)量種類顯著降低。喬爾瑪草原為古沖積平原，地勢(shì)開(kāi)闊、平坦，基本無(wú)不良地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)內(nèi)巖體類型主要是石炭系花崗巖，土體類型為冰磧物（主要位于山坡上）及沖積物（主要位于沖積平原）。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，為危險(xiǎn)性小區(qū)。

（4）Ⅳ區(qū)（K692＋000～K714＋000）：本區(qū)為山間河谷地貌，線路沿阿拉斯坦河右岸前進(jìn)。區(qū)內(nèi)雨量充沛，植被發(fā)育，但地層巖性及巖體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，巖性變化頻繁，主要有安山巖、砂巖、花崗巖、千枚巖等，土體類型主要有冰磧、沖洪積物。區(qū)內(nèi)潛在不穩(wěn)定斜坡較多，K702＋000處曾發(fā)生山體滑坡，所引發(fā)特殊泥石流（巖崩碎屑流）堵塞河道形成堰塞湖，且此處還有大型崩塌產(chǎn)生阻斷交通。所以本區(qū)工程地質(zhì)條件一般，為危險(xiǎn)性中等區(qū)。

（5）Ⅴ區(qū)（K714＋000～K759＋000）：本區(qū)屬高山地貌，公路在山坡上盤行并翻越玉希莫勒蓋達(dá)坂。區(qū)內(nèi)海拔較高，凍融作用較嚴(yán)重，老隧道由于未做好防水處理，被冰封后無(wú)法通行。山坡上植被較發(fā)育，但巖體較為破碎，K745＋360處可見(jiàn)到一條較大規(guī)模的斷層。巖體主要以安山巖、安山玢巖、花崗巖為主，局部出露有炭質(zhì)頁(yè)巖，土體類型主要為崩坡積、冰水堆積物。本區(qū)內(nèi)除K727＋500～K748＋000條件較好外，其余路段工程地質(zhì)條件一般，局部地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，K715＋380～K715＋490發(fā)育有一處小型泥石流，K755＋000～K759＋000發(fā)育有一處在活動(dòng)期的滑坡，對(duì)公路造成較大影響，為危險(xiǎn)性中等區(qū)。

（6）Ⅵ區(qū)（K759＋000～K784＋000）：本區(qū)屬山間河谷地貌，線路沿克科薩依河展布。區(qū)內(nèi)氣候條件較好，植被發(fā)育，巖體相對(duì)較完整，局部因切坡形成高陡邊坡及小型崩塌對(duì)線路有一定影響。主要出露有石炭系的玄武巖、安山巖、砂巖，土體類型主要為第四系的坡積，沖積物。區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，為危險(xiǎn)性小區(qū)。

（7）Ⅶ區(qū)（K784＋000～K807＋000）：本區(qū)屬中山區(qū)，線路沿山坡盤行，翻越拉爾敦達(dá)坂。區(qū)內(nèi)氣候條件好，植被發(fā)育，山勢(shì)較平緩，基本無(wú)高陡邊坡，局部的小型垮塌對(duì)公路影響較小，于K794＋900處可見(jiàn)到一條斷層。巖土體類型主要為凝灰?guī)r、花崗巖及第四系坡積物，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，為危險(xiǎn)性小區(qū)。

（8）Ⅷ區(qū)（K807＋000～K906＋000）：本區(qū)屬山間平原地貌，線路在巴音布魯克大草原上展布。區(qū)內(nèi)主要為冰水堆積物及沖積物，地勢(shì)平坦，開(kāi)闊，氣候條件較好，植被發(fā)育，基本無(wú)不良地質(zhì)災(zāi)害，為危險(xiǎn)性小區(qū)。

