GIS在邊坡中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

張澤方 錢志寬

摘?要：隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)數(shù)字化的趨勢越來越明顯，學(xué)科之間的影響越來越大，這也為解決一些邊坡問題提供了新的研究思路和方法。GIS作為一種將空間數(shù)據(jù)數(shù)字化并分析處理的工具，在解決實(shí)際邊坡問題中表現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢。本文首先對GIS作了簡要介紹，闡述了GIS在邊坡中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后探討了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：GIS;邊坡;數(shù)字化

在工程建設(shè)中，邊坡是一種常見的工程形式，由于受到各種因素的影響，其產(chǎn)生的崩塌、滑坡、坍塌等破壞情況，嚴(yán)重影響著人們的生產(chǎn)生活。隨著GIS的發(fā)展，邊坡研究有了新的方法。

1 GIS技術(shù)

GIS即Geographic Information System，是地理信息系統(tǒng)的英文簡稱，它是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應(yīng)用地球信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量空間數(shù)據(jù)的通用技術(shù)[1]。將GIS應(yīng)用到邊坡問題中，可以充分發(fā)揮其空間數(shù)據(jù)管理和分析的優(yōu)勢及強(qiáng)大的可視化功能，能夠提升邊坡工程的效率和質(zhì)量?？傮w上，GIS主要分為以下幾個(gè)功能模塊（見圖1）。

數(shù)據(jù)采集與編輯功能：數(shù)據(jù)是GIS的血液，沒有數(shù)據(jù)的GIS是不可能存在的[2]。良好的數(shù)據(jù)會使分析結(jié)果更具真實(shí)性和參考性，但是高精度的數(shù)據(jù)不易獲取，如高分辨率的遙感圖像、高精度的地形圖和工程地質(zhì)中的鉆孔數(shù)據(jù)等，這也體現(xiàn)出GIS對數(shù)據(jù)的依賴性。

空間數(shù)據(jù)庫功能：GIS中配備有空間數(shù)據(jù)庫，可以對海量的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和管理。工程人員應(yīng)用空間數(shù)據(jù)庫這一功能時(shí)，可以發(fā)揮其在工程地質(zhì)中的價(jià)值，從而提高工程效益[3]。

制圖及可視化功能：傳統(tǒng)制圖工作強(qiáng)度大、周期長，已經(jīng)無法滿足實(shí)際工作需要，GIS的數(shù)字化制圖功能提升了制圖質(zhì)量和效率。通過GIS構(gòu)建三維立體模型，能夠較為全面、立體地查看地質(zhì)樣貌，提高數(shù)據(jù)信息的精度，便于后續(xù)工作的開展[4]。

空間分析功能：空間分析是GIS應(yīng)用的核心，它能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，將外業(yè)測量的“死”的數(shù)據(jù)變“活”起來，揭示出空間數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系。目前，GIS技術(shù)的空間分析功能在工程地質(zhì)中也得到了廣泛的應(yīng)用，如地質(zhì)災(zāi)害評估、礦產(chǎn)資源評價(jià)、地質(zhì)測量等。

二次開發(fā)功能：GIS提供二次開發(fā)平臺，該平臺適用多種編程語言，如C語言、C++、C#、VB、Python等，通過編寫專用的程序，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。

2 GIS在邊坡工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 基于GIS的邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性問題是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的問題，而邊坡穩(wěn)定性研究是邊坡問題研究的核心問題[5]。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法有工程類比法和邊坡穩(wěn)定性圖解法，此類方法存在一定的局限性，其分析結(jié)果誤差較大;定量分析方法中包括有限元法等數(shù)值分析方法和極限平衡分析法，這類方法較前者精確。在上述定量分析方法中再結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，這種新方法在邊坡穩(wěn)定性研究中表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性。

