GIS在邊坡中的應用現(xiàn)狀及前景

張澤方 錢志寬

摘?要：隨著計算機及數(shù)字信息技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)數(shù)字化的趨勢越來越明顯，學科之間的影響越來越大，這也為解決一些邊坡問題提供了新的研究思路和方法。GIS作為一種將空間數(shù)據(jù)數(shù)字化并分析處理的工具，在解決實際邊坡問題中表現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢。本文首先對GIS作了簡要介紹，闡述了GIS在邊坡中的應用現(xiàn)狀，最后探討了其發(fā)展前景。

關鍵詞：GIS;邊坡;數(shù)字化

在工程建設中，邊坡是一種常見的工程形式，由于受到各種因素的影響，其產生的崩塌、滑坡、坍塌等破壞情況，嚴重影響著人們的生產生活。隨著GIS的發(fā)展，邊坡研究有了新的方法。

1 GIS技術

GIS即Geographic Information System，是地理信息系統(tǒng)的英文簡稱，它是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地球信息的計算機系統(tǒng)，是分析和處理海量空間數(shù)據(jù)的通用技術[1]。將GIS應用到邊坡問題中，可以充分發(fā)揮其空間數(shù)據(jù)管理和分析的優(yōu)勢及強大的可視化功能，能夠提升邊坡工程的效率和質量。總體上，GIS主要分為以下幾個功能模塊（見圖1）。

數(shù)據(jù)采集與編輯功能：數(shù)據(jù)是GIS的血液，沒有數(shù)據(jù)的GIS是不可能存在的[2]。良好的數(shù)據(jù)會使分析結果更具真實性和參考性，但是高精度的數(shù)據(jù)不易獲取，如高分辨率的遙感圖像、高精度的地形圖和工程地質中的鉆孔數(shù)據(jù)等，這也體現(xiàn)出GIS對數(shù)據(jù)的依賴性。

空間數(shù)據(jù)庫功能：GIS中配備有空間數(shù)據(jù)庫，可以對海量的空間數(shù)據(jù)進行儲存和管理。工程人員應用空間數(shù)據(jù)庫這一功能時，可以發(fā)揮其在工程地質中的價值，從而提高工程效益[3]。

制圖及可視化功能：傳統(tǒng)制圖工作強度大、周期長，已經(jīng)無法滿足實際工作需要，GIS的數(shù)字化制圖功能提升了制圖質量和效率。通過GIS構建三維立體模型，能夠較為全面、立體地查看地質樣貌，提高數(shù)據(jù)信息的精度，便于后續(xù)工作的開展[4]。

空間分析功能：空間分析是GIS應用的核心，它能夠對空間數(shù)據(jù)進行深度挖掘，將外業(yè)測量的“死”的數(shù)據(jù)變“活”起來，揭示出空間數(shù)據(jù)的內在聯(lián)系。目前，GIS技術的空間分析功能在工程地質中也得到了廣泛的應用，如地質災害評估、礦產資源評價、地質測量等。

二次開發(fā)功能：GIS提供二次開發(fā)平臺，該平臺適用多種編程語言，如C語言、C++、C#、VB、Python等，通過編寫專用的程序，能夠實現(xiàn)相應的功能。

2 GIS在邊坡工程中的應用現(xiàn)狀

2.1 基于GIS的邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性問題是工程建設中經(jīng)常遇到的問題，而邊坡穩(wěn)定性研究是邊坡問題研究的核心問題[5]。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法有工程類比法和邊坡穩(wěn)定性圖解法，此類方法存在一定的局限性，其分析結果誤差較大;定量分析方法中包括有限元法等數(shù)值分析方法和極限平衡分析法，這類方法較前者精確。在上述定量分析方法中再結合GIS技術進行邊坡穩(wěn)定性分析，這種新方法在邊坡穩(wěn)定性研究中表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性。

一般傳統(tǒng)的有限元方法在前期因處理大量數(shù)據(jù)而占用很長時間，工作效率低下，而基于GIS的邊坡有限元分析前處理使工作效率大大提高。劉慶元等利用GIS技術[6]，實現(xiàn)了從確定滑坡范圍到自動生成有限元網(wǎng)格的全部過程，從而提高了邊坡三維有限元計算的前處理工作效率。在有限元前處理中，難點在于計算剖面線和生成剖面圖，王寶軍等利用GIS的空間分析技術和可視化顯示功能有效解決了上述技術難點[7]，不但提高了工作效率，而且保證了有關計算的準確性。