（9）Ⅸ區(qū)（K906＋000～K990＋520）：本區(qū)屬高山及高山河谷地貌，其中K933＋200～K946＋000屬于高山區(qū)，其余均屬高山河谷區(qū)。線路由巴音布魯克大草原進(jìn)入巴音郭愣河流域，在K911＋850處轉(zhuǎn)入呼屯郭愣河流域，沿河谷前行翻越鐵力買提達(dá)坂后順山坡而下，進(jìn)入卡爾腦河流域。區(qū)內(nèi)海拔較高，凍融作用強(qiáng)烈，巖體破碎，尤以K924＋600處大塌方阻斷交通后基本無(wú)任何養(yǎng)護(hù)，造成公路破壞嚴(yán)重，崩塌、泥石流頻繁發(fā)生。大塌方處危巖體十分發(fā)育，隨時(shí)有下落的可能；鐵力買提達(dá)坂南部線路水毀十分嚴(yán)重，局部地段路基已被掏空；K937＋106～K942＋300在一側(cè)山坡形成多級(jí)公路，同時(shí)受到崩塌落石的影響；K949＋000～K952＋200連續(xù)爆發(fā)較大規(guī)模泥石流，目前仍頻繁活動(dòng)；K957＋720～K958＋700處古滑坡造成堰塞湖（大龍池、小龍池），洪水期可淹沒(méi)路面。巖體類型主要為千枚巖、板巖、灰?guī)r、花崗巖及少量的砂巖、底礫巖，土體類型主要為坡積、沖洪積物。本區(qū)工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，為危險(xiǎn)性大區(qū)。

（10）Ⅹ區(qū)（K990＋520～K1089＋000）：本區(qū)屬山間河谷，平原（戈壁）地貌，隨著山勢(shì)逐漸變緩，河谷逐漸開(kāi)闊，線路出天山山區(qū)，進(jìn)入南疆平原。區(qū)內(nèi)氣候干燥少雨，蒸發(fā)較強(qiáng)，植被很不發(fā)育，巖體受風(fēng)蝕嚴(yán)重，較為破碎，可見(jiàn)到十分明顯的雅丹地貌。區(qū)內(nèi)的地勢(shì)平坦，起伏較小，原有路況好，局部有小型崩塌及斜坡問(wèn)題，但較易治理；泥石流病害對(duì)公路危害相對(duì)較小。巖土體類型主要為砂巖、礫巖及第四系沖積物，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，為危險(xiǎn)性小區(qū)。

在此基礎(chǔ)上，區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析從定性分析逐步走向定量分析，系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要依托大量的綜合海量數(shù)據(jù)庫(kù)（包括氣象、水文、土壤、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、各種重大災(zāi)害點(diǎn)詳細(xì)信息等），利用ArcEngine針對(duì)于研究區(qū)內(nèi)空間數(shù)據(jù)庫(kù)和柵格數(shù)據(jù)的空間分析功能，并結(jié)合信息量評(píng)價(jià)分析模型，采用 Visual C＃2005和 ArcEngine集成開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析專題圖（見(jiàn)圖2）。

區(qū)域穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)主要過(guò)程包括三個(gè)模塊，它們分別是：

（1）矢量疊加模塊。將所有因素對(duì)應(yīng)的圖層進(jìn)行疊加，疊加生成的矢量圖層將包含評(píng)價(jià)因素圖層的所有字段。

（2）指標(biāo)體系模塊。本模塊是在地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析時(shí)必須進(jìn)行的也是最重要的一個(gè)步驟［7］。具體實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：①新建指標(biāo)體系；②維護(hù)，更新指標(biāo)體系；③對(duì)定性指標(biāo)量化，并和圖層數(shù)據(jù)建立一一映射關(guān)系。

圖2 以信息量法生成的區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析圖Fig.2 The chart of evaluate and analysis in the region stability based on information model

（3）地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模塊。在該模塊中采用信息量法作為分析模型，并編程實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析專題圖。

2.2 公路地質(zhì)選線分析

在區(qū)域穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，我們可以定量地判斷出研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況。在公路選線過(guò)程中，采用的研究思路就是基于該結(jié)論進(jìn)行人機(jī)交互式判讀，從而可以動(dòng)態(tài)地求取該地區(qū)的線路，為高山地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)提取快速的信息解決方案。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要是基于GIS空間分析功能，進(jìn)行多因素、多層次柵格數(shù)據(jù)疊加分析，然后進(jìn)行柵格單元可選性的優(yōu)劣評(píng)判，自動(dòng)連線，最終得到形成線路方案［8］，如圖3所示。

公路地質(zhì)災(zāi)害選線分析主要包括以下三個(gè)過(guò)程，它們分別是：

（1）柵格重分類。在選線分析中，要用到穩(wěn)定性分析柵格數(shù)據(jù)、坡度柵格數(shù)據(jù)和土地利用柵格數(shù)據(jù)等。為了消除量綱影響，使得各類數(shù)據(jù)之間具有量值可比性，在選線分析之前需要將坡度和土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類（因穩(wěn)定性結(jié)果已分為1～4，故不用再分）。分類原則是級(jí)別越高，路線通過(guò)性越低。

