《震区公路次生地质灾害监测与评估地图集》的设计与编制

韩用顺，彭述刚，朱颖彦，孔亚平，李龙伟，付 玉

(1．湖南科技大学地理空间信息湖南省工程实验室，河南湘潭411201;2．中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041;3．交通运输部科学研究院交通环保与安全研究中心，北京100029)

一、引 言

公路交通对于促进区域经济发展和提高人民生活水平，起到了十分重要的作用。震区次生地质灾害已成为灾后恢复重建和道路交通安全面临的突出问题和重要制约因素，大型公路灾害专题地图集具有系统科学、综合集成、形象直观等特点，成为公路交通科技防灾减灾管理的重要技术手段之一。目前，关于汶川地震次生地质灾害及震区道路交通的研究成果较多，而有关汶川地震灾害方面的地图集相对较少[1-4]，仅有的几部地图集也多从遥感和灾情方面反映汶川地震或其次生地质灾害的分布与危害，仍没有高烈度地震区公路次生地质灾害监测与评估方面的大型综合性专题地图集。本文介绍了面向我国西部高烈度地震区公路建设发展及其防灾减灾需求，整合公路交通领域抗震救灾、次生灾害形成机理、分布规律、识别诊断、监测预警、灾害评价和防治规划等相关科技成果，进行震区公路次生地质灾害监测与评估地图集设计，采用3S和数字制图技术，建立了地图数据库和制图信息平台，编制了国内外首部高烈度地震区公路地质灾害监测与评估地图集，可为我国山区公路选线设计、重建规划和防灾减灾管理提供依据和参考，并为震区次生地质灾害研究积累丰富的数据资料。

二、地图集设计

1．设计思想

《震区公路次生地质灾害监测与评估地图集》从灾害系统和灾害风险管理的角度出发，进行图集的总体设计(图1)。公路地质灾害的孕灾环境、致灾体、承灾体和灾情之间相互作用、相互影响、相互联系，形成了一个具有一定结构、功能和特征的复杂系统，即公路地质灾害系统。孕灾子系统包括地质、地貌、气象、水文及土地利用等自然环境子系统;致灾子系统包括地震、地质灾害及其运动与危害特征等子系统;承灾子系统包括人、各类产业、道路交通及资源环境等社会经济子系统;灾情子系统包括人员伤亡、社会经济损失、各种财富性与资源性资产损失等破坏损失子系统。公路地质灾害系统是一个动态、复杂、非线性系统，需要引入风险管理概念，以定量的方式对其加以完整的研究。公路地质灾害风险综合反映了公路地质灾害自然属性和社会属性，由其致灾体的危险性、承灾体的易损性和孕灾环境的暴露性组合而成。因此，需要从系统的角度将公路次生地质灾害看做一个整体，以形成机理和成灾机制为基础，以灾害监测与风险评估为核心，以防灾减灾和风险管理为目标，进行其专题地图集设计与编制，反映震区孕灾环境及其地理特征，揭示震后公路次生地质灾害形成机理、分布与演化规律，提出次生地质灾害识别诊断、动态监测与风险评估方法，构建公路灾害风险管理技术体系，为震区公路恢复重建和运营管理提供科技支撑。

2．内容设计

本地图集共分为序图、汶川地震、次生地质灾害、灾害分布规律、公路灾害监测、公路灾害评估和灾害防治规划等7个图组，共142幅图。序图主要介绍震区地理环境、地质条件、历史地震、震前地质灾害、道路交通及其内在联系，是整个图集的先导。汶川地震图组根据地震及其次生地质灾害的自然环境和社会经济状况等孕灾条件，选编灾区地理环境、地质背景、气象水文、土地利用、社会经济和主震余震等内容，反映我国西部山区主要地震带的孕灾环境及强震活动。次生地质灾害图组归纳总结次生地质灾害的概念、类型、成灾特点与危害，是科学认识次生地质灾害的基础。灾害分布规律图组在全面掌握震前震后地质灾害信息的基础上，按照不同时空尺度，分析次生地质灾害的活动特征，揭示其分布与演化规律，是关于震后次生灾害客观规律和总体态势的基本认知，也是科学研究和防灾减灾的基础。公路灾害监测图组基于灾害形成机理，提出潜在地质灾害识别诊断技术，构建次生地质灾害动态监测技术体系，是最为直接有效的防灾减灾非工程措施(图2)。公路灾害评价图组介绍次生地质灾害危险性评估原理与方法，进行不同空间尺度下不同类型次生地质灾害危险性、易损性和风险评估与等级区划，形成震区次生灾害风险管理的技术基础。灾害防治规划图组分析总结次生地质灾害防治技术，进行防治工程优化设计与方案优选，开发次生地质灾害辅助决策支持系统，介绍震区公路交通抗震救灾、恢复重建及次生地质灾害防治规划成果，为震区公路选线设计、恢复重建和防灾减灾管理提供依据和参考。

