基于遥感与GIS技术的公路损毁监测评估系统设计

赵 琛， 唐 凝， 曹 鸿

(1. 陕西能源职业技术学院 地质测量系，陕西 咸阳 712000; 2. 西安科技大学 安全学院， 西安 710054)

基于遥感与GIS技术的公路损毁监测评估系统设计

赵 琛1， 唐 凝1， 曹 鸿2

(1. 陕西能源职业技术学院 地质测量系，陕西 咸阳 712000; 2. 西安科技大学 安全学院， 西安 710054)

在分析公路损毁对遥感数据要求的基础上，利用ALOS卫星遥感影像建立公路损毁自动提取模型。结合公路损毁段的工程实际，利用GIS技术系统空间分析能力及图像功能，以Oracle作为数据库，采用Java语言，集成二次开发的方式进行整个系统开发。利用公路损毁遥感监测与GIS评估技术构建的公路损毁监测评估系统，可对公路损毁段的泥石流和滑坡等损毁信息进行有效提取。可检测公路损毁的位置、长度和面积，并可估算损毁造成的经济损失，在公路出现重大损毁时能够实现快速应对。

遥感； 地理信息系统； 公路损毁； 评估系统

0 引 言

在我国南方地区，公路损毁主要由暴雨和洪涝等灾害引发的山体滑坡、泥石流等次生灾害造成的[1-4]。目前，由降雨引发的公路沿线滑坡和泥石流等灾害更是频繁发生，是导致公路损毁的重要因素[5]。在山区多雨地段经常会发生公路损毁，由于公路损毁预测技术和监测技术不完善，故对公路损毁的预防和救治无法及时进行，这就引起公路地段发生损毁后，损失加剧；随着我国遥感和GIS技术的进一步发展，有了有效的手段对公路损毁进行监测[6-8]。对公路损毁监测与评估技术研究时，将遥感技术和GIS技术相互结合具有非常重要的意义，尤其是在公路损毁后，进行应急抢修和恢复方面具有非常重要的作用[9-13]。

本文以公路损毁的空间图形信息和属性信息为基础建立系统数据库，建立了公路损毁遥感自动评估系统，为有效控制公路损毁和防治公路损毁现象的发生及降低公路损毁的损失提供技术支持。

1 遥感技术影像预处理

从卫星接收下来的遥感影像，在通常情况下先要经过地面接收站的简单处理后，才可提供给各用户，而不能直接提供给用户。接收站的处理包括系统辐射校正和系统几何粗纠正两部分。通过系统辐射校正，遥感器系统产生的辐射畸变就可以被消除掉。通过系统几何粗纠正，利用卫星下载的几何参数就可以对遥感图像的空间进行粗略定位。在试验前，遥感影像必须进行辐射精纠正与几何精纠正后，才能提取滑坡和泥石流灾害的信息。图像通过校正后，物体更加清晰、可辨的被显示；通过几何精纠正，可严格将图像的地物目标与地图中的地物坐标进行对应，为制图提供方便。本文借助ERDAS遥感图像处理软件，对影像进行预处理，并利用Actor大气纠正模块对AIOS遥感数据进行大气辐射校正处理；利用图像几何校正模块对影像进行几何精校正。

2 系统数据库的设计

系统数据库是用来存储利用系统开展相关业务所需要的数据，包括基础地理数据、卫星遥感影像数据、历史灾情数据、地面核查数据、社会经济数据等。

2.1 系统目标

结合我国南方某些重点滑坡和泥石流灾害的公路路段，以发生滑坡和泥石流灾害公路段的地形地貌、降雨和地下水情况等为基础，进行该地段空间图形数据和工程数据的计算和分析，同时以滑坡和泥石流灾害类型及发生机理为依据，利用GIS技术系统空间分析能力及图像功能，采用数学模型，对滑坡和泥石流灾害发生的条件、影响的范围及程度进行科学的预测和预报，并提出有效地控制滑坡和泥石流灾害发生和整治的科学依据。

