基于MapGIS組件式開發的河南省滑坡監測預警系統設計與實現

廖 婧，潘以恒，吳麗清，張 偉

(1．中國地質大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074;2．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;3．河南省地質環境監測院，河南鄭州450016)

基于MapGIS組件式開發的河南省滑坡監測預警系統設計與實現

廖 婧1，潘以恒2，吳麗清2，張 偉3

(1．中國地質大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074;2．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;3．河南省地質環境監測院，河南鄭州450016)

以河南省幾處滑坡隱患點為研究對象，根據工程地質勘查與現場監測資料，基于MapGIS組件式開發技術和ZedGraph繪圖技術設計開發了河南省滑坡監測預警系統。該系統使用MapGIS提供的控件和組件搭建了一個簡易的、可交互的GIS平臺，并在建立災害監測點動態監測數據查詢功能的基礎上，通過9種常用的滑坡災害預報模型，實現了不同滑動階段下滑坡的預測預報，從而從時空上實現了對滑坡災害的全面監測預警，同時通過SQL Server數據和MapGIS數據的結合以及MapGIS COM組件的應用，實現了從監測數據采集、計算分析到預警發布流程的自動化，為河南省滑坡災害的防災減災工作提供了決策依據。

滑坡;監測;預警系統;MapGIS

河南省橫跨我國南北地質地理分界線和氣候過渡帶，地形地貌類型多樣，地質環境條件復雜，是我國中部地區地質災害多發省份之一。據不完全統計，2001—2010年河南省共發生突發性地質災害1 202起，其中滑坡753起［1］。

隨著計算機的普及，地理信息系統的引入，滑坡預測預報研究逐漸分為理論模型的研究和應用系統的構建兩類，并且越來越多的學者開始設計和開發滑坡預報預警系統。如李東山等［2］基于GIS平臺開發了擁有20多種滑坡預報模型，同時能修正完善預報參數和預報結果的滑坡預報系統;李邵軍等［3］將滑坡監測、三維可視化和GIS三者結合，建立了三維滑坡監測信息系統，實現了滑坡監測信息與監測場址三維地理信息的綜合表達，為滑坡監測和監測成果分析提供了一個可視化的信息平臺;張桂榮等［4］根據浙江省淳安等4個縣的歷史滑坡資料，建立了滑坡時空分布與降雨過程的統計關系，并在確定區域性滑坡的臨界降雨量和降雨強度閥值的基礎上，開發了降雨型滑坡預報預警系統;張像源等［5］以河北省太行山地區為研究區，利用層次分析法和專家評分模型建立了滑坡預警評價指標體系，并在GIS技術的支持下，開發了滑坡預警分析系統;李長江等［6］根據浙江省1 257個雨量觀測站的十年日降雨量數據和同期1 000處滑坡(泥石流)的災害數據，通過對地質構造、地層巖性、地形、地貌、已知滑坡災害點分布等資料的綜合分析，研制了集GIS與SVPANN于一體的區域群發性滑坡災害概率預報系統(LAPS);朱龍彪等［7］結合地面中尺度自動觀測系統的雨量實況與高精度的WRF數值預報雨量格點產品，在人工神經網絡系統和GIS的支持下，實現了預報員快速主觀訂正的寧波市突發性地質災害預報預警系統;董元等［8］設計了三峽庫區地質災害監測預警信息管理系統，該系統可對各類地質災害監測預警信息進行數據采集管理、分析評價和信息發布;王威等［9］在研究利用TIN方法建立地質體模型的基礎上，結合監測數據和三維地質體模型，利用基于時間序列的方法對監測數據進行預測分析，形成了一套完整的三維滑坡災害預警系統;郭承燕等［10］運用數據庫、ArcGIS Server、AJAX遠程調用、網頁局部刷新和地圖緩存等技術，融合GIS功能與滑坡預測預報業務功能，開發了南京市滑坡災害預測預報信息共享平臺，該平臺可以動態、科學地管理滑坡基礎數據和實時氣象數據，并可結合南京市實時降雨數據對滑坡進行預測預報，實時在線發布預報結果。

上述這些滑坡預測預報系統有的是基于Arc-GIS開發，有的是基于MapGIS開發;有的著重于預報模型的創新性和準確性，有的著重于系統功能的完整性和先進性;有的引入三維技術，在可視化方面下功夫，有的引入WEB技術，加強系統的共享性。