图1 地图集总体设计

图2 重大灾害监测点原位监测技术体系

3．数学基础设计

统一的数学基础是数字制图与空间分析的基础，也是地图数据标准化规范表达的前提，主要包括统一地图投影系统、坐标系统、高程系统、比例尺系统和地理编码系统。本图集主要有灾区51县、灾区32县、龙门山区、岷江上游、汶川县、都汶公路沿线、震中牛圈沟等7个不同空间尺度和地理特征的制图区域，根据制图目的、要求与制图对象分布特点，采用高斯投影系统、WGS-84坐标系和黄海85高程系统，其基本比例尺分别为1∶200万、1∶1 50万、1∶100 万、1∶50 万、1∶20 万、1∶5 万和 1∶1 万，部分典型工程区和重大工程点则采用1∶2000和1∶1000。依据国家相关标准，制定空间数据分层方案和非空间数据分类与编码体系，并在此基础上，完成地图数据库设计与基础数据采集与处理。

4．地图语言设计

地图语言是地理信息表达和传递的基本工具，主要包括地图符号、色彩和注记。地图语言的设计质量直接影响地图信息表达和传递的效果[5-6]。本图集采用ArcGIS为基础制图平台，该软件具有丰富的符号库、色彩库和注记功能，并提供了扩展的二次开发接口，但缺乏对地震、地质灾害和公路交通等专题要素符号与色彩的定义与描述。因此，地图语言设计的难点在于专题要素的地图符号设计。普通地理要素及其表达，根据地图图式和制图规范，在ArcGIS中按照给定的图例符号、色彩和注记进行地图语言设计与制作。地震、地质灾害和公路交通等专题要素地图符号则在优先考虑各要素分类分级要求的基础上，重点顾及构成地图符号的形状、尺寸、方向、色彩、结构、密度等6个图形变量，并以形状、尺寸和色彩为主，结合 CorelDraw、Auto-CAD、DWGConvertor和Photoshop等辅助工具，进行公路次生地质灾害地图符号库和色彩库的设计与制作，形成一个较为完整的公路地质灾害符号库和色彩库，最后将其添加到ArcGIS中，方便后续制图工作需要。本图集中，设计了点状符号2304个、线状符号307个、面状符号412个，按照4色配比法配置了523种颜色，整编了19 058个地名，初步建立了公路次生地质灾害地图符号库、色彩库和地名数据库。

5．图型与版式设计

该图集中的普通地理要素根据相应的地图内容，按地图图式和制图规范要求进行设计与表达。地震、次生地质灾害和公路交通等专题要素，则运用定点符号法、定位图表法、等值线法、动线法、范围法、质底法、分区统计图、分级统计图等表达方法，结合文字、图表、照片、影像等辅助手段，综合设计，灵活应用，科学地表达(图3)。此外，采用遥感制图、三维数值模拟和虚拟现实技术，进行震区地理环境、防治工程优化设计，危岩危险性评价等内容的三维模拟与虚拟仿真，创新了图型表达方式和地图表现力(图4)。

图3 汶川地震及其次生地质灾害危害道路交通

图4 龙门山区地理环境三维虚拟仿真

为了便于使用与保存，根据地图主题、制图区域特点和成图比例尺要求，本图集开本设置为16开，主要版式有展开页、标准图幅、两拼和四拼。标准图幅的版面规格为高280 mm×宽210 mm，包括页边距、页眉页脚装帧和成图区，其中成图规格为高250mm×宽165 mm;展开页为8开，版面规格为高280mm×宽420mm、其中成图规格为高250 mm×宽380mm。

三、地图集编制

1．编辑准备

收集与整理制图所需的基本资料、补充资料和参考资料，分析编图资料的政治性、完备性、精确性和现势性，研究制图区域地理特征和制图对象分布特点，根据图集的主题、用途和比例尺，确定所编地图的内容、表示方法、作业程序等，撰写编图大纲，制作地图生产工艺流程及综合样图。本图集大量制图资料来源于抗震救灾和震后现场调查与灾害监测过程中的第一手资料，借鉴和引用了相关单位专家学者研究成果[1-3，7]。