（2）柵格權(quán)重疊加。在選線分析中，各個(gè)因子指標(biāo)對(duì)路線走向的貢獻(xiàn)率不同，故按照其重要程度將各個(gè)柵格數(shù)據(jù)附某一權(quán)重?cái)?shù)值。疊加后的結(jié)果就是Σ（權(quán)重×柵格象元值），每個(gè)象元值代表路線經(jīng)過(guò)時(shí)的成本。

（3）最優(yōu)路徑生成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們堅(jiān)持“以人為本”的原則，努力減少用戶操作步驟。因此將距離成本和方向成本的生成在后臺(tái)完成，并且做到了不產(chǎn)生臨時(shí)文件。在該步中，利用上步生成的成本數(shù)據(jù)，輸入公路的起點(diǎn)和終點(diǎn)，即可得到最優(yōu)路徑，即經(jīng)過(guò)成本最低的柵格象元的矢量線數(shù)據(jù)。

由此可見(jiàn)，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，為了更加貼近實(shí)際情況，我們應(yīng)該進(jìn)行更多更好地人機(jī)交互工作，客觀合理地確定出各個(gè)因子指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)多次修改和對(duì)比，必定能設(shè)計(jì)出成本最低且符合實(shí)際需要的路徑。

2.3 路害評(píng)價(jià)及防治決策智能系統(tǒng)的構(gòu)建

路害評(píng)價(jià)在公路病害預(yù)測(cè)及防治等方面都有著非常重要的意義。要求進(jìn)行基于ArcGIS軟件平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)，研制出一套適合于地質(zhì)災(zāi)害（天山公路沿線主要地質(zhì)病害包括邊坡穩(wěn)崩塌、泥石流、水毀災(zāi)害等）的評(píng)價(jià)分析，能在基于常規(guī)巖體力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的敏感性分析，能在對(duì)模型分析研究基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行時(shí)間和空間的延拓，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)測(cè)模型，從而達(dá)到對(duì)典型的重大地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，能為沿線地質(zhì)災(zāi)害的宏觀評(píng)價(jià)與防治決策提供支撐。

圖3 公路地質(zhì)選線優(yōu)化圖Fig.3 The chart of highway geology routing

在本系統(tǒng)中，擬從以下幾方面研究：

（1）路害快速評(píng)價(jià)方法研究。

（2）路害分類指標(biāo)體系的建立。

（3）路害地質(zhì)分類方法研究。

（4）基于防護(hù)設(shè)計(jì)的路害地質(zhì)分類（以GIS基礎(chǔ)信息為平臺(tái)）。

（5）信息化施工接口技術(shù)。

具體來(lái)說(shuō)，路害評(píng)價(jià)子系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法，對(duì)邊坡崩塌、泥石流和水毀進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并且可以通過(guò)此模塊對(duì)現(xiàn)有的邊坡、泥石流、水毀的基礎(chǔ)信息和圖片影像等多媒體信息進(jìn)行查詢、修改、刪除、導(dǎo)出。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3.1 邊坡評(píng)價(jià)

邊坡分析包含一個(gè)窗體HarmAnalysis＿Slope，邏輯表如下頁(yè)表1所示。

邊坡評(píng)價(jià)主要實(shí)現(xiàn)斜坡信息的明細(xì)顯示，并運(yùn)用多種數(shù)學(xué)方法和模型對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。邊坡功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 邊坡評(píng)價(jià)分析子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The system structure of the slope analysis and evaluation

邊坡分析預(yù)測(cè)主要考慮五大影響因素，采用四種分析預(yù)測(cè)方法，如圖6邊坡列表詳細(xì)信息。

2.3.2 泥石流評(píng)價(jià)

泥石流評(píng)價(jià)分析包含一個(gè)窗體HarmAnalysis＿DebrisFlow，具體界面邏輯如下頁(yè)表2所示。

泥石流評(píng)價(jià)主要實(shí)現(xiàn)斜坡信息的明細(xì)顯示，以及運(yùn)用多種數(shù)學(xué)方法和模型對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)如圖7所示（見(jiàn)下頁(yè)）。

用戶可通過(guò)此模塊查詢、修改、刪除、導(dǎo)出以泥石流溝名為索引的泥石流基礎(chǔ)信息和圖片影像等多媒體信息；可以通過(guò)分析計(jì)算泥石流的危險(xiǎn)度、泥石流流速、泥石流流量等相關(guān)數(shù)值。具體見(jiàn)下頁(yè)的圖8、圖9及圖10。

