邊坡信息管理及穩(wěn)定性評價系統(tǒng)的研發(fā)

占森方 李元松 陶文華 陳 陣 楊毛毛 姜 珊

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

邊坡失穩(wěn)問題對人類生命財產(chǎn)造成了重大損失，也對交通、自然環(huán)境造成了極大破壞。邊坡信息繁雜，包括影像信息和文本信息，普通的管理手段難以進行統(tǒng)一、有序地管理；邊坡失穩(wěn)破壞是一個復(fù)雜的過程，針對不同的邊坡破壞模式，應(yīng)采用不同的分析方法來計算其穩(wěn)定狀態(tài)，然而各種評價模型既有定性指標、又有定量參數(shù)，同時涉及到大量的理論計算，一般工作人員難以熟練掌握［1］。因此，對邊坡信息進行統(tǒng)一管理，通過科學(xué)、簡便的方法，準確、快速地給出邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，并為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護方案，具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，隨著自動化、信息化的發(fā)展，逐步有專家學(xué)者對邊坡數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)［2］、邊坡穩(wěn)定性評價系統(tǒng)［3-4］進行研究，但對空間數(shù)據(jù)庫、空間分析功能研究較少。本研究通過ArcGIS、SQL Server、ArcSDE、Visual Studio等工具，開發(fā)邊坡信息管理及穩(wěn)定性評價系統(tǒng)（Slope Information Management and Stability Evaluation System，SIMSES），實現(xiàn)圖形可視化、空間分析功能，對邊坡空間信息和屬性信息進行統(tǒng)一管理，提供信息儲存、檢索、輸出等功能；集成多種邊坡穩(wěn)定性評價方法，系統(tǒng)按邊坡類型為用戶推薦評價方法，用戶僅需輸入邊坡參數(shù)即可進行穩(wěn)定性評價，大大降低了邊坡穩(wěn)定性評價難度，并提高了工作效率，評價完成后即可實時將評價結(jié)果儲存進數(shù)據(jù)庫中。

1 系統(tǒng)需求分析與設(shè)計

1.1 功能需求分析

邊坡信息管理及穩(wěn)定性評價系統(tǒng)的研發(fā)是以G0711烏尉高速公路勘察、設(shè)計工程為依托，主要服務(wù)于從事工程地質(zhì)勘察的技術(shù)與管理人員，進行邊坡信息管理、邊坡穩(wěn)定性評價，并推薦不穩(wěn)定邊坡的治理方案，同時也可供內(nèi)業(yè)整理、領(lǐng)導(dǎo)了解工程進展，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)。

為滿足以上需求，SIMSES需具備系統(tǒng)信息管理功能、工程管理功能、邊坡信息管理功能、邊坡穩(wěn)定性評價功能、推薦邊坡支擋與防護方案功能、生成報告功能等，系統(tǒng)功能模塊設(shè)計如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

邊坡信息管理及穩(wěn)定性評價系統(tǒng)應(yīng)滿足圖形可視化和空間分析功能，因此SIMSES基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）進行二次開發(fā)，GIS是一種特定的空間信息系統(tǒng)，它以數(shù)據(jù)地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對地理信息的輸入、存儲、查詢、分析、管理和顯示，GIS技術(shù)將抽象數(shù)據(jù)和客觀世界緊密地聯(lián)系在一起，將圖像和屬性建立關(guān)系。

系統(tǒng)開發(fā)模式一般采用C/S（Client/Server，客戶機/服務(wù)器）架構(gòu)或B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，C/S架構(gòu)相對B/S架構(gòu)來說開發(fā)周期短，安全性、交互性、可拓展性更強，處理信息、運行速度更快，因此采用C/S架構(gòu)開發(fā)SIMSES能更好地實現(xiàn)其實用性、可靠性、先進性和可擴充性，并且具有統(tǒng)一的接口標準和信息管理體系。

邊坡信息具有海量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，SQL Server是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具備強大的數(shù)據(jù)管理能力，ArcSDE是企業(yè)級空間數(shù)據(jù)庫引擎，不僅能創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫，并且能連接空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向查詢，因此，SIMSES采用SQL Server和ArcSDE開發(fā)并管理數(shù)據(jù)庫。Visual Studio C#是一個現(xiàn)代的、通用的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，使用C#語言開發(fā)的程序具有更高效率并且可以在多種計算機平臺上編譯，因此SIMSES基于VS.Net平臺使用Visual Studio C#語言進行程序開發(fā)。SIMSES整體架構(gòu)如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計

