西藏部分地區(qū)滑坡數(shù)據(jù)綜合分析平臺研究
——以ArcGIS Pro 為例

彭禮鑫*，張 鑫，蘇喚東，達 瓦

(1.西藏大學(xué)，西藏拉薩；2.高原重大基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境研究中心(CPMIE)，西藏拉薩)

西藏自治區(qū)地處西藏高原，青藏高原地震帶西南部，平均海拔4 000 米，是我國地震多發(fā)地區(qū)之一。自然環(huán)境惡劣、地質(zhì)災(zāi)害眾多，其中包括地震、泥石流、滑坡、雪災(zāi)、大風等災(zāi)害，僅川藏公路年均發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害300 多次；西藏全域道路凍融循環(huán)損傷最高多達200 余次。十四五規(guī)劃：“開展災(zāi)害事故風險隱患，排查治理”“建立高質(zhì)量的城市安全系統(tǒng)”習總書記：“要大力加強防災(zāi)備災(zāi)體系和能力建設(shè)，舍得花錢，舍得下功夫，寧肯十防九空，有些領(lǐng)域要做好應(yīng)對百年一遇災(zāi)害的準備[1,2,3]?！北菊n題組于2017 年就著手建設(shè)西藏地區(qū)部分典型災(zāi)害監(jiān)測點，對于滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)警、泥石流災(zāi)害運動過程、滾石災(zāi)害滾石軌跡理論研究相對深入，采用GNSS、土壤含水量傳感器、雨量傳感器等一系列傳感器進行野外災(zāi)害監(jiān)測[4]。由于一些影響導(dǎo)致采集地表位移數(shù)據(jù)樣本容量較小，根據(jù)樣本容量規(guī)格申請國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)進行基于時間序列的RBF 模型訓(xùn)練。本文其余地質(zhì)數(shù)據(jù)根據(jù)以往前人研究者調(diào)研、實驗以及建設(shè)的工程獲取，將基于時間序列的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5,6]模型集成在ArcGIS Pro 軟件中，對滑坡災(zāi)害預(yù)測分析進行進一步整理研究[7,8]，實現(xiàn)一鍵式獲取、自定義一鍵式分析位移變化預(yù)測曲線等功能。

1 ArcGIS Pro 二次開發(fā)

ArcGIS Pro，作為新一代的桌面地圖繪制和分析軟件，被廣大用戶所青睞。它的主要功能包括收集、組織、管理、分析、交流和發(fā)布地理信息，這些功能都可以通過ArcGIS Pro 的多個應(yīng)用程序來實現(xiàn)。ArcCatalog 是ArcGIS Pro 的一個重要組件，它可以讓用戶方便地瀏覽和管理地理數(shù)據(jù)。無論是存儲在本地的文件，還是網(wǎng)絡(luò)上的資源，都可以通過ArcCatalog 進行查看和搜索。ArcToolbox 是另一個重要的應(yīng)用程序，它包含了許多用于處理地理數(shù)據(jù)的工具。這些工具可以幫助用戶進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、編輯、分析和處理等操作。ArcMap 是ArcGIS Pro 的核心應(yīng)用程序，它是一個完整的地圖制作環(huán)境。用戶可以使用ArcMap 來創(chuàng)建和編輯地圖，添加各種圖層，以及進行地圖的布局和設(shè)計。通過使用這些應(yīng)用程序，ArcGIS Pro 提供了多種空間分析工具來生成空間分析。這些工具可以幫助用戶理解和解釋地理數(shù)據(jù)，從而得出有價值的結(jié)論。此外，ArcGIS Pro 還支持70 多種數(shù)據(jù)格式，這意味著用戶可以將各種類型的地理數(shù)據(jù)集成在一起進行分析和可視化。這種靈活性和強大的兼容性使得ArcGIS Pro 成為了地理信息系統(tǒng)（GIS）中的重要工具，也為ArcGIS Pro 二次開發(fā)提供便利。

2 應(yīng)用層設(shè)計

2.1 軟件工具

微軟在2021 年夏季發(fā)布的Visual Studio 2022版本，帶來了更快、更易于使用和更輕量級的特點，專為學(xué)習者和構(gòu)建工業(yè)規(guī)模解決方案的人設(shè)計。這一版本的發(fā)布標志著微軟在軟件開發(fā)領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新和進步。由作者Esri 開發(fā)的ArcGIS Pro SDK for .NET插件中的一系列安裝包，如Proapp-SDK-Migration.vsix 和Proapp-SDK-Templates.vsix 等，將地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS Pro 3.0 與程序設(shè)計軟件Visual Studio緊密結(jié)合到一起。這種緊密的結(jié)合為開發(fā)者提供了更加便捷的開發(fā)環(huán)境，使得他們在使用Visual Studio 進行程序設(shè)計時能夠充分利用ArcGIS Pro 的強大功能。其中，C#編程語言.NET 插件已經(jīng)實現(xiàn)了在ArcGIS Pro 3.0 上的模塊化二次開發(fā)。這意味著開發(fā)者可以通過這個插件對ArcGIS Pro 進行更為簡潔、更加個性化的開發(fā)，滿足不同項目的需求。這種模塊化的二次開發(fā)方式將ArcGIS Pro 二次開發(fā)推向了更為簡潔、更加個性化的行列隊伍，為開發(fā)者提供了更多的創(chuàng)作空間和靈活性。

