邊坡信息管理及穩定性評價系統的研發

占森方 李元松 陶文華 陳 陣 楊毛毛 姜 珊

（武漢工程大學土木工程與建筑學院）

邊坡失穩問題對人類生命財產造成了重大損失，也對交通、自然環境造成了極大破壞。邊坡信息繁雜，包括影像信息和文本信息，普通的管理手段難以進行統一、有序地管理；邊坡失穩破壞是一個復雜的過程，針對不同的邊坡破壞模式，應采用不同的分析方法來計算其穩定狀態，然而各種評價模型既有定性指標、又有定量參數，同時涉及到大量的理論計算，一般工作人員難以熟練掌握［1］。因此，對邊坡信息進行統一管理，通過科學、簡便的方法，準確、快速地給出邊坡穩定性分析結果，并為不穩定邊坡推薦支擋與防護方案，具有重要的現實意義。

近年來，隨著自動化、信息化的發展，逐步有專家學者對邊坡數據庫管理系統［2］、邊坡穩定性評價系統［3-4］進行研究，但對空間數據庫、空間分析功能研究較少。本研究通過ArcGIS、SQL Server、ArcSDE、Visual Studio等工具，開發邊坡信息管理及穩定性評價系統（Slope Information Management and Stability Evaluation System，SIMSES），實現圖形可視化、空間分析功能，對邊坡空間信息和屬性信息進行統一管理，提供信息儲存、檢索、輸出等功能；集成多種邊坡穩定性評價方法，系統按邊坡類型為用戶推薦評價方法，用戶僅需輸入邊坡參數即可進行穩定性評價，大大降低了邊坡穩定性評價難度，并提高了工作效率，評價完成后即可實時將評價結果儲存進數據庫中。

1 系統需求分析與設計

1.1 功能需求分析

邊坡信息管理及穩定性評價系統的研發是以G0711烏尉高速公路勘察、設計工程為依托，主要服務于從事工程地質勘察的技術與管理人員，進行邊坡信息管理、邊坡穩定性評價，并推薦不穩定邊坡的治理方案，同時也可供內業整理、領導了解工程進展，為領導決策提供依據。

為滿足以上需求，SIMSES需具備系統信息管理功能、工程管理功能、邊坡信息管理功能、邊坡穩定性評價功能、推薦邊坡支擋與防護方案功能、生成報告功能等，系統功能模塊設計如圖1所示。

1.2 系統設計

邊坡信息管理及穩定性評價系統應滿足圖形可視化和空間分析功能，因此SIMSES基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）進行二次開發，GIS是一種特定的空間信息系統，它以數據地圖為基礎，結合空間數據庫，實現對地理信息的輸入、存儲、查詢、分析、管理和顯示，GIS技術將抽象數據和客觀世界緊密地聯系在一起，將圖像和屬性建立關系。

系統開發模式一般采用C/S（Client/Server，客戶機/服務器）架構或B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）架構，C/S架構相對B/S架構來說開發周期短，安全性、交互性、可拓展性更強，處理信息、運行速度更快，因此采用C/S架構開發SIMSES能更好地實現其實用性、可靠性、先進性和可擴充性，并且具有統一的接口標準和信息管理體系。

邊坡信息具有海量的空間數據和屬性數據，SQL Server是關系型數據庫管理系統，具備強大的數據管理能力，ArcSDE是企業級空間數據庫引擎，不僅能創建空間數據庫，并且能連接空間數據與屬性數據，實現雙向查詢，因此，SIMSES采用SQL Server和ArcSDE開發并管理數據庫。Visual Studio C#是一個現代的、通用的、面向對象的編程語言，使用C#語言開發的程序具有更高效率并且可以在多種計算機平臺上編譯，因此SIMSES基于VS.Net平臺使用Visual Studio C#語言進行程序開發。SIMSES整體架構如圖2所示。

2 數據庫設計

2.1 屬性數據庫設計

SIMSES基于G0711烏尉高速公路勘察、設計、施工階段的資料設計屬性數據庫，屬性數據庫主要儲存工程資料、邊坡勘察信息、邊坡穩定性評價信息等，按實體關系模型對數據進行拆分、歸納后儲存在相應的表中，通過對每個表設置主鍵（primarykey）來保證其唯一性，并且基于主鍵生成索引以對數據進行儲存、檢索、修改、更新、刪除等操作。SIMSES實體關系模型如圖3所示。

2.2 空間數據庫設計

邊坡具有海量空間信息，傳統的管理手段繁瑣且低效，難以完整地描述地理實體，因此開發邊坡空間數據庫，管理邊坡空間信息并實現空間數據圖形可視化，便于工程人員直觀地查詢，幫助工程人員判斷、決策，以進行資源調度。ArcSDE空間數據庫引擎可以為數據庫系統定義一個開放的接口，它允許Geodatabase在關系型數據庫中儲存、管理其空間數據［5］。SIMSES通過ArcSDE創建空間數據庫并使其與SQLServer連接，將空間數據與前文提到的屬性數據一同儲存在通過SQL Server所創建的關系型數據庫中，這些數據通過關系型數據庫的外鍵（foreign key）建立參照關系，使用Geodatabase中的關聯類數據結構來實現空間數據與屬性數據之間的關聯關系，地理信息數據管理邏輯如圖4所示。