一般傳統(tǒng)的有限元方法在前期因處理大量數(shù)據(jù)而占用很長時(shí)間，工作效率低下，而基于GIS的邊坡有限元分析前處理使工作效率大大提高。劉慶元等利用GIS技術(shù)[6]，實(shí)現(xiàn)了從確定滑坡范圍到自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格的全部過程，從而提高了邊坡三維有限元計(jì)算的前處理工作效率。在有限元前處理中，難點(diǎn)在于計(jì)算剖面線和生成剖面圖，王寶軍等利用GIS的空間分析技術(shù)和可視化顯示功能有效解決了上述技術(shù)難點(diǎn)[7]，不但提高了工作效率，而且保證了有關(guān)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

另外，GIS技術(shù)在其他方法中也有應(yīng)用，余國等結(jié)合GIS和滑面正應(yīng)力分布假定模型[8]，推導(dǎo)出應(yīng)用于GIS中的三維極限平衡方程及各參數(shù)，開發(fā)出基于GIS的三維邊坡穩(wěn)定性分析擴(kuò)展模塊，從而完成了邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，并通過算例驗(yàn)證了該方法的正確性與便利性。王超對收集的資料通過整理和分析[9]，選取10個(gè)重要的影響邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)，采用改進(jìn)的層次分析法確定了各指標(biāo)的權(quán)重，在GIS中加權(quán)疊加并生成了危險(xiǎn)區(qū)劃圖，以可視化的形式展示出來，又結(jié)合Python技術(shù)分別求出了二、三維邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了新的方案。

2.2 基于GIS的邊坡可視化

傳統(tǒng)情況下，對地質(zhì)信息的表達(dá)一般采用的是平面圖或者是剖面圖，也就是說將三維地質(zhì)信息投影到平面上來研究，這種方法會造成一定程度的誤差。另外，隨著可視化技術(shù)的發(fā)展，對地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防也越來越有幫助。因此，對邊坡進(jìn)行三維建模，可以更為精確地表達(dá)邊坡的信息，在邊坡三維建?；A(chǔ)上的研究也更加符合真實(shí)情況。

三維建模的基礎(chǔ)和核心是對地質(zhì)表面的構(gòu)造、擬合[10]。劉紅楓通過MATLAB軟件開發(fā)出滑坡穩(wěn)定性分析及可視化擴(kuò)展模塊[11]，得到研究區(qū)滑坡的最危險(xiǎn)破壞面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后再通過GIS技術(shù)生成滑坡面，并將其與研究區(qū)的高精度DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加、剪切等操作，建立滑坡及滑體的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)了滑坡的三維可視化，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。宋維琦通過無人機(jī)航空攝影得到研究區(qū)的航測相片[12]，將航測相片進(jìn)行處理并生成三維地表模型，然后根據(jù)收集的其他數(shù)據(jù)資料在GIS中構(gòu)建三維地層模型和三維礦體模型，基于GIS技術(shù)將三個(gè)模型疊加，生成三維邊坡模型（見圖2），最終建立了研究區(qū)的三維可視化體系。

2.3 基于GIS的邊坡監(jiān)測

邊坡監(jiān)測指的是通過一定的儀器設(shè)備對邊坡的變形情況（如變形位移、變形方向等）進(jìn)行監(jiān)測，目的是預(yù)防邊坡失穩(wěn)造成的危險(xiǎn)，保證施工前后的安全，防患于未然。朱鵬普根據(jù)測量收集的邊坡數(shù)據(jù)在GIS中建立三維邊坡模型[13]，并在實(shí)際邊坡各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布置信號傳感器，將監(jiān)測點(diǎn)的位置在三維模型中一一精確對應(yīng)，從而在GIS中以可視化的形式時(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡的變化，對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行快速和全面的分析，以便進(jìn)行相關(guān)的預(yù)防和治理，該方法具有省時(shí)、省力且高效等優(yōu)點(diǎn)。黃世秀從地質(zhì)學(xué)角度考慮了盡可能多的影響指標(biāo)[14]，將層次分析法與GIS空間分析結(jié)合，對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，另外采用先進(jìn)的儀器設(shè)備使監(jiān)測的數(shù)據(jù)更為精確，總體上實(shí)現(xiàn)了對邊坡變形監(jiān)測方案的優(yōu)化。

