（地球探测与信息技术专业论文）基于gis的地质灾害多元信息综合评估模型研究.pdf

中南大学硕士学位论文 英文摘要 2 0 0 1 . 3 e s t im a t i o n a n d f o r e c as t o f g e o l o g i c a l d i s as t e r b as e d o n g i s ab s t r a c t d i s as t e r s p r e v e n t io n a n d r e d u c t io n a n d e n v ir o n m e n t p r o t e c tio n a r e a t t a c h e d m o r e a n d m o r e i m p o r t a n c e t o in r e c e n t y e a r s , a n d t h e e s t im a t io n o f d is a s te r i s m u c h m o r e im p o r ta n t k e y w o r k b e c a u s e t h a t t h e w o r k o f t h i s e s t im a t io n is n o t o n ly t h e f o u n d a t io n f o r p e o p le t o r e c o g n iz e t h e s it u a t io n o f d is a s t e r s , b u t a l s o f o r a l l l e v e l g o v e r n m e n t s t o s e t d o w n t h e c o u n t e r m e as u r e s o f d i s a s t e r s p r e v e n t i o n a n d c u r e , t o m a r k o u t t h e d i s t r ic t o f p r e v e n t io n a n d c u r e , t o c a rr y in t o e x e c u t io n m e a s u r e s o f d i s a s t e r s p r e v e n t io n a n d c u r e as w e ll a s t o s e le c t t h e p r o j e c ts o f d i s a s t e r s p r e v e n t io n a n d t o m a n a g e t h e p r o j e c ts . t h e c o n t e n t o f d i s a s te r s e s t im a t io n c o v e r s q u it e b r o a d , a n d t h e a u t h o r j u s t d is c u s s e s t h e e s t i m a t io n o f d i s a s te r s in a n a r e a . i t i s t h e k e y w o r k o f e s t im a t in g a n d f o re c a s ti n g t h e d i s as te r w e l l t h a t h o w t o s o l v e t h e p r o b l e m o f d a t a f u s in g f o r m u lt i- s o u r c e d a t a b e c a u s e o f t h e c o m p l e xi t y o f t h e f a c t o r s t h a t c a n g e s t a te a n d c a u s e g e o l o g i c a l d i s a s t e r s t h e a u t h o r s t r e s s e s a m a t h e m a t ic a l m o d e l t o e s tim a t e a n d f o re c a s t t h e g e o lo g ic al d i s a s t e r s s y n t h e tic al ly b a s e d o n t h e t e c h n o l o g y o f g i s a n d t h e c o u r s e o f r e a l iz in g it in a i n f o rm a t i o n s y s t e m . t h e a u t h o r u s e s t h e m e th o d o f j u d g in g s y n t h