3 系統功能開發及實現

3.1 邊坡穩定性評價

3.1.1 模塊功能

邊坡穩定性評價功能是SIMSES的核心功能，其主要流程為選擇邊坡→選擇邊坡工程類型→選擇邊坡材料類型→選擇邊坡評價方法。邊坡選擇有直接在底圖中點選邊坡圖層和條件查詢2種方式。針對不同類型的邊坡應使用不同的評價方法，SIMSES采取多種邊坡穩定性評價方法：極限平衡法（直線滑動法、瑞典圓弧滑動法、Bishop法、剩余推力法）［6］、［BQ］巖體質量分級法［7］、模糊綜合評價法［8］和赤平極射投影法［9］。根據邊坡類型，系統自動篩選出適宜的評價方法。邊坡穩定性評價功能結構如圖5所示。

3.1.2 實現技術

（1）點選邊坡要素。通過Point Class類函數實例化一個點，并將該點作為拓撲算子，以此進行要素選擇。

（2）評價方法篩選。對邊坡工程類型、邊坡材料類型進行聯合篩選確定評價方法，篩選出評價方法后由子窗體（選擇邊坡類型子窗體）將篩選數據（string類型）通過數據傳參技術傳至父窗體（系統主界面）并進行實時更新顯示。

（3）評價方法實現技術。以模糊綜合評價法為例，通過SQLSELECT語句從數據庫中查詢待評價邊坡的相關信息并顯示在模糊綜合評價界面中，將模糊綜合評價算法通過C#編程語言寫入程序中評價邊坡穩定性，評價完成后通過SQL INSERT語句將評價信息儲存進數據庫中。

3.2 支擋與防護方案

不穩定邊坡一旦失穩，將對工程建設產生巨大不良影響，甚至造成重大損失，因此需要對不穩定邊坡采取有效的防治措施。SIMSES支擋與防護方案功能模塊可以為不穩定邊坡推薦支擋結構形式、坡面防護方案和排水方案。以支擋結構形式為例，支擋結構形式篩選分為2步：根據邊坡工點的工程地質條件、穩定性評價結果，考慮所在地區、設置位置、物質組成、地基性質、地面坡度、場地環境、安全等級等因素初選多個支擋方案，然后從技術可行性、經濟合理性、環保、安全等角度，采用模糊綜合評價法對初選支擋方案進行優選。

3.3 綜合信息查詢

（1）模塊功能。SIMSES可以對邊坡相關信息進行查詢、修改、新增、刪除等操作，工程人員可以根據工程進度、實際情況實時管理、更新邊坡信息。依據綜合查詢結果，生成簡易報表并輸出打印，可供管理實時了解工程進展，為決策提供依據。

（2）實現技術。通過SQL SELECT語句檢索數據庫實現查詢功能，通過SQL INSERT語句向數據表中插入新的行，實現新增、保存功能，通過SQL DELETE語句刪除數據表中指定的行，實現刪除功能，通過SQL UPDATE語句修改數據表中的數據，實現修改、更新功能。生成報表實現步驟：建立Word書簽模板存放在程序的inDebug目錄下；利用SQL SELECT語句查詢數據庫表中的數據；配置XML書簽文件，將查詢出的數據替換Word模板中的書簽并生成新的Word文檔。

4 工程應用

G0711烏尉高速公路位于烏魯木齊市西南，地勢起伏大，穿越地區地形、地質條件復雜，地處典型“三高”地區。邊坡信息管理及穩定性評價系統直接應用于烏尉公路地質勘查、工程建設階段，沿線共調查了36個邊坡，使用SIMSES管理邊坡勘察信息，評價邊坡穩定性，并為不穩定邊坡推薦支擋與防護方案。

SIMSES以工程項目為單元進行管理，同一工程所有的邊坡勘察、評價資料等，都集中在同一工程文件中。新建一個工程項目，導入研究區柵格圖或矢量圖，使用空間編輯功能在底圖上繪制邊坡圖層，使用邊坡信息管理功能錄入邊坡勘察信息。對邊坡穩定性進行評價，在底圖點選待評價邊坡，系統根據邊坡類型推薦評價方法，從數據庫中檢索邊坡信息，將計算所需參數提取到穩定性評價界面中，用戶輸入定量參數或定性指標，即可評價邊坡穩定性，圖6為使用模糊綜合評價法評價邊坡穩定性的結果。為不穩定邊坡推薦支擋與防護方案，用戶在功能界面選擇影響因素，進行方案初選，完成后在隸屬度表中輸入技術、經濟、環保因素的隸屬度，進行優選，為用戶推薦最佳方案。

對研究區36個邊坡進行穩定性評價，其中2個處于欠穩定狀態，22個處于潛在不穩定狀態，12個處于基本穩定狀態，系統評價結果與工程實際情況高度一致，為潛在不穩定及欠穩定邊坡推薦支擋與防護方案，取得了良好的防治效果。由此可見，該系統能準確地進行邊坡穩定性評價、為不穩定邊坡推薦防治方案，可以作為用戶對邊坡進行信息管理及穩定性評價的平臺。

5 結 語

針對邊坡信息管理與邊坡穩定性評價的問題，對ArcGIS進行二次開發，通過SQL Server數據庫管理系統和ArcSDE空間數據庫引擎開發數據庫，對邊坡空間數據和屬性數據進行統一管理，并將二者關聯，實現圖形可視化和空間分析功能；通過Visual Studio C#編程語言將邊坡穩定性評價方法、支擋與防護方案篩選寫入程序中，實現邊坡穩定性評價、支擋與防護方案推薦的自動化、智能化、快速化，為工程建設中邊坡信息管理、穩定性評價、防護決策等問題提供可靠的技術支持。系統應用于烏尉公路地質勘查、工程建設階段，各功能運行良好，達到用戶需求。