黃 濤

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門集計算機科學(xué)、信息科學(xué)、現(xiàn)代地理學(xué)、遙感測繪學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、管理科學(xué)和現(xiàn)代通訊技術(shù)于一體的新興邊緣學(xué)科,是對各種地理信息及其文字、數(shù)據(jù)、圖表、專題圖等載體進行輸入、儲存、檢索、修改、量測、運算、分析、輸出等的技術(shù)系統(tǒng),其主要功能有采集、存貯、管理、分析、輸出各種數(shù)據(jù)與圖形,進行信息維護的更新,開展空間分析和多因素綜合分析以及動態(tài)預(yù)測等.GIS的技術(shù)基礎(chǔ)包括地圖制圖技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件工程技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)等.

GIS已經(jīng)成為一種成熟的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法,它具有兩個顯著特征:一是它不僅可以像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)那樣管理數(shù)字和文字信息,而且還可以管理空間圖形信息;二是它可以使用各種空間分析的方法,對多種不同的信息進行綜合分析,尋找空間實體間的相互關(guān)系,分析和處理一定區(qū)域內(nèi)分布的現(xiàn)象和過程.作為一種分析處理地學(xué)數(shù)據(jù)的通用技術(shù),GIS為我們提供了一種認識和理解地學(xué)信息的新方式.

國內(nèi)外把GIS技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報研究已做了很多工作,從20世紀80年代至今,GIS技術(shù)的應(yīng)用已從滑坡災(zāi)害的數(shù)據(jù)管理、多元數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)化輸入和繪圖輸出,發(fā)展到數(shù)字高程模型、數(shù)字地面模型的應(yīng)用、GIS結(jié)合災(zāi)害評價模型的擴展.

1 地質(zhì)災(zāi)難評價與管理

地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估是指對地質(zhì)災(zāi)害活動程度及破壞損失情況進行評定估算的工作.對于已經(jīng)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,地質(zhì)災(zāi)害評估的基本方法和主要內(nèi)容是調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害活動規(guī)模,統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害對人口、財產(chǎn)以及資源、環(huán)境的破壞程度,核算地質(zhì)災(zāi)害直接經(jīng)濟損失與間接經(jīng)濟損失,評定地質(zhì)災(zāi)害等級.對于有發(fā)生可能但尚未發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,地質(zhì)災(zāi)害評估是預(yù)測評價地質(zhì)災(zāi)害的可能程度,對此有人稱之為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估或地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價.其基本內(nèi)容和步驟是:首先分析評價地質(zhì)災(zāi)害活動的危險程度和地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)受災(zāi)體的可能破壞程度,即地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價和災(zāi)害區(qū)的易損性評價,在此基礎(chǔ)上進一步分析預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)期損失,即進行地質(zhì)災(zāi)害的破壞損失評價.地質(zhì)災(zāi)害評估的基本目的是通過單項指標(biāo)或綜合指標(biāo)定量化反映地質(zhì)災(zāi)害的主要特點和破壞損失程度,為規(guī)劃、部署和實施地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供依據(jù).

圖1 滑坡預(yù)測與管理的GIS系統(tǒng)

利用地理信息系統(tǒng)的各種功能,建立地質(zhì)災(zāi)難空間信息管理系統(tǒng),管理地質(zhì)災(zāi)難調(diào)查資料,顯示并查詢地質(zhì)災(zāi)難的空間分布特征信息,評價地質(zhì)災(zāi)難的危害程度,分析地質(zhì)災(zāi)難和影響因素之間的關(guān)系,提出減輕和防治地質(zhì)災(zāi)難的辦法,對將來可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)難進行猜測.戴福初等利用GIS對香港地區(qū)的滑坡災(zāi)難進行歷史滑坡編錄,分析滑坡的時空分布特征和動態(tài)和靜態(tài)環(huán)境因素之間的相關(guān)關(guān)系,對滑坡災(zāi)難風(fēng)險進行評價和危險區(qū)域劃分.

地質(zhì)災(zāi)害評估的主要任務(wù):(1)查明工程建設(shè)場地地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理及工程概況;(2)查明建設(shè)場地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型、現(xiàn)狀、分布及影響因素,進行地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估;(3)調(diào)查、分析評估區(qū)內(nèi)潛在的地質(zhì)災(zāi)害、工程建設(shè)可能引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害及其危險性,以及工程建設(shè)和建成后可能遭受的地質(zhì)災(zāi)害及其危險性,進行地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估;(4)對評估區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險性進行綜合評估,劃分地質(zhì)災(zāi)害危險性評估分區(qū),評估場地適宜性,并提出相應(yīng)的防治措施和建議.