e t i c a ll y w it h fi rz z y m a t h e m a t i c s a n d t h e m e t h o d o f a n a ly s i s i n g w it h g r a y r e l e v a n c y d u r i n g t h e c o n s t ru c t io n o f t h is m a t h e m a t ic al m o d e l in t h e p a p e r , m o r e o v e r , t h e a u t h o r i n t r o d u c e s t h e m et h o d o f t w o c l as s d is c r i m in a n c e t o c la s s if y t h e r e s u lt s o f e s t im a t i o n a n d f o re c a s t in g . t h is p a p e r c o n s is t o f fi v e c h a p t e r s , t h e y a r e s u m m a r iz e d as f o ll o w s : i n c h a p t e r o n e , t h e a u t h o r i n t r o d u c e s t h e p r in c ip le o f g i s a n d t h e s it u a t io n o f it s a p p li c a t io n , as w e ll as t h e s ig n i f ic a n c e o f it s a p p l ic a t i o n i n d i s a s t e r s e s tim a t io n a n d f o r e c a s t i n g . t h e a u t h o r d e t a il s t h e w a y a n d m e t h o d t o j u d g e s y n t h e t ic al ly t h e d i s a s t e r s b as e d o n g i s in c h a p t e r t w o . i t s m a in c o n t e n t fi s t s as f o ll o w s : fi r s t ly , t o e x p a t ia t e t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l w it h a n e x a m p l e o f j u d g in g t h e in t e n 勿 o f h i s t o r i c a l d i s a s te r s ; s e c o n d ly , t o t a lk a b o u t th e j u d g e o f la t e n t d i s a s te r s , d a m a g e a b li t y o f c it i e s a n d e x p e c t a t io n lo s s e s as a r e s u lt o f d i s a s t e r s ; fi n a l ly t o d i s c u s s th e m e t h o d o f c l as s if y in g d y n a m ic al l y t h e re s u lt s o f t h e d i s a s t e r s j u d g e . t h e a u t h o r t a l k s a b o u t t h e d a t a a n d it s p r o c e s s e s f o r t h e d is a s t e r in f o r m a t i o n s y s t e m in c h a p t e r 3 . t h e a u t h o r d e ta il s t h e p la n o f t h e w h o le in f o r m a t io n s y s t e m a n d t h e d e t a il d e s ig n o f t h e i n f o r m a t io n s y s t e m in c h a p t e r f o u r . a ft e r t h a t , t h e a u t h o r e v a lu a t e s t h e r e s u lt s 中南大学硕士学位论文英文摘要 2 0 0 1 . 