綜上所述，國內對基于GIS二次開發的滑坡預測預報系統已開展了較多的研究，但目前多數滑坡預測系統的預報模型較為單一，無法對處于不同滑動階段下的滑坡進行準確預報，同時在對實時監測數據的及時反饋以及預警發布的時效性上也存在一定不足。為此，本文結合MapGIS K9引入的空間數據庫概念，采用當前最先進的空間數據管理技術，運用MapGIS K9 SP3的COM組件構建了河南省滑坡監測預警系統。該系統以滑坡災害監測點的實時監測數據查詢功能為基礎，通過9種常用的滑坡災害預報模型實現了滑坡臨滑預報、短臨預報和中長期預報，相較于以前的滑坡預警系統，在適用性、時效性上均有一定的提升。

1 系統設計

河南省滑坡監測預警系統是以動態監測數據為基礎，以滑坡預報模型為核心，以GIS技術為支撐，實現滑坡預報預警的軟件系統。該系統采用C#面向對象語言，利用數據庫、MapGIS二次開發和ZedGraph繪圖等技術方法，完成如下目標:①實現監測點信息瀏覽，包括滑坡監測點的基本信息和監測數據;②在動態監測數據的基礎上，采用9種常用的滑坡災害預報模型實現滑坡預報;③在動態監測數據的基礎上，采用3種判據和綜合判據分析實現滑坡預警。

1．1 系統架構

河南省滑坡監測預警系統由下至上分為數據層、邏輯層和表示層，如圖1所示。

該系統通過ODBC組件訪問SQL Server數據庫，以獲取滑坡監測點的動態監測數據;通過Map-GIS二次開發組件訪問MapGIS數據庫，以獲取滑坡監測點的基本信息。動態監測數據在邏輯層中進行數據預處理、預報模型計算和預警判據評判;數據計算完畢，通過對話框以文字、折線圖和列表的形式向用戶展示。

系統主界面以表示GIS數據的MapGIS控件為主，交互對話框用于用戶設置參數、選擇監測時間等。

1．2 系統數據信息

河南省滑坡監測預警系統有兩類數據，分別是SQL Server數據庫的監測數據和MapGIS數據庫的滑坡數據，詳見表1。

圖1 河南省滑坡監測預警系統結構圖Fig．1 System structure diagram of the landslide monitoring and early warning system in Henan Province

表1 河南省滑坡監測預警系統數據信息Table 1 Data information of the landslide monitoring and early warning system in Henan Province

系統數據之間的邏輯關系如下:

(1)根據“滑坡點”的屬性“滑坡名”加載對應的MapGIS數據集。

(2)根據“監測設施．WT”的屬性“站點編號”查詢SQL Server數據表——設施類型為“GPS監測點”的查詢“GPS監測數據”，設施類型為“降雨量監測點”的查詢“降雨量監測數據”。

1．3 系統功能模塊

河南省滑坡監測預警系統具體劃分為4個功能模塊，分別是監測點、預處理、滑坡預報和滑坡預警，如圖2所示。

圖2 河南省滑坡監測預警功能模塊圖Fig．2 Function module diagram of the landslide monitoring and early warning system in Henan Province

1．3．1 監測點模塊

監測點模塊包含屬性瀏覽、位移時序圖、高程時序圖和移動軌跡圖4個功能。其中，屬性瀏覽功能向用戶展示監測點信息并羅列其在某段時間內的監測數據;位移時序圖功能向用戶展示監測點在某段時間內的位移曲線;高程時序圖功能向用戶展示監測點在某段時間內的高程曲線;移動軌跡圖功能在地圖上繪制監測點在某段時間內的移動軌跡。

1．3．2 預處理模塊

監測數據在監測過程中易受到外界隨機因素的影響，位移數據可能出現較大波動，進而導致滑坡預報失敗。為了排除隨機因素的干擾，需對位移數據進行預處理，常用的數據預處理方法有等間距法、歸一化法、非負累加法和階躍函數法。如果監測數據的時間間隔不相等，需要對其進行等間隔化處理［11］;如果監測數據處于不同量綱，需要對其進行歸一化處理，以消除數據間的量綱影響;如果監測數據波動較大，需要對其進行非負累加處理，使得數據非負且具有指數形態［12］;如果監測數據產生階梯狀突躍，需要對其利用非均勻濾波方法進行處理，并通過階躍函數剔除外營力引起的暫時性位移變化［13］。