SIMSES基于G0711烏尉高速公路勘察、設(shè)計、施工階段的資料設(shè)計屬性數(shù)據(jù)庫，屬性數(shù)據(jù)庫主要儲存工程資料、邊坡勘察信息、邊坡穩(wěn)定性評價信息等，按實體關(guān)系模型對數(shù)據(jù)進行拆分、歸納后儲存在相應(yīng)的表中，通過對每個表設(shè)置主鍵（primarykey）來保證其唯一性，并且基于主鍵生成索引以對數(shù)據(jù)進行儲存、檢索、修改、更新、刪除等操作。SIMSES實體關(guān)系模型如圖3所示。

2.2 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

邊坡具有海量空間信息，傳統(tǒng)的管理手段繁瑣且低效，難以完整地描述地理實體，因此開發(fā)邊坡空間數(shù)據(jù)庫，管理邊坡空間信息并實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)圖形可視化，便于工程人員直觀地查詢，幫助工程人員判斷、決策，以進行資源調(diào)度。ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎可以為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義一個開放的接口，它允許Geodatabase在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中儲存、管理其空間數(shù)據(jù)［5］。SIMSES通過ArcSDE創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫并使其與SQLServer連接，將空間數(shù)據(jù)與前文提到的屬性數(shù)據(jù)一同儲存在通過SQL Server所創(chuàng)建的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的外鍵（foreign key）建立參照關(guān)系，使用Geodatabase中的關(guān)聯(lián)類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，地理信息數(shù)據(jù)管理邏輯如圖4所示。

3 系統(tǒng)功能開發(fā)及實現(xiàn)

3.1 邊坡穩(wěn)定性評價

3.1.1 模塊功能

邊坡穩(wěn)定性評價功能是SIMSES的核心功能，其主要流程為選擇邊坡→選擇邊坡工程類型→選擇邊坡材料類型→選擇邊坡評價方法。邊坡選擇有直接在底圖中點選邊坡圖層和條件查詢2種方式。針對不同類型的邊坡應(yīng)使用不同的評價方法，SIMSES采取多種邊坡穩(wěn)定性評價方法：極限平衡法（直線滑動法、瑞典圓弧滑動法、Bishop法、剩余推力法）［6］、［BQ］巖體質(zhì)量分級法［7］、模糊綜合評價法［8］和赤平極射投影法［9］。根據(jù)邊坡類型，系統(tǒng)自動篩選出適宜的評價方法。邊坡穩(wěn)定性評價功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.1.2 實現(xiàn)技術(shù)

（1）點選邊坡要素。通過Point Class類函數(shù)實例化一個點，并將該點作為拓撲算子，以此進行要素選擇。

（2）評價方法篩選。對邊坡工程類型、邊坡材料類型進行聯(lián)合篩選確定評價方法，篩選出評價方法后由子窗體（選擇邊坡類型子窗體）將篩選數(shù)據(jù)（string類型）通過數(shù)據(jù)傳參技術(shù)傳至父窗體（系統(tǒng)主界面）并進行實時更新顯示。

（3）評價方法實現(xiàn)技術(shù)。以模糊綜合評價法為例，通過SQLSELECT語句從數(shù)據(jù)庫中查詢待評價邊坡的相關(guān)信息并顯示在模糊綜合評價界面中，將模糊綜合評價算法通過C#編程語言寫入程序中評價邊坡穩(wěn)定性，評價完成后通過SQL INSERT語句將評價信息儲存進數(shù)據(jù)庫中。

3.2 支擋與防護方案

不穩(wěn)定邊坡一旦失穩(wěn)，將對工程建設(shè)產(chǎn)生巨大不良影響，甚至造成重大損失，因此需要對不穩(wěn)定邊坡采取有效的防治措施。SIMSES支擋與防護方案功能模塊可以為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋結(jié)構(gòu)形式、坡面防護方案和排水方案。以支擋結(jié)構(gòu)形式為例，支擋結(jié)構(gòu)形式篩選分為2步：根據(jù)邊坡工點的工程地質(zhì)條件、穩(wěn)定性評價結(jié)果，考慮所在地區(qū)、設(shè)置位置、物質(zhì)組成、地基性質(zhì)、地面坡度、場地環(huán)境、安全等級等因素初選多個支擋方案，然后從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、環(huán)保、安全等角度，采用模糊綜合評價法對初選支擋方案進行優(yōu)選。

