GIS在滑坡灾害预测预报领域的应用

黄 涛

(三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

地理信息系统(GIS)是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、遥感测绘学、环境科学、城市科学、空间科学、管理科学和现代通讯技术于一体的新兴边缘学科,是对各种地理信息及其文字、数据、图表、专题图等载体进行输入、储存、检索、修改、量测、运算、分析、输出等的技术系统,其主要功能有采集、存贮、管理、分析、输出各种数据与图形,进行信息维护的更新,开展空间分析和多因素综合分析以及动态预测等.GIS的技术基础包括地图制图技术、数据库技术、软件工程技术、图形图像技术、网络技术和人工智能技术等.

GIS已经成为一种成熟的空间数据处理技术和方法,它具有两个显著特征:一是它不仅可以像传统的数据库管理系统那样管理数字和文字信息,而且还可以管理空间图形信息;二是它可以使用各种空间分析的方法,对多种不同的信息进行综合分析,寻找空间实体间的相互关系,分析和处理一定区域内分布的现象和过程.作为一种分析处理地学数据的通用技术,GIS为我们提供了一种认识和理解地学信息的新方式.

国内外把GIS技术应用于滑坡灾害预测预报研究已做了很多工作,从20世纪80年代至今,GIS技术的应用已从滑坡灾害的数据管理、多元数据采集数据化输入和绘图输出,发展到数字高程模型、数字地面模型的应用、GIS结合灾害评价模型的扩展.

1 地质灾难评价与管理

地质灾害灾情评估是指对地质灾害活动程度及破坏损失情况进行评定估算的工作.对于已经发生的地质灾害,地质灾害评估的基本方法和主要内容是调查地质灾害活动规模,统计地质灾害对人口、财产以及资源、环境的破坏程度,核算地质灾害直接经济损失与间接经济损失,评定地质灾害等级.对于有发生可能但尚未发生的地质灾害,地质灾害评估是预测评价地质灾害的可能程度,对此有人称之为地质灾害风险评估或地质灾害风险评价.其基本内容和步骤是:首先分析评价地质灾害活动的危险程度和地质灾害危险区受灾体的可能破坏程度,即地质灾害的危险性评价和灾害区的易损性评价,在此基础上进一步分析预测地质灾害的预期损失,即进行地质灾害的破坏损失评价.地质灾害评估的基本目的是通过单项指标或综合指标定量化反映地质灾害的主要特点和破坏损失程度,为规划、部署和实施地质灾害防治工作提供依据.

图1 滑坡预测与管理的GIS系统

利用地理信息系统的各种功能,建立地质灾难空间信息管理系统,管理地质灾难调查资料,显示并查询地质灾难的空间分布特征信息,评价地质灾难的危害程度,分析地质灾难和影响因素之间的关系,提出减轻和防治地质灾难的办法,对将来可能发生的地质灾难进行猜测.戴福初等利用GIS对香港地区的滑坡灾难进行历史滑坡编录,分析滑坡的时空分布特征和动态和静态环境因素之间的相关关系,对滑坡灾难风险进行评价和危险区域划分.

地质灾害评估的主要任务:(1)查明工程建设场地地质环境条件、自然地理及工程概况;(2)查明建设场地地质灾害发育类型、现状、分布及影响因素,进行地质灾害危险性现状评估;(3)调查、分析评估区内潜在的地质灾害、工程建设可能引发或加剧地质灾害及其危险性,以及工程建设和建成后可能遭受的地质灾害及其危险性,进行地质灾害危险性预测评估;(4)对评估区内地质灾害危险性进行综合评估,划分地质灾害危险性评估分区,评估场地适宜性,并提出相应的防治措施和建议.

2 地质灾难的危险度区划评价

由于各种地质因素本身的不确定性,以及地质因素之间相互功能的复杂性,在收集大量的基础地质环境资料的前提下,利用GIS对这些基础资料进行有效的处理来提高数据的可靠性,通过选取合适的评价猜测指标,运用恰当的数学分析模型,对探究区进行地质灾难危险性等级的划分,从而为地质灾难的管理及预防和预警决策提供依据.

GIS的空间分析功能,为统计意义上的滑坡环境因子及诱发因子相关分析提供了可靠的工具,依据这些相关性,可以进行滑坡的易损性和基于统计规律的滑坡机制分析,如Brabb(1984)给出一种基于滑坡地质单元百分比和坡度权重的滑坡易损性分析方法.用已有的滑坡位置与地形数据叠加,可以很容易地算出滑坡发生区域的高度、平均坡度、坡向等参数;滑坡位置数据与降雨的时空分布数据叠加,可以计算出滑坡出现频率与降水之间的关系.对于滑坡风险评价中确定性模型和统计模型两类方法,GIS均有成功的应用和成功的应用经验,在单要素、多要素、静态、动态、定性、半定量及定量滑坡风险评价中,GIS均可以计算和表达滑坡影响因子的空间展布、空间相互作用、多要素相对聚集性,并将滑坡风险度图形化表示.