3 b y t h i s n e w m e t h o d . f in a lly , i n c h a p t e r 5 t h e a u t h o r s u m s u p t h e m a t h s m e t h o d , t h e p l a n a n d d e s ig n a n d th e in f o r m a t io n s y s t e m a s a r e s u l t o f t h i s p a p e r . k e y w o r d s : g e o g r a p h ic al i n f o r m a t io n s y s te m , e s t im a t io n a n d f o r e c a s t , c las s ifi c a t io n d y n a m i c a lly , f u z z y m a t h e m a t ic s , a n al y s i s wit h g r e y r e le v a n c y , g e o lo g ic a l d i s a s te r , a r e a j u d g e s y n t h e t i c a lly w it h d iff e r e n t i a t io n a n a ly s i s . 2 0 0 1 . 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 1 . 1 . 1 地理信息系统概述 地理信息系统的定义 地理信息系统是以 地理空间 数据 库为 基础， 在计 算 机软 硬件的 支持 下， 对 空间 相 关数 据进行采集、 管理、 操作、 分 析、 模拟和显 示， 并 采用 地理 模型分 析方 法， 适时 提供多 种空间 和 动 态的 地理 信息， 为 地 理 研究 和 地理 决 策 服务而 建 立起 来的 计 算 甲 l 技术 系 统 u 。 因 此， 地 理 信息 系 统具 有以 下 三方 面的 特征2 i .具 有采集、 管理、 分析 和输出 多 种地理空间 信息的 能 力; 2 .以 地 理 研究和 地理 决 策为目 的 ， 以 地理 模 型方 法为 手 段， 具 有 空间 分 析、 多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高 层次的 地理信息; 3 .由 计算机系统支持进行空间 地理数 据管理， 并 有计 算机程 序模拟常规的 或专门 的 地理分析方 法， 作 用于 空间 数据， 产生 有用信息， 完 成人 类难 以 完成的 任务; 计 算机系统的 支持 是g i s 的重 要特征， 使g i s 得以 快速、 精确、 综合地对复杂的 地理系统 进行空间 定位和动态分析。 地 理 信 息 系 统 按 其内 容 可以 分 为 三 大 类1 -5 i .专 题 地理 信息 系 统: 是 具 有 有限目 标 和 专 业 特点 的 地 理 信 息 系 统。 为 特 定的目 的服务， 如 矿产资 源信息系 统、 水 土流失 信息系统、 环境管理信 息系统等。 2 .区 域地理信息系统: 主要以区 域综合研究和 全面信息服务为目 标， 如我 国 黄河流域信息系统等。 3 . 地理信息 系统工具: 它是一组具有图 形图 像数字化、 存储管 理、 查询 检 索、 分 析 运算 和多 种 输出 等 地 理 信息 系 统 基 本功 能 的 软 件 包。 目 前 地 理 信息系统工具的 研究 还不 够成熟， 在功能覆盖、 应用不 驴口 、 硬件适 应面和使用灵活性上还不能 满足不同 领域不同 层次的 需 要。目 前， 地理 信息 系统z 具 主 要 有: a r c / i n f o , m a p i n f o , m a p g i s , c i t y s t a r , g e o s t a r , i m a g i n e , s i c a d / o p e n , s m a l l w o r l d , a u t o m a p , i n t e r g r a p h , t i t a n g i s 等。 中南大学硕士学位论文 第一 章 绪论 2 0 01 3 地理信 息系 统主 要由 四 个 部 分组 成， 即 硬件、 软 件、 地理 空间 数 据 库和 系 统管理人员。 地理 信息系统的 研究内 容主 要 有以 下三 个方面【卜 5 : 1 . 地理信息系统基本理论 研究: 包括研究地理信息系统的概念、定义和 内 涵; 地 理信息 系 统的 信息 论研 究; 建 立地 理 信 息 系统的 理 论 体系 ; 研究 地 理 信息系统的 构成、 功能、 特点 和任务;总 结地酬言 息系 统的 发展历史， 探讨地 理信息系统发展方向等理论问 题。 2 . 