ArcGIS技术在地质灾害信息系统中的应用

ArcGIS技术在地质灾害信息系统中的应用阮俊 郑宝锋 肖兴平 于小芳（中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所 河北保定 071051）摘 要：ArcGIS技术的产生是计算机技术和信息化发展的共同产物，是管理和研究空间数据的技术系统，可以迅速地获取满足应用需要的信息，能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。

此文介绍了ArcGIS技术的应用现状，建立基于ARCGIS技术的地质灾害信息系统的必要性，讨论了基于ArcGIS技术应用在地质灾害信息系统的主要功能及系统结构，并就建立地质灾害数据库和建立地质灾害模型做了初步探讨，对于全面掌握一定范围内可能的自然灾害的分布，预测和预报可能的工程地质灾害，对地质灾害的防护和处理，最终保障社会的安全有着极为重要的作用。

由客观世界到信息化世界的认识和抽象过程以及由信息世界返回客观世界的利用改造过程的发展和转化，创造了良好的条件和环境。

关键字：ArcGIS、地质灾害、信息系统第一作者：阮俊，男，1997年毕业于中国地质大学（武汉）计算机系，工程师，毕业以来一直从事地质灾害系统应用研制及相关软件、相关信息系统开发。

一．前言中国幅员辽阔，地形、地质、气候条件十分复杂，全国地质灾害统计工作量很大。

特别是我国是地质灾害多发的国家，山区常见的滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷、隧道涌水等地质灾害则难以数计，也给社会经造成巨大损失。

虽然国家从事灾害防治的技术队伍力量雄厚，对各种地质灾害的勘测评估、预测、监测、整治等方面，都积累了许多宝贵经验，但看看最近几年的情况就会发现地质灾害仍然严重。

2002年5月，青藏铁路湟源段巴燕站北侧62.9公里处，发生了大面积山体滑坡，青藏铁路交通运输严重受阻； 同年6月湘桂铁路广西桂林路段因大雨造成山体滑坡，铁路被埋，交通中断； 2003年10月京九沿线发水加上陇海线发生山体滑坡，导致北京西站10余趟列车晚点，三千多名旅客滞留车站。

由此可见，地质灾害给国民经济建设和人民生命财产带来严重危害。

地质灾害的防灾减灾仍然任重道远。

对于ARCGIS技术的研究应用，归纳概括起来有二种情况。

一是利用ARCGIS系统来处理用户的数据；二是在ARCGIS技术应用的基础上，利用它的开发函数库二次开发出用户的专用的地理信息系统软件。

目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。

在美国及发达国家，ARCGIS的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。

近年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了ARCGIS应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。

另外，地质灾害防治工作仍处于被动状态的一个重要原因是：缺乏一种以先进技术为依托而建立起系统化的实用、有效的地质灾害防治系统。

地质灾害自然有其难以准确预测预报的一面，但是地灾部门调查手段和管理的落后，往往造成对地质灾害数量、性质、规模、危害程度心中无数或是不完全有数，只是发生一处整治一处的极为被动的局面。

因此建立一套基于用ARCGIS技术的地质灾害信息系统对地质灾害的减灾防灾意义重大，可以使得地质灾害决策管理专家通过ARCGIS提供的信息，全面的掌握可能发生的地质灾害的位置、性质、规模、危害程度、数量、通过合适模型的分析，并得到相应的整治措施，防患于未然；从长远来看必然创造出巨大的经济效益和社会效益。

二．基于ARCGIS技术的地质灾害信息系统的主要功能ARCGIS的产生是计算机技术和信息化发展的共同产物。

是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。

通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。

在地质灾害信息系统中应用ARCGIS技术，可以分解为三个层次来表述（如下图所示），即数据层、逻层层和表示层。

其中数据层用来输入、存储和管理数据；逻辑层用来对地质灾害信息系统中的属性数据进行综合和融合，处理地质灾害信息系统的建模和空间分析；表示层是将地质灾害中的信息展现给用户，提供查询、检索和统计等功能。

1、地质灾害信息数据的输入与存储和管理：输入、存储、管理ArcGIS支持的各种图形、图象数据文件，如ArcView SHP文件，ArcInfo Coverage文件， ArcInfo Grid文件，CAD文件等。

结合SQL输入、存储并管理各种以表格形式存在的属性数据等。

ARCGIS技术在地理空间数据管理中的应用，即以多种方式录入的地质灾害数据，以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、进行快速查询检索，以多种方式输出决策所需的地理空间信息。

目前流行的数据库管理系统，与ARCGIS中数据库管理系统在对地理空间数据的管理上，存在两个明显的不足；一是缺乏空间实体定义能力；二是缺乏空间关系查寻能力，这使得ARCGIS 在对空间数据管理上的应用日趋活跃。

如ARCMAP/INFO在公路管理中的应用；ARCMAP/INFO在对市政设施管理中的应用。

如北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线(包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线)以及测量控制网，规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统。