(1) 建立公路损毁测评估系统。公路损毁检测评估系统是在公路路网、损毁监测网、公路地质灾害区划分3个层面上建立的。利用公路损毁检测评估评估系统，可对公路滑坡和泥石流灾害进行信息录入与存储、检索与查询、修改与更新、数据分析处理与统计、空间分析与输出、经济损失评估等一系列功能。

(2) 实现信息存储与查询。利用GIS 的Arc SDE、Arc IMS、Arc Server技术，能有效存储公路滑坡和泥石流灾害的空间和属性信息，同时能实现可视化查询互联网上发布的信息。

(3) 实现公路损毁治理的决策支持。通过系统的公路滑坡和泥石流灾害预测预报模型库和方法库，分析和判断灾害的原始数据，对灾害危险程度和预警级别进行预测，给公路建设提供一定的支持，在分析地质灾害后，为灾害的防治与治理、交通管理、经济损失评估等方面提供决策。

2.2 系统设计原则

(1) 科学性。在设计数据库和系统功能时，重点研究数据结构与系统功能；在进行公路滑坡和泥石流灾害的监测数据分析和处理时，要求采用专业的方法进行；在对灾害危险评价和预测时，要注意采用科学和合理的方法对预测模型进行研究；同时要求具有快捷方便的信息查询。

(2) 实用性。数据库的建立与系统的开发，必须满足公路损毁信息的查询、信息统计、决策分析等要求，同时系统结构应简洁、方便和灵活，使各级公路管理部门、灾害防治部门、决策部门的操作人员在进行管理和使用时比较方便。

(3) 统一性。系统设计时，不仅要对信息编码和坐标系统进行统一规范，还要对数据的精度和符号系统进行规范。在公路滑坡和泥石流灾害属性和图像的基础上建立系统，要对数据有统一规范和标准的规定。

(4) 延展性。系统设计时不仅要考虑系统的扩展，同时还要考虑与其他系统的兼容，当添加新的模块后，要求不会对现有模块和系统造成较大影响。由于，目前网络和GIS技术的快速发展，故必须满足利用网络进行远程传输，以响应系统库内信息的要求。

2.3 系统开发

本系统采用Oracle作为数据库，地理信息系统的开发平台为GIS，采用Java语言，集成二次开发的方式进行整个系统开发。

2.4 系统数据库的设计

公路工程地质灾害信息的基本形式包括图形、图像、文字数据信息3种，涉及内容较多，信息量比较大，来源比较广泛，是一种多源数据。在设计系统数据库时，如何对多源数据进行组织，对研发系统的功能和效率具有非常大的影响。基于GIS构建公路损毁评估系统时，在数据组织和管理上，将图形和属性数据分开，通过标识号进行两者的联系。

公路损毁遥感与GIS监测评估系统包括数据层、数据接口层、业务逻辑层和应用层4个层次。数据层为各类基础数据，这些数据是进行公路损毁遥感分析所用的；数据接口层实际上是进行数据交换的通道，该通道主要是系统数据库与业务功能系统进行交换的；业务逻辑层实际上是系统的业务系统；应用层主要是利用业务系统，进行各种数据的收集与处理，包括收集与处理遥感数据、公路损毁遥感的分析与处理、损毁情况的评估与分析、应急抢通路径的分析等。图1所示为系统的架构。

2.5 系统组织结构设计

建立系统的目的是预测、预报和管理地质灾害的信息，达到公路管理与运营服务的数据共享。在进行系统设计时，应采用客户/服务器管理模式，将所有数据放在服务器上，客户机对相关数据进行各种操作和处理，在这个过程中，客户机先与局域网和服务器通信，然后通过应用程序进行相关功能的运作。

图1 公路损毁GIS检测评估系统构架

3 系统功能的设计

(1) 监测的信息。在进行系统功能设计时，入库的检测信息包括：①发生滑坡和泥石流的公路段基本信息；②监测损毁点的文件和图片信息；③该公路段的地质、设计、影像资料及监测数据等。

(2) 监测数据的处理。 根据所用的方法差异，进行数据输入和分析，包括地表的监测、地下的监测与变形相关的物理量的监测、相关因素的监测、宏观变形监测等；在分析绘图时，要根据不同的方法进行数据监测。