地理信息系 统技术系 统设计 :包括地理 信息系统硬件设计与配置; 地 理空间 数 据 结构 及 表示; 输入 与 输出 系 统; 空间 数 据库 管理 系统; 用 户界面与 用户工具设计:地理信息系统工具软件研制; 微机地理 信息系统的开发等; 3 .地理信息系 统应用方 法 研究: 包括应用系统设计 和实 现方 法; 数据采集 与 校验; 空 间 分 析函 数与 专 题 分 析 模型; 地理 信 息系 统与 遥 感技 术结 合方 法; 地学专家系统研究等。 g i s是信息系统家族的 重要一员， 信息系统是信息时代 最为重要的 基础设 施。 但 是， 信息 系 统的 开 发 却 极 为困 难。 这除了 它要 涉 及方 方 面 面的 专 业知识 外， 还在于 构成 信 息系 统的 软 件具 有复 杂 性、 难于 控制的 特点 。 墨非 m u r p h ) 和卡尔 特汉 ( c al t u h a n )曾 研究了 系统开发的 特点并提出了 以 他们的 名字 命名 的 两 条“ 定 律” (6 1墨 非定 律的内 容是: 工 作比 想象的 更 为复 杂; 花的 时间比 预计 的 更长; 所需的费 用比 预计 的更多; 毛病能 够出到 什么 地方 就一 定会出 到 那个地方。而卡尔特汉定律只青 月句话:墨非是个乐观主义者。 这两条定律说 明，由 于内 部、 外部 环境的 变化 和复杂性，以 及在信息 系统开发 过程中 所涉及 的设备、技术上的复杂性， 造成了 信息系统开发的复杂性。 g i s 是信息系统中 的典 型 代表， 海量 数据、 学 科的 交 叉性、 技术的多 样性是 其突出 的 特点 15 , 7 1 1 . 1 . 2国内 外发展状况 地 理 信息 系 统( 简 称g i s ) 6 0 年 4 t h源于 北 美， 7 0 年 代， 不同 专 题、 不同 规 模、 不同 类型的 各具特色的g i s 在世界各 地纷纷研制， 美国、 加 拿大 、 英国、 西 德、 瑞典 和日 本等国 对g i s 的 研究 均 投入了 大 量的 人 力、 物理、 财力 to- ill 。 美 国 地质调查局发展了5 0 多 个g i s ， 用于获取和处理地质、 地理、 地形和水资源 信 息 ，11 1 . 8 0 年 代 为 地 理 信 息 系 统 的 大 发 展 阶 段， 在此 期 间 ， 地 理 信 息 系 统己 进 入多学 科领域，由比 较简单的、 单一功能的、 分散的 系统发展成 为多 功能的、 用户共享的 综合性 信息系统， 并向 智能化发 展， 应用专家 系统知识， 进行分析、 预 报 和决 策。 9 0 年 代为 地 理信 息 系 统的 用 户h 封吃 。 一方面 ， 在 发 达国 家 地理 信 ， 息系统己 成为许多机构必备的工作系统， 尤其是政府决策部门 在一定程度上由 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 2 0 01 . 3 于 地理 信息系 统影响 而改 变了 现有机构的 运行 方 式、设 置 与 工 作计 划 等12- 14 1 另 一方面， 社 会对地理信息系统的 认识 普 遍提高，需求大幅 度增加， 从而导 致 地理信息系统应用的 扩大与 深化。国 家级乃至全球性的 地理信息 系统已 成为公 众关注的问 题， 例如 地理信息 系统己 列入美国 政环 制定的“ 信息高 速公路” 计 划; 同 美国副 总统戈尔提出的“ 数字地球夕， 战略、 我国 的“ 2 1 世纪 议程” 和“ 三 金 工 程” ， 也 包 括 地 理 信息 系 统 12 1毫 无 疑问 ， 地 理 信 息 系 统 将 发 展 成 为 现 代 社 会最基本的服务系统1 12 - 15 1 地 理 信息 系 统的 研制与 应 用 在我国 起步较 晚， 从8 0 年代 初开 始。以1 9 8 0 年中国 科学院 遥感应用研究 所成立 全国 第一 个地理信息 系统 研究 室为 标志， 在 几 年的 起步 发 展阶 段中 ， 我国 地 理 信息 系统 在 理 论 探 索、 硬 件配 置、 软 件研制、 规 范 制 定、 区 域试 验 研究、 局部 系统 建 立、 初步 应用 和 技术 队 伍 培 养 等方面 取 得了 进步， 积累了 经 验，为 在全国 范围内 展开地 理信息 系统的 研究和 应用奠定 了 基 础1-3 1 。 以 第 七个 五 年计 划 开 卿也 理 信息 系 统 进入 发 展 阶 段。 地 理 信息系 统 研究作为政 用行为，正 式列入国 家科技攻关讨 划， 开始了 有计划、 有 组织、 有 目 标的 科学研究、 应 用实验 和工 程建设工作，已 逐步和国民 经济建设 相结 合， 并 取 得了 重 要 进 展 和 实 际 应 用 效益 14 2 ,51 。 自9 0 年 代 起 ， 地 理 信 息 系 统 步 入 快 速 发展阶段。 