2 地質(zhì)災(zāi)難的危險度區(qū)劃評價

由于各種地質(zhì)因素本身的不確定性,以及地質(zhì)因素之間相互功能的復(fù)雜性,在收集大量的基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境資料的前提下,利用GIS對這些基礎(chǔ)資料進行有效的處理來提高數(shù)據(jù)的可靠性,通過選取合適的評價猜測指標(biāo),運用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)分析模型,對探究區(qū)進行地質(zhì)災(zāi)難危險性等級的劃分,從而為地質(zhì)災(zāi)難的管理及預(yù)防和預(yù)警決策提供依據(jù).

GIS的空間分析功能,為統(tǒng)計意義上的滑坡環(huán)境因子及誘發(fā)因子相關(guān)分析提供了可靠的工具,依據(jù)這些相關(guān)性,可以進行滑坡的易損性和基于統(tǒng)計規(guī)律的滑坡機制分析,如Brabb(1984)給出一種基于滑坡地質(zhì)單元百分比和坡度權(quán)重的滑坡易損性分析方法.用已有的滑坡位置與地形數(shù)據(jù)疊加,可以很容易地算出滑坡發(fā)生區(qū)域的高度、平均坡度、坡向等參數(shù);滑坡位置數(shù)據(jù)與降雨的時空分布數(shù)據(jù)疊加,可以計算出滑坡出現(xiàn)頻率與降水之間的關(guān)系.對于滑坡風(fēng)險評價中確定性模型和統(tǒng)計模型兩類方法,GIS均有成功的應(yīng)用和成功的應(yīng)用經(jīng)驗,在單要素、多要素、靜態(tài)、動態(tài)、定性、半定量及定量滑坡風(fēng)險評價中,GIS均可以計算和表達滑坡影響因子的空間展布、空間相互作用、多要素相對聚集性,并將滑坡風(fēng)險度圖形化表示.

GIS技術(shù)為抵制災(zāi)害在不用模型消減下的風(fēng)險評估提供了有效的技術(shù)支持.基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析不僅方法上可行,而且技術(shù)上先進,代表著地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析的發(fā)展方向.隨著人類對地質(zhì)災(zāi)害本質(zhì)屬性認識的逐漸深化和GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害研究中應(yīng)用潛力的不斷拓展,地質(zhì)災(zāi)害的危險性分析模型和區(qū)域社會經(jīng)濟易損性分析模型將會得到進一步的完善與發(fā)展,從而使地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析的結(jié)果更為合理地反映于預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢.信息量模型是進行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性分析的有效方法,對中國滑坡災(zāi)害的危險性分析就是建立在信息量模型基礎(chǔ)上的.利用GIS的空間疊加分析功能,將歷史滑坡分布密度圖與各主影響因素分布圖進行疊加然后計算出其信息量,最后根據(jù)信息量的大小進行危險性分級并作出滑坡災(zāi)害危險等級分布區(qū)劃圖(圖2).圖中將滑坡災(zāi)害的危險性劃分為4個等級:①極高危險性;②高危險性;③中等危險性;④低危險性.

圖2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析系統(tǒng)工作流程

3 GIS和專家系統(tǒng)的集成應(yīng)用

3.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)(Expert System)是模擬人類專家思維過程,將領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗以知識庫的形式存入計算機,系統(tǒng)根據(jù)這些知識,對要求解的問題進行復(fù)雜的推理,從而做出判斷和決策,起到領(lǐng)域?qū)＜业淖饔?專家系統(tǒng)主要用于解決非結(jié)構(gòu)化問題,地學(xué)領(lǐng)域存在大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù).專家系統(tǒng)中知識和推理是專家系統(tǒng)的核心.知識是專家系統(tǒng)生存的基礎(chǔ),知識的表示有各種方法和規(guī)則;推理是專家系統(tǒng)的靈魂,推理分正向和反向.

3.2 GIS與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

專家系統(tǒng)研究的是利用計算機模擬人類專家的推理思維過程,系統(tǒng)根據(jù)知識庫中的知識,對輸入的原始事實進行復(fù)雜推理,并作出判斷和決策,從而起到人類專家的作用.