表1 邊坡評(píng)價(jià)界面邏輯表Tab.1 The logical table of the ramp evaluation interface

圖6 斜坡列表信息Fig.6 The information of ramp list

表2 泥石流評(píng)價(jià)界面邏輯表Tab.2 The logical table of the debris flow evaluation interface

圖10 十五因子法Fig.10 The fifteen factor method

2.3.3 水毀評(píng)價(jià)

水毀評(píng)價(jià)分析包含一個(gè)窗體HarmAnalysis＿WaterDestroy，具體界面邏輯如表3所示。

水毀評(píng)價(jià)主要實(shí)現(xiàn)斜坡信息的明細(xì)顯示，以及運(yùn)用多種數(shù)學(xué)方法和模型對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖11所示。

2.3.4 路害防治決策智能系統(tǒng)的構(gòu)建

該模塊要求研制出一套適合于地質(zhì)災(zāi)害（包括邊坡穩(wěn)定性、泥石流、水毀災(zāi)害等）的，基于專家系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害防治決策支持系統(tǒng)，依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的分類體系制定總體防護(hù)方案。在此基礎(chǔ)上，挑選典型路段，提出防護(hù)的具體措施，并對(duì)防護(hù)措施和方案進(jìn)行地質(zhì)～工程優(yōu)化分析。更進(jìn)一步，針對(duì)少數(shù)重大地質(zhì)災(zāi)害，依據(jù)物理模型、數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)果，進(jìn)行防護(hù)措施系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)如圖12所示。

表3 水毀評(píng)價(jià)界面邏輯表Tab.3 The logical table of the water damaged evaluation interface

（1）邊坡防治決策。邊坡決策支持包含一個(gè)窗體DebrisSlope，具體界面邏輯如表4所示。

邊坡防治決策見(jiàn)圖13。具體算法如下：首先將影響因素建庫(kù)并編號(hào)，然后根據(jù)用戶的選擇在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取因素組合，再根據(jù)組合得到水毀防治決策方案。

對(duì)于典型邊坡災(zāi)害地段，得到專家防治方案，同時(shí)為了直觀現(xiàn)實(shí)，將該邊坡的圖片、文字描述一并進(jìn)行顯示。

表4 評(píng)價(jià)界面邏輯表Tab.4 The logical table of the ramp evaluation interface

（2）泥石流防治決策。泥石流決策支持包含一個(gè)窗體DebrisFlow，具體界面邏輯如表5所示。

泥石流防治決策主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用物理模型，數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)果與泥石流堆積物的分布位置，泥石流的發(fā)展階段相結(jié)合，進(jìn)行防護(hù)措施系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出泥石流防治決策方案。

泥石流防治決策算法界面見(jiàn)圖14。

圖13 斜坡防治決策界面Fig.13 The computing interfaces of the ramp decision－making

表5 泥石流評(píng)價(jià)界面邏輯表Tab.5 The logical table of the debris flow evaluation interface

圖14 泥石流防治決策界面Fig.14 The computing interfaces of the debris flow decision－making

（3）水毀防治決策。水毀防護(hù)根據(jù)防護(hù)類型的機(jī)理，可分為直接防護(hù)和間接防護(hù)。

水毀決策支持包含一個(gè)窗體DebrisDestrory，具體界面邏輯如表6所示。

水毀防治決策方法分為以下兩種，分為水毀推理防治決策法和水毀組合防治決策法，見(jiàn)圖15及圖16。

表6 評(píng)價(jià)界面邏輯表Tab.6 The logical table of the water damaged evaluation interface

2.4 其它子系統(tǒng)的構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際需求，綜合決策系統(tǒng)中還構(gòu)建了氣象與水文子系統(tǒng)、景觀美化及生態(tài)保護(hù)子系統(tǒng)等，由于篇幅所限，這里不再一一展開(kāi)論述。

2.5 三維可視化功能的實(shí)現(xiàn)

三維可視化廣泛應(yīng)用于地質(zhì)和地球物理學(xué)的所有領(lǐng)域。三維可視是描繪和理解模型的一種手段，是數(shù)據(jù)體的一種表征形式，并非模擬技術(shù)。它能夠利用大量數(shù)據(jù)，檢查資料的連續(xù)性，辨認(rèn)資料真?zhèn)?，發(fā)現(xiàn)和提出有用異常，為分析、理解及重復(fù)數(shù)據(jù)提供了有用工具，對(duì)多學(xué)科的交流協(xié)作起到了橋梁作用。