另外，GIS技術在其他方法中也有應用，余國等結合GIS和滑面正應力分布假定模型[8]，推導出應用于GIS中的三維極限平衡方程及各參數(shù)，開發(fā)出基于GIS的三維邊坡穩(wěn)定性分析擴展模塊，從而完成了邊坡的穩(wěn)定性計算，并通過算例驗證了該方法的正確性與便利性。王超對收集的資料通過整理和分析[9]，選取10個重要的影響邊坡穩(wěn)定性的指標，采用改進的層次分析法確定了各指標的權重，在GIS中加權疊加并生成了危險區(qū)劃圖，以可視化的形式展示出來，又結合Python技術分別求出了二、三維邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了新的方案。

2.2 基于GIS的邊坡可視化

傳統(tǒng)情況下，對地質信息的表達一般采用的是平面圖或者是剖面圖，也就是說將三維地質信息投影到平面上來研究，這種方法會造成一定程度的誤差。另外，隨著可視化技術的發(fā)展，對地質災害的預防也越來越有幫助。因此，對邊坡進行三維建模，可以更為精確地表達邊坡的信息，在邊坡三維建模基礎上的研究也更加符合真實情況。

三維建模的基礎和核心是對地質表面的構造、擬合[10]。劉紅楓通過MATLAB軟件開發(fā)出滑坡穩(wěn)定性分析及可視化擴展模塊[11]，得到研究區(qū)滑坡的最危險破壞面的坐標數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后再通過GIS技術生成滑坡面，并將其與研究區(qū)的高精度DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)進行疊加、剪切等操作，建立滑坡及滑體的三維模型，從而實現(xiàn)了滑坡的三維可視化，為后續(xù)的研究奠定了基礎。宋維琦通過無人機航空攝影得到研究區(qū)的航測相片[12]，將航測相片進行處理并生成三維地表模型，然后根據(jù)收集的其他數(shù)據(jù)資料在GIS中構建三維地層模型和三維礦體模型，基于GIS技術將三個模型疊加，生成三維邊坡模型（見圖2），最終建立了研究區(qū)的三維可視化體系。

2.3 基于GIS的邊坡監(jiān)測

邊坡監(jiān)測指的是通過一定的儀器設備對邊坡的變形情況（如變形位移、變形方向等）進行監(jiān)測，目的是預防邊坡失穩(wěn)造成的危險，保證施工前后的安全，防患于未然。朱鵬普根據(jù)測量收集的邊坡數(shù)據(jù)在GIS中建立三維邊坡模型[13]，并在實際邊坡各個監(jiān)測點布置信號傳感器，將監(jiān)測點的位置在三維模型中一一精確對應，從而在GIS中以可視化的形式時時監(jiān)測邊坡的變化，對邊坡的穩(wěn)定性進行快速和全面的分析，以便進行相關的預防和治理，該方法具有省時、省力且高效等優(yōu)點。黃世秀從地質學角度考慮了盡可能多的影響指標[14]，將層次分析法與GIS空間分析結合，對邊坡的穩(wěn)定性進行分析，另外采用先進的儀器設備使監(jiān)測的數(shù)據(jù)更為精確，總體上實現(xiàn)了對邊坡變形監(jiān)測方案的優(yōu)化。

2.4 基于GIS的滑坡預警

滑坡預警是邊坡監(jiān)測的一個延伸，即在監(jiān)測的基礎上加上預警體系，將GIS應用到滑坡預警中，可以提高預警的精度和效率。談小龍從兩方面考慮，一是提高極限平衡法模型的精確性，二是基于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)及時分析、處理，并將這兩方面結合，通過GIS的支持，形成了一個具有安全監(jiān)測模塊、計算模塊和評價模塊的綜合預警模型[15]，更好更全面地解釋了邊坡的失穩(wěn)特點，能達到預警的目的，在工程應用中具有積極的參考價值。