(3) 灾害的预报。公路滑坡和泥石流灾害的预报包括滑坡灾害和泥石流灾害的预测预报两部分。

(4) 管理与查询。公路损毁区的信息管理与查询包括损毁区基本信息库和损毁区图层两方面。

(5) 损毁评价的数学模型。通过利用各种预测和预报模型，实现对公路损毁信息和监测数据的综合评价与处理，同时对损毁的危险程度也进行预测和判断，并将结果反馈到系统客户端。

4 公路损毁评估

4.1 基础数据库的建立

表1所示为在GIS系统支持下，本文建立的公路损毁数据库和公路数据层的属性数据。

4.2 公路损毁的检测评估

在分析公路损毁造成的经济损失时，本文利用受损公路段的分布数据属性表，统计受损公路的长度和面积，以损毁公路单位长度的造价为依据，运用下列公式估算经济损失：

E=10-3LP

表1 公路数据库结构

其中：E表示公路损毁经济损失；损毁长度用L表示；单位长度造价用P表示。

在公路分布数据属性表中，添加灾害损失字段，主要是对估算经济损失进行存储计算；在GIS软件中，利用表格字段的计算器输入经济损失估算公式，受损字段赋值为E，对应长度字段为L，单位长度造价字段为P，这样就可以将估算的经济损失计算出来。通过GIS软件的统计分析功能，汇总统计经济损失，并对其进行分析，如图2所示；图3所示为公路损毁遥感监测评估识别过程。

图2 经济损失汇总分析

5 实例分析

本文选择重庆市武隆县水来乡一小块区域作为研究试验区，研究区域在G319国道西南区(见图4)。区域内公路属山区路段，山体构造比较松散。在持续的雨水侵蚀下，极易发生泥石流和滑坡灾害，引起该路段出现公路大量损毁。本文使用2010年6月17日ALOS卫星遥感数据，利用公路损毁遥感监测与GIS评估技术，得到该地区G319国道的损毁分布信息，如图5所示，并估算出该地区的经济损失。

图3 公路损毁遥感监测评估

公路损毁45处，公路损毁总长度为4 582.38 m，最大长度为549.14 m，最小长度为3.6 m；公路损毁总面积为35 491 m2，假设公路造价为1 500万元/km，估算经济损失为6 874万元。由于缺少公路损毁段的详细数据，目前还暂时不能对评估数据的精度进行评估，与更高分辨率遥感影像上的数据对比，两者的数据误差不超过8%。

6 结 语

利用公路损毁遥感监测与GIS评估技术构建信息提取模型，可对公路损毁段的泥石流和滑坡等损毁信息进行有效提取。

利用公路损毁遥感监测与GIS评估技术构建的公路损毁监测评估系统，可检测公路损毁的位置、长度和面积，并可估算损毁造成的经济损失，有利于快速应对出现的公路重大损毁。

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·名人名言·

科学研究能破除迷信，因为它鼓励人们根据因果关系来思考和观察事物。

——爱因斯坦

Design and Implementation of Highway Damage Monitoring and Evaluation System Based on Remote Sensing and GIS

ZHAOChen1，TANGNing1，CAOHong2

(1. Geological Survey Department, Shanxi Vocational and Technical College，Xianyang 712000, Shanxi, China; 2. Institute of Safety, Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China)

Combined remote sensing image obtained by ALOS satellite with engineering practice a highway damage model with automatic extraction function was established. The system applies the GIS spatial analysis and image features, uses Oracle as the database, uses java language and the integrated secondary development technique. Based on the monitoring and evaluation system, the information of debris flow and landslide can be extracted effectively. The location, length and area of damaged roads can be detected, and the economic losses caused by damage can be estimated.

remote sensing; geographic information system(GIS); highway damage; evaluation system

2016-08-15

国家自然科学基金项目(20198015)

赵 琛(1983-)，男，回族，河南开封人，讲师，主要从事地理信息系统、测绘工程研究。

Tel.：15686175237；E-mail：zhaochennh@163.com

P 315.7

A

1006-7167(2017)04-0045-04