GIS技术为抵制灾害在不用模型消减下的风险评估提供了有效的技术支持.基于GIS技术的地质灾害风险分析不仅方法上可行,而且技术上先进,代表着地质灾害风险分析的发展方向.随着人类对地质灾害本质属性认识的逐渐深化和GIS技术在地质灾害研究中应用潜力的不断拓展,地质灾害的危险性分析模型和区域社会经济易损性分析模型将会得到进一步的完善与发展,从而使地质灾害风险分析的结果更为合理地反映于预测地质灾害的发展趋势.信息量模型是进行区域地质灾害危险性分析的有效方法,对中国滑坡灾害的危险性分析就是建立在信息量模型基础上的.利用GIS的空间叠加分析功能,将历史滑坡分布密度图与各主影响因素分布图进行叠加然后计算出其信息量,最后根据信息量的大小进行危险性分级并作出滑坡灾害危险等级分布区划图(图2).图中将滑坡灾害的危险性划分为4个等级:①极高危险性;②高危险性;③中等危险性;④低危险性.

图2 地质灾害风险分析系统工作流程

3 GIS和专家系统的集成应用

3.1 专家系统

专家系统(Expert System)是模拟人类专家思维过程,将领域专家的知识和经验以知识库的形式存入计算机,系统根据这些知识,对要求解的问题进行复杂的推理,从而做出判断和决策,起到领域专家的作用.专家系统主要用于解决非结构化问题,地学领域存在大量非结构化数据.专家系统中知识和推理是专家系统的核心.知识是专家系统生存的基础,知识的表示有各种方法和规则;推理是专家系统的灵魂,推理分正向和反向.

3.2 GIS与专家系统、神经网络的结合

专家系统研究的是利用计算机模拟人类专家的推理思维过程,系统根据知识库中的知识,对输入的原始事实进行复杂推理,并作出判断和决策,从而起到人类专家的作用.

GIS经过近40年的发展已逐渐趋于成熟,但它的应用还主要停留在空间数据库的建立与管理、空间实体查询、空间叠置分析、缓冲区分析以及成果输出上,由于缺乏知识处理和进行启发式推理的能力,其决策支持功能仍很弱,还无法解决多层次、多因素、非线性变化的复杂地学问题.解决这类问题是一项具有一定创造性的过程,需要大量的人为经验和专家知识.因此,将GIS和专家系统相结合,发展智能GIS或专家GIS,是解决复杂地学问题的重要途径.目前,这方面的研究收到广泛的重视并取得一些令人鼓舞的成果.

在GIS和专家系统的集成应用中,GIS的功能主要是管理时空数据,进行空间分析;专家系统的主要功能是利用专家知识和空间目标的事实推理判定灾难的危险度.二者的结合将使专家经验得到推广,减少野外和室内手工作业工作量,使区域地质灾难的动态管理成为可能.GIS系统为地质灾害海量空间数据的获取、存储、管理和空间分析及预测预报提供了高效的技术平台和方法,GIS系统与专业的预测预报技术和模型相结合,使地质灾害预测预报技术向可视化、规范化方面跨越了一大步.利用GIS技术,开发地质灾害信息系统,并将地质灾害预测预警技术纳入地质灾害信息系统,开发专业性的预测模型库(如:综合信息模型和灰色模型等),形成地质灾害预测预警模块,建立预测预报技术平台,为突发地质灾害预测预报提供关键支撑技术体系.

随着计算机技术和当代信息科学的发展,基于GIS系统的预测模型和技术具有广泛的发展前景.

4 特 点

GIS的最大优势是以图形的方式表达滑坡的位置和属性,即滑坡可视化.在滑坡信息表达中GIS最直接的应用是滑坡的空间位置表达,GIS技术与计算机多媒体技术的结合更可以生动表达滑坡信息.在滑坡的研究中,不论是滑坡分布、风险区划、风险评估结果、滑坡易损性分析、滑坡防治规划等均可以地图表达.在这方面GIS已得到了成功的应用,使用中的难点在于多尺度数据的融合使用、滑坡风险评价中最小评价单元的选取等.简单的理解,滑坡分析包括滑坡易损性分析、滑坡时空分析、滑坡运动分析、滑坡风险区划等在内,由信息到知识、由现象到规律、由已知到未知的分析过程.在滑坡分析中,GIS主要作用是发挥其空间分析功能,使传统方法下不好解决的问题清晰表达出来.

5 结 语

滑坡灾害是在地表一定空间范围和一定时间尺度内发生的自然地质现象,尽管不同区域、不同类型的滑坡灾害的现象与过程各异,形成的机理有别,但滑坡灾害一般是在环境因素和触发因素共同作用下的结果.这些因素都与空间信息有关,利用GIS技术不仅可以对各种滑坡灾害及其相关信息进行管理,而且可以从不同的空间和时间尺度上分析滑坡灾害的发生与坏境因素之间的相互关系,评价各种滑坡可能发生的灾害范围与可能的风险程度.

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