2.4 基于GIS的滑坡預(yù)警

滑坡預(yù)警是邊坡監(jiān)測的一個(gè)延伸，即在監(jiān)測的基礎(chǔ)上加上預(yù)警體系，將GIS應(yīng)用到滑坡預(yù)警中，可以提高預(yù)警的精度和效率。談小龍從兩方面考慮，一是提高極限平衡法模型的精確性，二是基于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)及時(shí)分析、處理，并將這兩方面結(jié)合，通過GIS的支持，形成了一個(gè)具有安全監(jiān)測模塊、計(jì)算模塊和評價(jià)模塊的綜合預(yù)警模型[15]，更好更全面地解釋了邊坡的失穩(wěn)特點(diǎn)，能達(dá)到預(yù)警的目的，在工程應(yīng)用中具有積極的參考價(jià)值。

2.5 基于GIS的邊坡植被防護(hù)

在邊坡的治理中，通常會種植一些植被進(jìn)行綠化，由于邊坡所具有的特殊地質(zhì)條件，這就會使邊坡植被的生長受到不良的影響，因此怎樣對邊坡上的植被進(jìn)行防護(hù)管理成為了亟待解決的問題。周愛芳以孝襄高速公路植被生態(tài)防護(hù)工程為例[16]，基于GIS技術(shù)將所有與此公路邊坡植被防護(hù)的信息以地圖形式展現(xiàn)出來，有利于技術(shù)和管理人員從全局了解邊坡植被恢復(fù)的情況，從而方便了后續(xù)的統(tǒng)籌規(guī)劃工作。

2.6 基于GIS的邊坡支護(hù)方案優(yōu)化

GIS技術(shù)還可以應(yīng)用到邊坡支護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化中，可以使整個(gè)系統(tǒng)更加豐富，更能反映實(shí)際情況。陶麗娜等以普遍極限平衡法（GLE）為理論基礎(chǔ)[17]，在組件式GIS技術(shù)上進(jìn)行了邊坡支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)（SSODS）的設(shè)計(jì)與開發(fā)，將地理信息、工程技術(shù)等有機(jī)地融為一體，并在實(shí)際工程中得到了很好的應(yīng)用。

3 發(fā)展趨勢

3.1 四維GIS

常規(guī)的二、三維GIS不能滿足未來的地質(zhì)工作所需，將三維模型與時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)合，在三維的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維形成四維GIS，可以用于評價(jià)研究區(qū)某時(shí)刻的所有地質(zhì)條件或某段時(shí)間內(nèi)的平均地質(zhì)條件[18]。

3.2 “4S”集成系統(tǒng)

“4S”指GIS（地理信息系統(tǒng)）、RS（遙感）、GPS（全球定位系統(tǒng)）和ES（專家系統(tǒng)）。GPS為GIS提供實(shí)時(shí)的定位數(shù)據(jù)，RS為GIS提供最新的數(shù)據(jù)源，然后用ES進(jìn)行評估，四者形成優(yōu)勢互補(bǔ)。這樣就能更加科學(xué)可靠地分析工程地質(zhì)問題，從而找到解決工程地質(zhì)問題的好方法。

3.3 推演GIS

傳統(tǒng)情況下，為了應(yīng)對工程事故等突發(fā)事件的發(fā)生，有關(guān)部門制定了一些專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，但由于組織難度大、經(jīng)費(fèi)需求高，應(yīng)急效果并不顯著。近年來，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，基于GIS的推演系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。該系統(tǒng)可以將突發(fā)事故點(diǎn)的地形、地貌、重點(diǎn)設(shè)施等空間信息顯示出來，并對救援過程進(jìn)行模擬演練，以便采取最優(yōu)應(yīng)對措施，最大程度上降低損失。

3.4 虛擬GIS

在GIS技術(shù)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)即為虛擬GIS。將虛擬環(huán)境融入GIS中，用戶可以在虛擬環(huán)境中方便快捷地處理分析空間實(shí)體數(shù)據(jù)，如在邊坡研究中，使用虛擬GIS重現(xiàn)邊坡的歷史性狀，模擬邊坡變形失穩(wěn)的過程，展示其未來的變化狀態(tài)，從而更加科學(xué)地進(jìn)行邊坡變形預(yù)測。