GIS經(jīng)過近40年的發(fā)展已逐漸趨于成熟,但它的應(yīng)用還主要停留在空間數(shù)據(jù)庫的建立與管理、空間實體查詢、空間疊置分析、緩沖區(qū)分析以及成果輸出上,由于缺乏知識處理和進行啟發(fā)式推理的能力,其決策支持功能仍很弱,還無法解決多層次、多因素、非線性變化的復(fù)雜地學(xué)問題.解決這類問題是一項具有一定創(chuàng)造性的過程,需要大量的人為經(jīng)驗和專家知識.因此,將GIS和專家系統(tǒng)相結(jié)合,發(fā)展智能GIS或?qū)＜褿IS,是解決復(fù)雜地學(xué)問題的重要途徑.目前,這方面的研究收到廣泛的重視并取得一些令人鼓舞的成果.

在GIS和專家系統(tǒng)的集成應(yīng)用中,GIS的功能主要是管理時空數(shù)據(jù),進行空間分析;專家系統(tǒng)的主要功能是利用專家知識和空間目標(biāo)的事實推理判定災(zāi)難的危險度.二者的結(jié)合將使專家經(jīng)驗得到推廣,減少野外和室內(nèi)手工作業(yè)工作量,使區(qū)域地質(zhì)災(zāi)難的動態(tài)管理成為可能.GIS系統(tǒng)為地質(zhì)災(zāi)害海量空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲、管理和空間分析及預(yù)測預(yù)報提供了高效的技術(shù)平臺和方法,GIS系統(tǒng)與專業(yè)的預(yù)測預(yù)報技術(shù)和模型相結(jié)合,使地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報技術(shù)向可視化、規(guī)范化方面跨越了一大步.利用GIS技術(shù),開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng),并將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警技術(shù)納入地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng),開發(fā)專業(yè)性的預(yù)測模型庫(如:綜合信息模型和灰色模型等),形成地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警模塊,建立預(yù)測預(yù)報技術(shù)平臺,為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報提供關(guān)鍵支撐技術(shù)體系.

隨著計算機技術(shù)和當(dāng)代信息科學(xué)的發(fā)展,基于GIS系統(tǒng)的預(yù)測模型和技術(shù)具有廣泛的發(fā)展前景.

4 特 點

GIS的最大優(yōu)勢是以圖形的方式表達滑坡的位置和屬性,即滑坡可視化.在滑坡信息表達中GIS最直接的應(yīng)用是滑坡的空間位置表達,GIS技術(shù)與計算機多媒體技術(shù)的結(jié)合更可以生動表達滑坡信息.在滑坡的研究中,不論是滑坡分布、風(fēng)險區(qū)劃、風(fēng)險評估結(jié)果、滑坡易損性分析、滑坡防治規(guī)劃等均可以地圖表達.在這方面GIS已得到了成功的應(yīng)用,使用中的難點在于多尺度數(shù)據(jù)的融合使用、滑坡風(fēng)險評價中最小評價單元的選取等.簡單的理解,滑坡分析包括滑坡易損性分析、滑坡時空分析、滑坡運動分析、滑坡風(fēng)險區(qū)劃等在內(nèi),由信息到知識、由現(xiàn)象到規(guī)律、由已知到未知的分析過程.在滑坡分析中,GIS主要作用是發(fā)揮其空間分析功能,使傳統(tǒng)方法下不好解決的問題清晰表達出來.

5 結(jié) 語

滑坡災(zāi)害是在地表一定空間范圍和一定時間尺度內(nèi)發(fā)生的自然地質(zhì)現(xiàn)象,盡管不同區(qū)域、不同類型的滑坡災(zāi)害的現(xiàn)象與過程各異,形成的機理有別,但滑坡災(zāi)害一般是在環(huán)境因素和觸發(fā)因素共同作用下的結(jié)果.這些因素都與空間信息有關(guān),利用GIS技術(shù)不僅可以對各種滑坡災(zāi)害及其相關(guān)信息進行管理,而且可以從不同的空間和時間尺度上分析滑坡災(zāi)害的發(fā)生與壞境因素之間的相互關(guān)系,評價各種滑坡可能發(fā)生的災(zāi)害范圍與可能的風(fēng)險程度.

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