預處理模塊包括等間距法、歸一化法、非負累加法和階躍函數法4個功能，每個功能代表一個預處理方法。數據處理完畢后以折線圖的形式向用戶展示處理后的位移曲線。

1．3．3 滑坡預報模塊

根據滑坡破壞時間，滑坡預報可分為長期預報、中期預報、短期預報和臨滑預報4個階段，對應的預報單位分別為年、月、天和小時［14］。

常用的預報模型有齋藤迪孝模型［15］、協同預報模型［16］、Verhulst模型［15-17］、Verhulst反函數模型［15，17］、龔帕茲曲線模型［17］、尖點突變模型［18-19］、非線性回歸分析模型［12，20］、灰色 GM(1，1)模型［12，15，17］、指數平滑模型［12，15-16］等。

滑坡預報模塊按照預報模型的適用性將滑坡預報分為臨滑預報、短臨預報和中長期預報3個子模塊。其中，臨滑預報有齋藤迪孝模型和協同預報模型;短臨預報有Verhulst模型、Verhulst反函數模型和龔帕茲曲線模型;中長期預報有尖點突變模型、非線性回歸分析模型、灰色GM(1，1)模型和指數平滑模型。每個功能代表一個預報模型，模型計算完畢后以折線圖或文字的形式向用戶展示預報結果。

1．3．4 滑坡預警模塊

滑坡預警判據大致分為三大類，分別是安全系數和可靠概率判據、變形速率判據、綜合信息預報判據［18］。本文依據河南省的實際情況，采用變形速率、位移加速度和臨界降雨強度(日降雨強度)為滑坡預警判據。滑坡預警等級分為三級，由危險至安全分別為紅色預警、橙色預警和綠色安全，滑坡預警等級的缺省取值見表2。

表2 滑坡預警等級的缺省值Table 2 Default values of the landslide early warning levels

滑坡預報模塊僅包含判據評判功能，根據用戶所選判據進行評判后向用戶展示預警結果。用戶可采取系統的缺省預警等級，也可根據實際情況自行設置。

2 系統實現

2．1 系統實現的關鍵技術

2．1．1 MapGIS二次開發技術

MapGIS K9是新一代面向網絡的超大型分布式地理信息系統基礎軟件開發平臺，它提供了一套完整且功能齊全的組件和控件，便于開發人員進行GIS應用開發。

開發人員使用下述控件，可以簡單地實現GIS的可視化和數據管理功能。

(1)MxWorkSpace為工作空間控件，主要用于對數據以及資源進行管理，通過該控件可對地圖文檔進行操作，包括新建、打開、關閉、保存等。

(2)MapXView為地圖可視化控件，主要用于地圖的顯示，該控件是MapGIS的地圖顯示視圖，可顯示用戶添加的地圖數據。

(3)MxDocTreeView為文檔樹控件，該控件把地圖以樹形結構顯示出來，并且控件封裝了對地圖的常規操作，如添加、刪除地圖，添加、刪除圖層等。

(4)MxEditControl為編輯適配器控件，通過該控件可以把一些通用編輯功能加載到應用系統中。

開發人員靈活使用下述組件，可以簡單地實現MapGIS的矢量數據管理功能。

(1)mapXBase為地圖管理及可視化組件，主要提供了地圖和圖層相關的操作，以及坐標轉換和自定義繪圖方面的功能。

(2)mc_basObj7Lib為基本對象定義及管理組件，提供了如要素、屬性結構、屬性等基本對象的定義。

(3)mc_basXcls7Lib為矢量空間數據管理組件，提供了簡單要素類、注記類等基本矢量類和數據集的定義及操作。

2．1．2 ZedGraph繪圖技術

ZedGraph是一個創建任意數據圖表的類庫，并對開發人員提供了用戶控件。一般使用ZedGraph的繪圖過程如下:

(1)將ZedGraphControl控件拖拽至窗體中，通過控件對象ZedGraphControl對其進行操作。

(2)通過ZedGraphControl．GraphPane獲取折線圖的圖像面板，并設置圖像標題、坐標軸標題等信息。

(3)將繪圖數據以坐標點的形式添加到點隊列PointPairList類的對象中，再將其添加到圖像面板上。

(4)通過ZedGraphControl更新圖像的坐標軸。

ZedGraph類庫可以繪制折線圖、柱狀圖、餅狀圖等，具有高靈活性。開發人員可以修改圖表的每個層面，還可以選擇適當的比例范圍、步長和尺寸等。

2．2 系統的代碼結構

根據面向對象語言的基本特征和軟件工程思想，本文開發了代碼結構如圖3所示的軟件系統。

2．2．1 靜態類

靜態類因其不能實例化，一般作為不需要任何實例的工具類。在靜態類外部通過“類名．函數名(參數列表)”的形式調用靜態類的成員函數。

圖3 系統的代碼結構Fig．3 Code structure of the system

系統有DataBase和Compute兩個靜態類，分別定義在 DataBase．cs和 Compute．cs兩個文件中。DataBase類負責與SQL Server數據庫交互，其成員函數包括連接數據庫、斷開數據庫、根據關鍵字查詢數據庫等。Compute類用于數學模型計算，其成員函數包括4個預處理方法、9種滑坡預報模型和計算這些模型方法時的矩陣運算等。