4 結(jié)語

（1）本文對GIS技術(shù)作了簡要介紹，討論了GIS技術(shù)在邊坡中的應(yīng)用現(xiàn)狀，GIS憑借其空間數(shù)據(jù)管理和分析的優(yōu)勢及強(qiáng)大的可視化功能為治理邊坡問題提供了良好的技術(shù)手段。

（2）目前GIS在工程地質(zhì)中的應(yīng)用存在不足，如三維GIS在技術(shù)上還有很多問題未解決，沒有統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，無法完全準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體;另外，一些專業(yè)模型與GIS的兼容性差，以及高精度數(shù)據(jù)不易獲取，對分析結(jié)果造成直接影響，這些都使得GIS在工程地質(zhì)中的應(yīng)用面臨著挑戰(zhàn)。

（3）GIS作為一種可以將地質(zhì)信息進(jìn)行有效管理、分析并進(jìn)行輔助決策的便利工具，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的快速發(fā)展，其將越來越廣泛地應(yīng)用于更多工程地質(zhì)問題中。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳述彭，魯學(xué)軍，周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，1999，5.

[2]陳佰成，陳家旺，闕金聲.面向地質(zhì)工程的GIS系統(tǒng)分析[J].西部探礦工程，2004，16（011）：104-106.

[3]鄭炎松，鄧成偉.探析GIS技術(shù)在工程地質(zhì)評估領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（35）：589.

[4]談樹成，趙曉燕，李永平，魏東偉，楊林.基于GIS與信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)——以云南省丘北縣為例[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，54（01）：67-76.

[5]趙俊蘭，趙洪巖.GIS在邊坡工程中的應(yīng)用[A].測繪出版社.《測繪通報(bào)》測繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇摘要集[C].測繪出版社：《測繪通報(bào)》編輯部，2008：7.

[6]劉慶元，韋建超，戴水財(cái).基于GIS的邊坡三維有限元分析前處理[J].礦山測量，2007（01）：29-31+4.

[7]王寶軍，施斌，周匯光，蔡奕.GIS在邊坡有限元數(shù)值分析前處理中的應(yīng)用[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004（01）：128-133.

[8]余國，謝謨文，鄭正勤，覃事河，杜巖.基于GIS的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法研究[J].巖土力學(xué)，2019，40（04）：1397-1404+1412.

[9]王超.基于GIS邊坡穩(wěn)定性評價(jià)與預(yù)測方法研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2018.

[10]段富凱.層狀巖質(zhì)邊坡三維可視化系統(tǒng)研究[D].貴州大學(xué)，2009.

[11]劉紅楓.基于GIS的滑坡三維可視化及危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].華北水利水電大學(xué)，2019.

[12]宋維琦.基于無人機(jī)和GIS技術(shù)的邊坡可視化與穩(wěn)定性研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2019.

[13]朱鵬普.GIS在邊坡監(jiān)測與預(yù)防中的應(yīng)用[J].四川建筑，2008（05）：77+80.

[14]黃世秀.基于GIS的邊坡變形監(jiān)測方案優(yōu)化[J].科技資訊，2018，16（27）：50+52.

[15]談小龍.GIS支持下的大型高邊坡安全監(jiān)測預(yù)警模型研究[J].水利學(xué)報(bào)，2007（S1）：701-705.

[16]周愛芳，章光，胡雙雙.GIS技術(shù)在邊坡植被防護(hù)中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ)，2007（03）：16-18.

[17]陶麗娜，唐勝傳，陳謙應(yīng).基于組件式GIS技術(shù)的邊坡支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（16）：2824-2829.

[18]石琨，楊桂珍.淺談三維GIS發(fā)展的主要問題及趨勢[J].科技與企業(yè)，2014（01）：127.

基金項(xiàng)目：貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（黔科合LH字[2014]7387號）

作者簡介：張澤方（1997—?），男，漢族，河南駐馬店人，碩士，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害防治。