执行地理信息系 统和遥感联合 科技 攻关计 划， 强调地理信息系统的 实 用化、 集成化和工 程化， 力图 使地理信息系 统从 初步发展时 期的 研究实 验、 局部 应 用 走向 实 用化 和 生产 化， 为国民 经济 重 大问 题提 供 分 析 和 决 策 依 据(17-2 1) 总 之， 中国 地理信息系统事 业经过十几年的发 展， 取得了 重大的 进展。 地理信 息 系统的 研究和应用正 逐步形 成 行业， 具备了 走向 产业化的 条 件ye -2 5 1 与发达国家相比， 目 前国内与国 外g i s 总体上 还有相当大的 差距， 国内g i s 由于其所需的多 源信息远不及国 外丰富，因此其应用一直处于一个比 圳氏 的水 平上。另外，空间数据库管理系统是国内g i s 的难点所在。 不过，国内g i s 研 究人员已 经全面掌握了g i s 的必需算法及构建思想，值得高兴的是我国已 经有 多 家单 位推出了 独立 j 饭 权的g 工 s 开发 平台 ， 如中国 地质大学的m a p g i s 、 北京大 学的c i t y s t a r 、 武 汉 测绘 大 学的g e o s t a r 以 及华 东 师范 大 学 的g i s 软 件 包等。 近几 年国 内g i s 研究重点 有【 : 3 s 集成、 空 间 对象 数 据 库、 w e b g i s , 栅 格与 矢 量一体化数据存储、空间三维地理信息系统及城市地理信息系统。 1 . 2地理信息系统在地质灾害防治中的研究现状 近年 来， g i s己 在我国自 然 灾害 灾 害防 治 中 的 应用 研究 有 较大 发 展， 在诸 如洪涝、 林火、 地震、 地面 沉降、 滑坡、 泥石流等方 面已 经现出了 许多g i s 的 研究文 章， 也得到了比 较广泛的 应用， 如 水利部、科 学院 建立 的“ 实时洪 水监 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 1 . 3 测系统” 和“ 水灾风险评估 系统” 、 南 京水文资 源研究所研制的“ 长 江防洪决策 支持系统” 等， 在1 9 9 8 年长 江流域特大洪水防治中发挥了 特别重要的作用; 再 如 在大兴安岭地区， 通过普 查、 分 析森林火 灾实 况， 应用了 十 几万个 气象数据， 从中筛 选出 气温、 风速、 降水量等要素， 春秋植被状况和积雪等1 4 个因子， 进 行了多因子综合指标森林火险预报， 其准确率达7 3 %以 上f3 o 在地质灾害 特别是地面沉降、裂 缝、煤层自 燃等灾害的调查和监测、预 报、防治工作中，地球物理方法发挥了巨大的 作用，国内 外都有许多成功的例 子i3 1-33 ) 。 在地质 灾害的区 域性 研究中，国内 外很多 研究者己 提出了 地质灾害危 险 性评价预测方 法和地质灾害发 育程 度分区 方法， 如主 成分分析、 层次分析、 判 别 分 析、 逻 辑 信息 法、 聚 类 分 析 法等 (3 1 -0 7 ) 。 但 研 究方 法 及 成果 可 操 作 性、 适 用性欠佳; 基本上没有可视化、 图 文一 体化效果， 作余 坡、 区 域分析 对比 困 难， 而且 将g i s 技术结 合应用于 地质灾害 防治的 研究 还比 较少， 己 经实 现的 基于g i s 的 可运行 系统只 有安 徽、 湖北、 江西等少数几 个省 份。 为此，引 入 近年 来发展 起 来 的g i s ( g e o gr a p h i c a l i n f o r m a t io n s y s t e m ， 地 理 信 息 系 统 ， 简 称g i s ) 技 术 来处理 地质灾害 信息。 g i s 技术 是计 算机技 术与 地学空间 数 据的 结 合， 通过系 统建立、 操作与 模型 分析， 产生 有用的 高层次 信息， 从而可以 更 加准确地分析 判 断 地 质 灾 害 的 活 动 趋 势 及 危 害 程 度等 (38 - 12 ， 笔 者 试图 在 这 一 领 域 进 行 尝 试 。 1 . 3 课题研究的意义 联 合国 国 际 减灾 十 年 ( i d n d r ) 委员 会在 其 国 际 减轻自 然 灾害 十 年的 灾 害 预 防、 减 少、 减 轻 和环 境 保 护 榜 样 方案 与目 标 中 ， 把灾 害评 估 作为 i d n d r 要具体实现的 三项目 标中的 第一项，说明 开展灾害评估工作具 有极为 重要的 意 义。国 际范围内 如此高 度重视 灾害评估， 是由 于 这项工作不仅是 深入认识灾情 状况的 基础， 而且 是制定防治 对策， 规划防治区 域，实 施防 治 措施以 及 优选防 灾项目 ， 进行 项目 管 理的 基础【q 1 5 1 我国 在一 些领域进行的 灾害评 估，已 经在减灾、 防灾中 发挥了 重要作 用。 例如， 我国 在一 些区域或城市进行的 洪水灾害评 估、 地震灾害 评估等， 不但为 国 家 经 济规划 和 工 程 建设 提供了 重 要 依 据， 而 且 直 接 指导了 减灾 工 作 (3 0) 。 