从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理。

为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。

2、地质灾害信息中数据的空间查询和空间分析功能：实现全图范围内各级单位（部级、局级、分局、段级）所属区域的灾害信息的查询，实现各干线或支线灾害信息的查询；实现按范围方式、图形方式、表格方式的查询，同时将其与图形数据有机联系。

基于ARCGIS平台，系统可建立点、线、面状要素的拓扑关系， 实现系统的统计分析功能，缓冲区分析功能，灾害的危害程度分级显示功能等。

为了便于管理和开发地质灾害信息系统(空间信息和属性信息)，应用ARCGIS技术在建立数据库时是分层处理的。

也就是说，根据数据的性质分类，性质相同或相近的归并一起，形成一个数据层。

这样ARCGIS对单幅或多幅图件及其属性数据进行分析和指标量算。

这种应用以原始图为输入，而查询和分析结果则是以原始图经过空间操作后生成的新图件来表示，在空间定位上仍与原始图一致。

因此，也可将其称为空间函数变换。

这种空间变换包括叠置分析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空集合分析(逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算)。

这方面应用例子有很多，例如在城市规划过程中，对城市中救护车、救火车的分布位置以及行车路线和控制的规划；如何安排多路警车交通路线，以保证在紧急时刻，在任意地方应至少能有一辆警车在事发后最短时间内赶到出事地点；在环境保护方面，对水土流失导致土地资源的破坏进行评价；在区域环境质量现状评价过程中，对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态；在地学方面，MAPARCGIS在油气勘探中和在成矿预测中的应用，解决了肉眼所不能看见的深部构造问题和指明矿产的远景区。

在大都市防震减灾系统中的应用，1994年的美国洛杉机大地震，就是利用RAC/INFO进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用ARCGIS技术建立防震减灾系统的成功范例。

日本建筑署建设研究所、NASDA等政府机构在联合国区域发展支持下，建立了防震减灾应急系统，选用ARC/INFO对横滨大地震的震后影响作出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建筑等图库。

把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机构可以对象神户一样的大都市大地震作出快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。

3、应用ARCGIS技术对地质灾害信息系统中的属性数据进行综合和融合在现有的GIS中，属性数据只是用于检索和查询，或进行简单的统计，难以深入的分析，难以发掘隐含在其中的模式和规律。

在众多项的属性数据中，有时将几个属性项的属性数值加以综合，构成一个具有某领域特定意义的新属性项新属性值，这种综合不是综合前属性数据值的简单反映，也不是它们的孤立集合，而是经过某领域研究人员深思熟虑的综合分析，用数量表示某领域问题的综合概念和结果特征。

国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，我们对研究区进行合理网格大小划分后，利用ARCGIS空间分析功能，求得每个网格单元的各地层、岩体、脉体的面积及相应的面积百分数、各断裂的长度、方向等众多的属性数值，在此基础上，我们用具有特定意义数学模型计算出三个综合属性值，分别为相对熵、断裂的优益度和中心对称度。

用相对熵来考查围岩蚀变组合特征与矿化的关系；在以构造为主要控矿因素的内生矿产中，用断裂的优益度来评价每个网格单元是否有利储矿；用中心对称度来研究和圈定古火山机构、小型等轴状隐伏侵入体等具有放射状断裂体系的环形构造。

地质灾害数据是典型的多源空间数据，它们的数量不一、形式多样；既有定量数据、又有定性文字描述数据，因此在数据融合前，必须统一量化、把定性数据定量化，然后筛选出独立、有用的变量(包括综合变量)，选择相应的数学模型(包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型)和模型单元，确定地质异常临界值大小，根据它对未知单元进行异常圈定和异常评价，最后利用ARCGIS其显示结果。

通过ARCGIS空间叠加分析，对其属性数据值的预处理、筛选、数据融合，利用ARCGIS管理、显示，使其结果的应用范围与利用价值大大提高。

4、ARCGIS技术应用在地质灾害中综合分析评价与模拟预测中（即地质灾害的预测、防治措施）：通过各类地质灾害的预测系统分析获得灾害发生的最佳组合因素，结合当地的历史灾害数据，水文、气候数据，预测其发生的时间、危害程度，并提出防治措施。

应用ARCGIS技术不仅可以对地质灾害中的空间数据进行编码、存储和提取，而且还是现实世界模型，可以将对现实世界各个侧面的思维评价结果作用其上，得到综合分析评价结果；也可以将自然过程、决策和倾向的发展结果以命令、函数和分析模拟程序作用上这些数据上，摸拟这些过程的发生发展，对未来的结果作出定量的和趋势预测，从而预知自然过程的结果，对比不同决策方案的效果以及特殊倾向可能产生的后果，以作出最优决策，避免和预防不良后果的发生。

如美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地ARCGIS。