GIS三維可視化技術(shù)根據(jù)所建立的場(chǎng)景模型以及場(chǎng)景中各實(shí)體對(duì)象運(yùn)行時(shí)的參數(shù)來(lái)生成實(shí)時(shí)場(chǎng)景，還能將公路地質(zhì)優(yōu)化線路與原有線路在三維空間中進(jìn)行對(duì)比分析，有助于管理決策者對(duì)空間數(shù)據(jù)相互關(guān)系的直觀理解［9］。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要是利用ArcEngine提供的頂層SceneViewer－Control數(shù)據(jù)接口，來(lái)進(jìn)行三維圖形可視化顯示及對(duì)鼠標(biāo)操作響應(yīng)等功能，利用ArcEngine對(duì)象庫(kù)中提供了IMap、IDisplay、IRubberBand和IEnvelope接口，將系統(tǒng)原有的二維視圖中的信息傳遞到三維視圖窗口中。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，axSceneControl控件負(fù)責(zé)傳遞過(guò)來(lái)圖層的三維顯示以及鼠標(biāo)操作分析響應(yīng)功能。具體實(shí)現(xiàn)界面如下頁(yè)圖17所示。

3 結(jié)論

采用ArcEngine強(qiáng)大的組件開(kāi)發(fā)工具，將GIS技術(shù)引入到公路地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)決策支持管理中，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、查詢、分析等功能，還集成了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治專家數(shù)據(jù)庫(kù)，為天山公路預(yù)測(cè)及防治提供了操作分析平臺(tái)。

（1）系統(tǒng)結(jié)合工程地質(zhì)應(yīng)用模型、數(shù)學(xué)公式進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)架，充分體現(xiàn)出“GIS＋專業(yè)”的設(shè)計(jì)思路。

（2）通過(guò)選取指標(biāo)體系和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法模型，對(duì)天山公路沿線進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖，該評(píng)價(jià)圖同時(shí)也是公路地質(zhì)選線因子之一，做到兩者的有機(jī)結(jié)合。

（3）基于柵格的最短路徑算法，實(shí)現(xiàn)公路地質(zhì)選線技術(shù)，對(duì)天山公路地質(zhì)選線起到了輔助決策作用。

系統(tǒng)提供的三維可視化模塊，整合不同類型的數(shù)據(jù)資料和多媒體信息，實(shí)現(xiàn)了基于三維的空間信息查詢和分析功能。相信該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，必能為國(guó)土資源和交通建設(shè)管理部門提供一種可靠的決策管理應(yīng)用平臺(tái)。

圖17 三維可視化分析圖Fig.17 The graphic of 3Dvisualization analysis

［1］ 馮克忠，姜遵鋒，徐楊，等.ArcObjects開(kāi)發(fā)指南（VB篇）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］ 羅斌，越飛.VISUAL C＃2005編程實(shí)例精粹［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［3］ 蔣波濤.組件式GIS開(kāi)發(fā)－－基于Arcobjects和VisualBasic.NET［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.

［4］ 湯國(guó)安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［5］ 向喜瓊，黃潤(rùn)秋，許強(qiáng).地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.地理學(xué)與國(guó)土研究，2002，8（3）：76.

［6］ 王衛(wèi)東，劉武成.基于GIS的公路地質(zhì)災(zāi)害信息管理與決策支持系統(tǒng)［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，34（3）：302.

［7］ 張凱選，武文波，白云峰，等.基于ArcGIS的地質(zhì)三維可視化［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（3）：345.

［8］ 和正民，王建超，范景輝，等.基于ArcGIS的青藏高原生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.國(guó)土資源遙感，2006，68（2）：75.

［9］ 陳鵬，孟令奎，宋楊.復(fù)雜三維空間對(duì)象的模型可視化研究［J］.遙感信息，2007，22（4）：79.

1001—1749（2012）05—0604—10

P 694

A

10.3969／j.issn.1001－1749.2012.05.19

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（200431800003）

2012－05－11 改回日期：2012－06－05

黃勇（1972－），男，上海嘉定人，高級(jí)工程師，博士，專業(yè)為公路巖土工程，研究方向是公路地質(zhì)災(zāi)害防治研究。