然而 ， 除地震以 外的 地质灾害由于 还没 有进行 系统的评估 研究， 所以 ， 迄今还没有建 立科学实 用的 评估 方 法， 对有关 灾情的认识和对 地质灾害 可能 造 成的 损失基本 上 采用经验比 拟或简单的 统计方 法进行 估算， 不同 部门 或不同 学 者对同 一灾害 得出的 结果 往往相差悬殊，因 此影响了 有关管 理部门 的 科学决 策和加 强地质灾 害的监测与有效防治工作。 湖南省是一个地质灾害的 高 发区， 每年因 地质灾害 给人民 的 生命 财产造成 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 1 . 3 巨 大 的 损失 ， 严 重 阻 碍了 湖 南 省 的 经 济 发 展 w 。 据不 完 全 统 计， 全省自1 9 4 9 年至 1 9 9 8年， 仅滑坡、 泥石流、 崩塌三 类地质灾害造成的 直接经济损失达 8 亿元，因灾死 亡6 7 2 人。 特别是 近年 来灾情更为 严重， 仅1 9 9 1 年至1 9 9 8 年的 8 年间， 经过实地调查落实的 直接经济损失即 达6 . 8 4 亿元以 上， 死亡4 7 1 人， 重 伤1 1 8 人。 地质 灾 害的 主 要 类 型 有 滑坡、 崩 塌、 泥 石 流和 地面 塌陷。 据 近年 调查统计， 全省己 发生较大滑 坡1 6 4 处， 崩塌7 0 处， 泥 石流4 8 条， 地面 塌陷 1 7 9处， 其中 滑坡以 怀化、 张家 界、 常德、 湘西自 治州、 邵阳、 娄底等地区发 育程度较高， 而涟源、娄 底、 邵阳东 等矿区 地带，由 于 大面 积的 地下 采空， 矿 坑大量排水， 导 致地面出 现大面积塌陷。 在洞 庭湖地区， 泥沙淤积 最为 严重， 淤积量平均每年达0 . 9 6 亿立方米， 每年湖底淤积高3 . 7 厘米， 从而导致洞 庭湖 湖面 大 面 积缩刁 i+s l 。 因 此， 进行 地 质灾害的 评 估 研究 既 具 有理 论 意 义 ， 也具 有 重要的实用价值。 在以 往的 地质灾害 研究中 主要集中 在对某一灾害 点的 单点评估 和预 测， 井 有较多 成功的 例子， 而对灾害的 区域性评价 预测 研究则因为 其复 杂 性和技术上 的 局 限 性 而 难以 应 用于 实 际 8 ,9 1 。 近几 年 来， g i s 这门 新 兴 的 学 禾 随步 应 用到 地 学行业中， 给地质灾害的 防治 提供了 一 种强有力的 手段， 它可以 将有关地质灾 害 形成的 物探、 地形地貌、 地质、 气象、 遥感等 参数以图 形 数字化 形式 表达 ， 使灾害 危险 性分 析更加快捷、 精确 ， 所获取的 数据能够有效 地存储、 处理、 调 用 和 修改石 洲。 同 时， g 工 s 技术 建 立 地 质灾 害综合 调查 信息 系 统 对 有 关 部门 全面 掌 握 湖 南 省 地 质 灾 害 的 现 肤相当 紧 迫 (9 5,9 6 1 。 通 过g i s 的 空 间 分 析 、 统计 分 析， 为灾前预测、 灾中 救援、 灾后治理提供 最全面、 及时、 准确的灾情数据和文档。 从而 全面 提高 湖南省防 大灾、 抗大险的能力， 减少因 地质灾害 而 造成的 损失。 本文的课 题研究 来源于 湖南省自 然灾害 遥感综合调查 项目 ， 取 其中的 地质灾害灾 情资料作为 本文研究的 主要数据源。 湖南省自 然灾害遥感综合调 查 是 有国 家计 委国 土司以 计国 土函 1 9 9 7 2 0 号 文 下 达的 湖南 省国 土资 源遥 感综合调查项目 的二级课题。 1 .4本文的主要工作 本文旨 在又 ) 湖南 省地质 灾害 进行 客 观分 析、 总 结 规 律的 勤出 上 解决 地质灾 害灾清 综合评估、预 测及其分 级中的 多 源数据的融合问 题， 并 将该 数据融合技 术 应用于 湖南省地质灾害 综合评 估与 预测， 从而 建立起湖南 省 地质灾害综 合评 估及预 测 信息系 统。 地质灾害 综合评 估及预测 信息系统的 研究 是一项复 杂的系 统工程， 其数据源包括 地球物理资 料、区 域地质 构造资 料、 气象资料、 遥感影 像、 综 合性 野外地质灾害调查的灾 情资 料等， 研究 手段涉及 模糊 数学 综合评判、 中南人学硕士学位论文 第 一 章绪论 2 0 0 1 . 3 数理统计分 析、 空间 数据融合与 特征 提取、软 件工程、 数据库技 术和面向 又 像 的程序设计。 具体来讲，本文的主要内容包括: 1 、掌握和分析湖南省的 灾害的现状及其孕灾、 致灾因素， 在研究灾害发 生 机制的基础上， 将 模糊数学综合评判方法和灰关联分析方法相结合 应用于 地质灾害的 区域研究，并构建出 地质灾害 危险性综合评估的预 测分区模型。 2 、分析计算湖南省各县市的 经济状况和承灾能力， 作出 湖南省各县市的 灾害易损性分区， 然后结合危险 性评估分区 作出了 灾害预期损失的 等 级分区。 