3.3 綜合信息查詢

（1）模塊功能。SIMSES可以對邊坡相關(guān)信息進行查詢、修改、新增、刪除等操作，工程人員可以根據(jù)工程進度、實際情況實時管理、更新邊坡信息。依據(jù)綜合查詢結(jié)果，生成簡易報表并輸出打印，可供管理實時了解工程進展，為決策提供依據(jù)。

（2）實現(xiàn)技術(shù)。通過SQL SELECT語句檢索數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)查詢功能，通過SQL INSERT語句向數(shù)據(jù)表中插入新的行，實現(xiàn)新增、保存功能，通過SQL DELETE語句刪除數(shù)據(jù)表中指定的行，實現(xiàn)刪除功能，通過SQL UPDATE語句修改數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)修改、更新功能。生成報表實現(xiàn)步驟：建立Word書簽?zāi)０宕娣旁诔绦虻?inDebug目錄下；利用SQL SELECT語句查詢數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)；配置XML書簽文件，將查詢出的數(shù)據(jù)替換Word模板中的書簽并生成新的Word文檔。

4 工程應(yīng)用

G0711烏尉高速公路位于烏魯木齊市西南，地勢起伏大，穿越地區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，地處典型“三高”地區(qū)。邊坡信息管理及穩(wěn)定性評價系統(tǒng)直接應(yīng)用于烏尉公路地質(zhì)勘查、工程建設(shè)階段，沿線共調(diào)查了36個邊坡，使用SIMSES管理邊坡勘察信息，評價邊坡穩(wěn)定性，并為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護方案。

SIMSES以工程項目為單元進行管理，同一工程所有的邊坡勘察、評價資料等，都集中在同一工程文件中。新建一個工程項目，導(dǎo)入研究區(qū)柵格圖或矢量圖，使用空間編輯功能在底圖上繪制邊坡圖層，使用邊坡信息管理功能錄入邊坡勘察信息。對邊坡穩(wěn)定性進行評價，在底圖點選待評價邊坡，系統(tǒng)根據(jù)邊坡類型推薦評價方法，從數(shù)據(jù)庫中檢索邊坡信息，將計算所需參數(shù)提取到穩(wěn)定性評價界面中，用戶輸入定量參數(shù)或定性指標，即可評價邊坡穩(wěn)定性，圖6為使用模糊綜合評價法評價邊坡穩(wěn)定性的結(jié)果。為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護方案，用戶在功能界面選擇影響因素，進行方案初選，完成后在隸屬度表中輸入技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保因素的隸屬度，進行優(yōu)選，為用戶推薦最佳方案。

對研究區(qū)36個邊坡進行穩(wěn)定性評價，其中2個處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，22個處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，12個處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)評價結(jié)果與工程實際情況高度一致，為潛在不穩(wěn)定及欠穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護方案，取得了良好的防治效果。由此可見，該系統(tǒng)能準確地進行邊坡穩(wěn)定性評價、為不穩(wěn)定邊坡推薦防治方案，可以作為用戶對邊坡進行信息管理及穩(wěn)定性評價的平臺。

5 結(jié) 語

針對邊坡信息管理與邊坡穩(wěn)定性評價的問題，對ArcGIS進行二次開發(fā)，通過SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎開發(fā)數(shù)據(jù)庫，對邊坡空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，并將二者關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)圖形可視化和空間分析功能；通過Visual Studio C#編程語言將邊坡穩(wěn)定性評價方法、支擋與防護方案篩選寫入程序中，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性評價、支擋與防護方案推薦的自動化、智能化、快速化，為工程建設(shè)中邊坡信息管理、穩(wěn)定性評價、防護決策等問題提供可靠的技術(shù)支持。系統(tǒng)應(yīng)用于烏尉公路地質(zhì)勘查、工程建設(shè)階段，各功能運行良好，達到用戶需求。