2.5 基于GIS的邊坡植被防護

在邊坡的治理中，通常會種植一些植被進行綠化，由于邊坡所具有的特殊地質條件，這就會使邊坡植被的生長受到不良的影響，因此怎樣對邊坡上的植被進行防護管理成為了亟待解決的問題。周愛芳以孝襄高速公路植被生態(tài)防護工程為例[16]，基于GIS技術將所有與此公路邊坡植被防護的信息以地圖形式展現(xiàn)出來，有利于技術和管理人員從全局了解邊坡植被恢復的情況，從而方便了后續(xù)的統(tǒng)籌規(guī)劃工作。

2.6 基于GIS的邊坡支護方案優(yōu)化

GIS技術還可以應用到邊坡支護系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化中，可以使整個系統(tǒng)更加豐富，更能反映實際情況。陶麗娜等以普遍極限平衡法（GLE）為理論基礎[17]，在組件式GIS技術上進行了邊坡支護方案優(yōu)化設計系統(tǒng)（SSODS）的設計與開發(fā)，將地理信息、工程技術等有機地融為一體，并在實際工程中得到了很好的應用。

3 發(fā)展趨勢

3.1 四維GIS

常規(guī)的二、三維GIS不能滿足未來的地質工作所需，將三維模型與時間數(shù)據(jù)結合，在三維的基礎上增加了時間維形成四維GIS，可以用于評價研究區(qū)某時刻的所有地質條件或某段時間內的平均地質條件[18]。

3.2 “4S”集成系統(tǒng)

“4S”指GIS（地理信息系統(tǒng)）、RS（遙感）、GPS（全球定位系統(tǒng)）和ES（專家系統(tǒng)）。GPS為GIS提供實時的定位數(shù)據(jù)，RS為GIS提供最新的數(shù)據(jù)源，然后用ES進行評估，四者形成優(yōu)勢互補。這樣就能更加科學可靠地分析工程地質問題，從而找到解決工程地質問題的好方法。

3.3 推演GIS

傳統(tǒng)情況下，為了應對工程事故等突發(fā)事件的發(fā)生，有關部門制定了一些專項應急預案，但由于組織難度大、經(jīng)費需求高，應急效果并不顯著。近年來，隨著信息技術的進步，基于GIS的推演系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。該系統(tǒng)可以將突發(fā)事故點的地形、地貌、重點設施等空間信息顯示出來，并對救援過程進行模擬演練，以便采取最優(yōu)應對措施，最大程度上降低損失。

3.4 虛擬GIS

在GIS技術中應用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術即為虛擬GIS。將虛擬環(huán)境融入GIS中，用戶可以在虛擬環(huán)境中方便快捷地處理分析空間實體數(shù)據(jù)，如在邊坡研究中，使用虛擬GIS重現(xiàn)邊坡的歷史性狀，模擬邊坡變形失穩(wěn)的過程，展示其未來的變化狀態(tài)，從而更加科學地進行邊坡變形預測。

4 結語

（1）本文對GIS技術作了簡要介紹，討論了GIS技術在邊坡中的應用現(xiàn)狀，GIS憑借其空間數(shù)據(jù)管理和分析的優(yōu)勢及強大的可視化功能為治理邊坡問題提供了良好的技術手段。

（2）目前GIS在工程地質中的應用存在不足，如三維GIS在技術上還有很多問題未解決，沒有統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)結構模型，無法完全準確地模擬現(xiàn)實世界地理實體;另外，一些專業(yè)模型與GIS的兼容性差，以及高精度數(shù)據(jù)不易獲取，對分析結果造成直接影響，這些都使得GIS在工程地質中的應用面臨著挑戰(zhàn)。

（3）GIS作為一種可以將地質信息進行有效管理、分析并進行輔助決策的便利工具，隨著計算機技術、信息技術和網(wǎng)絡技術等高新技術的快速發(fā)展，其將越來越廣泛地應用于更多工程地質問題中。

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基金項目：貴州省自然科學基金項目（黔科合LH字[2014]7387號）

作者簡介：張澤方（1997—?），男，漢族，河南駐馬店人，碩士，研究方向：地質災害防治。