隨著地理信息系統(tǒng)軟件的迭代升級，ArcGIS Pro 3.1 已經(jīng)十分兼容地加入到.NET 模塊化開發(fā)行列中。這意味著開發(fā)者可以在Visual Studio 中使用.NET 插件對ArcGIS Pro 進行更加深入的二次開發(fā)，充分發(fā)揮ArcGIS Pro 在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的優(yōu)勢。總體而言，微軟發(fā)布的Visual Studio 2022 版本以及與之配套的ArcGIS Pro SDK for .NET 插件，為開發(fā)者提供了更加便捷、高效和靈活的工具鏈，使他們能夠在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域進行更加深入的研究和應(yīng)用開發(fā)。這將有助于推動地理信息系統(tǒng)軟件的創(chuàng)新和發(fā)展，為各行各業(yè)提供更加智能化的解決方案。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

1988 年，Broomhead、Lowe 以及Moody 和Darken將徑向基函數(shù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)終(Radial Basis Function Neural Network，RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))是一類常用的三層前饋網(wǎng)絡(luò)，既可用于函數(shù)逼近，也可用于模式分類。與其他類型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，RBF 網(wǎng)絡(luò)有生理學(xué)基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)習速度快，優(yōu)良的逼近性能和泛化能力等特點。前人研究表明，RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)在一個緊湊集和任意精度下逼近任意非線性函數(shù)。徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)是包含輸入層、隱含層、輸出層的三層前向網(wǎng)絡(luò)，隱含層采用徑向基函數(shù)θ(x)作為激勵函數(shù)，一般選用高斯函數(shù)。隱層神經(jīng)元與輸入層相連的權(quán)值向量Wi和第i 個輸入向量Xi之間加權(quán)乘積WiXi與偏置b 的和作為本身的輸入，見圖1。

圖1 某一個輸入、隱藏層運行實例圖

3 功能實現(xiàn)

3.1 環(huán)境配置

本文是通過按鈕的形式進行迫龍溝滑坡災(zāi)害預(yù)測分析，本文一共構(gòu)建了一個Tab 五個Group 十二個Button 進行滑坡災(zāi)害預(yù)測分析，第一個Button 主要功能是定位至監(jiān)測點，其余Button 都是按點位統(tǒng)一RBF模型各自分析。具體配置步驟如下:

(1) 安裝Visual Studio 2022 并在管理拓展處安裝SDK 插件，見圖2。

圖2 某一個插件實例圖

安裝完畢之后就相當于已經(jīng)構(gòu)建出了Visual Studio 2022 與ArcGIS Pro 的互聯(lián)，對于ArcGIS Pro的功能實現(xiàn)就可以直接通過Visual Studio 2022 內(nèi)部的C#程序直接自定義，自定義結(jié)束后可以通過生成解決方案的方式生成.esriAddinX 文件，進行功能添加至ArcGIS Pro 內(nèi)部永久保存甚至程序移植。

(2) 在Visual Studio 2022 中創(chuàng)建項目，添加按鈕，至此基本環(huán)境已經(jīng)配置成功，見圖3。

圖3 某一個按鈕實例圖

(3) 在添加的按鈕OnClick 函數(shù)中自定義功能，實現(xiàn)滑坡災(zāi)害預(yù)測分析。例如提示信息。

3.2 預(yù)測模型實現(xiàn)

我們使用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架。然后定義輸入和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)集，并使用管道進行訓(xùn)練和評估。在不同應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播、計算損失等操作。

本文選用的是調(diào)用Matlab 程序模型，數(shù)據(jù)選用以國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(National Cryosphere Desert Data Center，NCDC) 提供的長江三峽庫區(qū)秭歸縣白水河滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，2007 年-2012 年歷時5年,共監(jiān)測60 期，訓(xùn)練集與測試集比例為8:2，其中比較關(guān)鍵的代碼如下:

評估模型:

3.3 提示信息

鼠標懸浮至按鈕上方就會顯示該按鈕提示信息，見圖4。代碼如下：

圖4 部分插件運行實例圖

3.4 預(yù)測模型實驗，見圖5 和表1。

表1 效果對比表

圖5 效果對比圖

4 結(jié)論

通過ArcGIS Pro 與Visual Studio 的結(jié)合解決了傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的單一性，拓展了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運行環(huán)境。將ArcGIS Pro 變成不再是一個處理高程、坡度、平面曲率、剖面曲率、坡向、NDVI、NDBI 的傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)軟件，結(jié)合一定量的自定義程序進行數(shù)據(jù)處理拓展。對于小樣本數(shù)據(jù)該模型存在過擬合現(xiàn)象，應(yīng)當優(yōu)化相應(yīng)模型，隨著數(shù)據(jù)集不斷地擴充模型精度將獲得明顯提高。通過程序調(diào)取實現(xiàn)了一平臺多用，大大提高了工作效率。