2．2．2 對話框

系統有兩類對話框，一類是根據用戶需求自定義的對話框，其本質是窗體;另一類是通過調用Messagebox類的成員函數MessageBox．Show()彈出的對話框。本文在此僅對一類對話框進行討論DrawChartDlg對話框通過switch分支語句調用Compute類的預處理方法和預報模型的函數以計算繪圖數據，再使用ZedGraph類庫繪制折線圖，其效果圖見圖4。

圖4 DrawChartDlg對話框的效果圖Fig．4 Effect diagram of DrawChartDlg

除了DrawChartDlg對話框，系統還有其他自定義對話框，如BrowseAttDlg對話框用于瀏覽監測點信息和指定日期范圍內該監測點的監測數據;Early-WarningDlg對話框用于選擇預警判據和設置判據閾值;SetDateRangeDlg對話框用于設置日期范圍，系統根據用戶選擇的日期范圍從數據庫中讀取對應的監測數據。

2．2．3 窗體

系統啟動后，顯示如圖5所示的LoginForm窗體。當用戶點擊“登錄”按鈕，系統隱藏LoginForm窗體并顯示如圖6所示的MainForm窗體，此時窗體的地圖視圖顯示“底圖”數據集。

圖5 系統登錄窗體Fig．5 Login Form of the system

圖6 滑坡隱患點Fig．6 Potential points of landslide

當用戶拉框選擇一個滑坡隱患點，系統加載并顯示與滑坡名對應的MapGIS數據集(見圖7)，此時窗體顯示隱藏的文檔樹控件，并將菜單欄的所有菜單項變為可用(Enable)。

3 系統應用

圖7 系統主窗體Fig．7 Main Form of the system

河南省滑坡監測預警系統自研發后，已投入到滑坡隱患點預報預警的使用當中。據滑坡監測數據分析報告，目前滑坡幾個隱患點尚未出現明顯的位移增大趨勢，因此系統暫時以中長期預報功能為主。在該系統適宜性和模型精度方面，以每個滑坡的某一監測點為研究對象，對同一個研究對象選擇同一時間段的監測數據，并分別采用非線性回歸分析模型、灰色GM(1，1)模型和指數平滑模型對滑坡進行位移預測。

本文選取滑坡_001的GPS6監測點自2014年4月29日至2014年11月30日的監測數據，采用以上三種預報模型對滑坡進行位移預測，并與實際位移監測數據進行對比，其結果見圖8。

圖8 滑坡_001監測點GPS6的位移預測結果Fig．8 Displacement prediction results of the monitoring point GPS6 for the landslide_001

由圖8可見:對于滑坡_001監測點GPS6，指數平滑模型預測精度最高，滑坡位移預測值與實測值最為接近，最適用于滑坡_001的位移預測;非線性回歸分析模型的預測值偏大，適宜性一般;灰色GM(1，1)模型的滑坡位移預測值比實測值偏大10～11 mm，且在±15 mm范圍內，模型可用但效果不佳。

此外，本文還對其余7個滑坡進行了位移預測與分析，得到如下結論:

(1)非線性回歸模型對滑坡_003和滑坡_007的預測精度最高，適宜性最強，對滑坡_002的預測精度較高，適宜性一般。

(2)灰色GM(1，1)模型對滑坡_004的預測精度最高，適宜性最強。

(3)指數平滑模型對滑坡_002、滑坡_005、滑坡_006和滑坡_008的預測精度最高，適宜性最強。

4 結論與建議

本文根據河南省滑坡災害的特點，設計并開發了河南省滑坡災害監測預警系統，通過該系統實現了河南省滑坡隱患點預報預警功能。該系統具有如下特征:

(1)系統在滑坡隱患點的中長期位移預測預報中具有良好的實用性，每個隱患點都有與之相適宜的預報模型可供使用。

(2)滑坡各個隱患點最適宜的預報模型得到的位移預測值與實測值偏差基本在15%以內，精度可達85%～90%，精度較高。

(3)系統基本滿足滑坡隱患點中長期位移預測的需求，能夠有效地利用隱患點現場采集的監測數據對隱患點進行預報預警，具有一定的實際意義和實用價值。

為了提高河南省滑坡災害預報的精度及預警系統的實用性，建議在以下方面加以改進:

(1)優化現有預報模型，提高模型計算精度。(2)添加新的預報模型，并結合現有的預報模型建立滑坡預報模型庫。

(3)根據滑坡的實際情況，研究每種滑坡預報模型的適宜性，并在系統中提示用戶選擇最優模型。

(4)研究系統人機交互方式，設計更高效、更人性化的交互界面。

［1］河南省地質環境監測院．河南省地質災害及防治研究［M］．鄭州:黃河水利出版社，2013．

［2］李東山，黃潤秋，許強，等．三峽庫區滑坡綜合預報系統的設計與實現［J］．中國地質災害與防治學報，2003，14(2):24-27．

［3］李邵軍，馮夏庭，楊成祥，等．基于三維地理信息的滑坡監測及變形預測智能分析［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(21):3673-3678．

［4］張桂榮，殷坤龍，劉禮領，等．基于WEB的浙江省降雨型滑坡預警預報系統［J］．地球科學:中國地質大學學報，2005，30(2):250-254．

［5］張像源，周萌．基于專家評分模型和GIS的滑坡預警分析開發研究［J］．中國地質災害與防治學報，2006，17(2):107-110．

［6］李長江，麻土華，朱興盛．基于GIS和人工神經網絡的滑坡災害概率預報系統［C］//2006年浙江省地質學會學術交流會．杭州:浙江省地質學會，2006．

［7］朱龍彪，何彩芬，陳有利，等．寧波市突發性地質災害氣象預報預警方法［J］．氣象，2007，33(11):112-117．

［8］董元，張時忠．三峽庫區地質災害監測預警信息管理系統的設計與實現［J］．安全與環境工程，2008，15(3):6-9．

［9］王威，王水林，湯華，等．基于三維GIS的滑坡災害監測預警系統及應用［J］．巖土力學，2009，30(11):3379-3385．

［10］郭承燕，賈建華，馬榮華，等．滑坡災害預測預報信息共享平臺［J］．地球信息科學學報，2012，14(2):199-208．

［11］李彥榮．基于GIS的滑坡預測預報系統開發及應用研究［D］．成都:成都理工大學，2003．

［12］魏小楠．滑坡監測預報方法研究及工程應用［D］．貴陽:貴州大學，2008．

［13］李天斌，陳明東．滑坡預報的幾個基本問題［J］．工程地質學報，1999(3):200-206．

［14］廖小平．滑坡破壞時間預報新理論探討［J］．地質災害與環境保護，1994(3):25-29．

［15］許春青．滑坡預測預報模型比較分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2011．

［16］陸俊．滑坡預報模型及其在工程中的應用研究［D］．合肥:合肥工業大學，2006．

［17］孫懷軍．基于GIS的滑坡預測預報模型庫的開發及應用研究［D］．太原:太原理工大學，2002．

［18］劉兆順，尚金城，王冬艷，等．區域資源環境與社會經濟系統的非連續運動分析——以吉林省為例［J］．生態環境，2007，16 (2):579-583．

［19］戴翔．尖點突變模型與一級相變［J］．新疆教育學院學報，1998 (3):95-97．

［20］魏小楠．曲線回歸分析模型在滑坡預測中的應用［J］．華東公路，2008(3):65-67．

Design and Implementation of Landslide Monitoring and Early Warning System in Henan Province Based on MapGIS Component Development

LIAO Jing1，PAN Yiheng2，WU Liqing2，ZHANG Wei3
(1．School of Information Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 2．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 3．Henan Institute of Geological Environment Monitoring，Zhengzhou450016，China)

For several landslide hazards in Henan Province，this paper designs and develops the landslide monitoring and early warning system based on the technology of MapGIS component development and ZedGraph graphics according to the engineering geological exploration and field monitoring data．The system uses the controls and components provided by MapGIS to build a simple and interactive GIS platform．With the function of querying the dynamic monitoring data of disaster monitoring points，the system applies nine common landslide prediction models which are suitable for different sliding stages of landslides，and implements a comprehensive monitoring and early warning for landslide hazards in both time and space．Through combination of SQL Server data and MapGIS data and application of the COM components in MapGIS，the system realizes the automatic process from monitoring data collection，calculation and analysis to early warning release．The system can provide decision-making basis for disaster prevention and mitigation of landslide disasters in Henan Province．

landslide;monitoring;early warning system;MapGIS

X924;P642．22

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．021

1671-1556(2016)05-0126-07

2016-02-01

2016-03-05

中國地質局地質調查項目(KH146004)

廖 婧(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為GIS技術在地質災害研究中的應用。E-mail:229013811@qq．com