2．工作底图制作

工作底图是专题地图的骨架和控制系统，直接影响到图集科学内容表达的精度以及内容综合的协调，解决相同底图多次出现的统一性。工作底图的要素起着说明专题现象发生、发展的地理环境的作用，因此是退居第2或第3个层面的背景要素层，用色浅淡，内容量不能干扰专题要素的表达。针对不同的专题主题、用途和表示方法，工作底图的设计与表达方法也不同。本图集共设计与制作了震中牛圈沟、都汶公路沿线、汶川县、岷江上游、龙门山区、灾区32县和灾区51县等7类工作底图(图5)，从点、线、面和区域4个空间尺度综合表达震区公路地质灾害防灾减灾主题与内容，其主要地理要素包括行政界线、居民地、地名、DEM、水系等，且各类要素均分级设计与制作，并保持整个图幅的信息载负量平衡与协调。在此基础上，只需专注于各专题要素的设计与制作。

图5 重灾区32县基础工作底图设计与样图制作

3．地图编制与出版

该图集根据设计与编制大纲要求进行编制。本图集设计与编制过程中，成立了编纂委员会、科学顾问委员会和图集编辑部，采用多学科与3S技术相结合的方法，利用现代数字制图、数值仿真和虚拟现实等技术，完成了7个图组的142幅图件的编制(图6～图9)。经质量检核、专家评审和校样修改后，根据地图出版印刷的分色要求，直接按分色要素将各专题图件自动分为专色文件，通过激光照排系统输出印刷专用胶片，提供给出版社和印刷厂出版印刷。

图6 灾区51县历史地震分布图

图7 都汶公路沿线崩塌滑坡分布与演化规律

图8 都汶公路沿线危岩危险性评价图

图9 震中牛圈沟防治工程分布图

四、地图集特点

1)特色鲜明。本图集立足汶川地震灾区，面向我国高烈度地震山区公路防灾减灾需求，依托公路交通领域行业优势，集成震后交通科技救灾最新成果，具有鲜明的震区地域特色、交通行业特色、防灾减灾实践特色和多学科多技术综合集成特色。

2)科学性强。本图集数据资料全面翔实、现势性强，60%以上图件在国内首次公布，综合了交通和灾害领域的震区公路次生地质灾害最新技术和研究成果，系统介绍了公路次生地质灾害形成条件、致灾机理、分布规律、识别诊断、监测预警、风险评价和防治规划，形成了较为完整的公路地质灾害风险管理技术体系，成果丰富、科学具体。

3)通俗易懂。图文并茂、制作精美，专业性强或较难理解的原理、技术与方法则多配以形象直观的原理图、结构图、示意图和浅显易懂的文字、照片、图表或影像等辅助说明，整个图集在保证科学性的前提下，兼具艺术性和科普性。

4)技术先进。本图集设计新颖，制作先进，采用数字制图、3S、三维建模、数值仿真和虚拟现实等先进技术成果，建立了专题地图数据库和制图技术平台，在传统数字制图的基础上，实现了三维数字制图、多媒体制图和电子地图等多维动态效果。

5)实用性广。本图集可以为震区公路恢复重建、交通防灾减灾管理、政府宏观决策、大众科普教育和相关科学研究等提供依据和参考，其相关成果已成功应用于国家汶川地震灾后重建规划和灾区公路恢复重建，取得了良好社会与经济效益。

五、结论与讨论

本图集汇集了相关单位专家学者汶川地震后获取的大量珍贵的第一手资料和多年研究成果，采用了高水平地图制图与地图信息可视化技术，融合了多种表达方式，反映了震区公路次生地质灾害的时空分布与过程，总结了公路次生地质灾害防灾减灾和风险管理技术体系，展示了丰富的科学内容，图文并茂、形象直观、科学系统，可为震区公路恢复重建和运营管理提供科学依据和技术支撑，也可以地质灾害防灾减灾管理提供借鉴和参考。震后灾区次生地质灾害问题复杂，需要长时间序列的深入研究，由于研究时间等条件所限，本地图集中的一些原理和方法还有待实践检验和完善，次生地质灾害分布规律、形成机理、识别诊断、灾害评估、监测预警与减灾技术等一系列科学问题仍有待于进一步深化。本地图集仅反映汶川地震次生地质灾害监测与评估的初步研究成果，希望为灾区次生地质灾害防灾减灾管理提供借鉴和参考，为后续研究提供依据和基础。

致谢：中国科学院对地观测中心、中国科学院成都山地灾害与环境研究所、国土资源部中国地质调查局和国家测绘地理信息局等单位提供了部分成果和数据支持，钟敦伦研究员、陈昱研究员、王兆印教授、袁勘省教授等给予了悉心指导和帮助，图集引用了相关单位专家学者的部分研究成果，在此一并感谢。

[1]郭华东．汶川地震灾害遥感图集[M]．北京：科学出版社，2008．

[2]汶川地震灾害地图集编委会．汶川地震灾害地图集[M]．四川：成都地图出版社，2008．

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