3 、将数理统计中的判别 分析方 法应用于地质灾害综 合评估指数的分类判 别，并结合传统的 灾害级别划分方 案， 实 现了 更加符合实际 情况的 地 质灾害灾情等级的动态分级。 4 、应用软件工程的设计方法一生命周期法和面向对象技术一 a d iv e x技 术开 发出地质 灾害综 合评估及预 测信息系统， 初步实 现了 地质灾害各 种区域评估的动态分区。 1 . 5 本章小结 本章首 先简 要地引 述了 地理信息系统的 基本原理、 技术 特点、主要研 究内容、 地理信息系统的 发展历程、国内 外研究 现状及 其当 前 地理信息系 统 研究的 技术 热点 和关 键技 术。 总 结了 地 理 信 息 系 统 在自 然 灾害 防 治中 的 应用状况， 探讨了 地理 信息 系统技术应用于 地质灾害 区域 评估及预 测的 可 行性、必 要性和该 项研究的 意义。而 后 对该 项研究 所涉及的内 容和步骤进 行了规划。 第二章 基于g i s 的地质灾害评估及预测原理 中南大学硕士学位论文 2 0 0 1 3 第二章基于g i s 的地质灾害评估及预测原理 陈述彭院士 在论 述地理 信息系 统发展时强 调了 对于 地球信息基 础理论的 研 究，并 指出 地球了 言 息基础理论的 实 质内 容: 地理信息 系统已 不仅仅限于 研究 物 质流与 能量 流的 信息载体， 而且 包 括研究 地学信息流程的 动力学 机理与时空 特 征、地学信息传输机理及其不确定性 ( 多解)与可预见性等;并认为: g e o - i n f o m a t ic : 不同于g e o m a ti c s ，在于这个 “ i n f o ， 还包捌r 多地学规律，其 分 析 模 型 必 须以 地 学 为 基 础a s 。 作 为 地 学 研 究 的 州叫 寺 例， 地 质 灾 害 综 合 评 估 研究 涉及到复杂的多 种地质 环境信息， 如 何融合 这诸多的 信息源并作出 符合实 际 的评 判正需 要总结 地质灾害的 发生机理和孕灾、 致灾 规律1幻 祠。 地质灾 害的发生发展是由 诸多 环境因 素综 合作用的 结果， 而这些因 素都是 在 特定的空间 位置下产生的，传统的 数理统计方法难以 考虑因为空间位置的不 同 而 孕灾 环 境 产生的 影响 4 1,4 2 1 ， 而 且 数理 统计 的 方 祛都 是 静 态的 分 析方 法， 不 可能 根 据 考 察者自 己 的 观点 即 时 士 山寸 灾害的 严重 程 度进 行预 测 和区 划。 但是， 利用g i s 的 空间 分析功能就可以 很容易 地实 现这一点 14 7 ,4 8 1 下面， 具体地分析基于g i s 的 地质灾害预测分区方 法。 设计 思路为:首 先 基于 模糊数学的 知识 建立 起多 源信息 融合的 数学模型; 然后， 在该数学模型的 基础上， 利用g i s 的 分析1 力 能动 态地获取数学 模型中 所涉及到的 参数; 最后将 这些动 态参 数与 数据库中的 相关 属性 数据 代入到 分区 模型中 去， 从而计算出 每 一个地质灾害 等级评 价单元的 灾 情指 数， 再根据灾害 等级的 划分标准即 可得到 每一个 评价单元的灾清 等级， 并 可以 用g i s 制作专 题图 功能的即 时生成地质灾 害等级分区图。 危险性评估及预测方法 地质灾 害的 危险 性评价 涉及到 两个方 面， 即 历史 灾 害 强度 和潜 在灾 害 强度 。因此， 首先要计算出每一个评价单元的 历史灾害强度等级和潜在灾害强 2.1网 度等 级， 然 后， 再在 此 基础上 综 合 评价 每 一 个评 价 单 元即 县 级 行 政单 位的 地质 灾害 危险性， 最后根 据危险胜 等级 作出 危险 性分区 专题图。 构建 模型 是进行区 划的 基础， 本文 拟用基于g i s 的 模 糊数学 综合评判 法对 湖南 省 各县 市的 地质灾 害危险程度进行评价。 基于 地理信息系统的 地质灾害综合评价 需要 进行以 下 工作: 数据 处理及入 库、数据运算和空间分析、模型运算，其工作流程图如图2 . 1 所示。 中南大学硕士学位论文 第二章基于g i s 的 地质灾害评估及预测原理2 0 0 1 . 3 危险程 度分区图 强 度综合及专题制作 模型运算 图 形数据 图2 . 1 基于g i s 属性数据 的分区流程图 一 数据预处理 数据准备工作包括图形数据和与图形对象相关的属性数据两方面的准备 工作。 对图 形数据的处理步骤如下: a . 基本图 件的收集; b . 图 件的地理坐标配 准; c . 分 层矢量 化各类地理图 和地形图 并 进行刘 象地理编 码。 属性数据的 准备 工作 包括属性数 据的 收 集和构建属性 数据库， 属 性数 据中 既 有定量的 数据又 有 中南大学硕士学位论文 第二章 基于g i s 的地质灾害评估及预测原理2 0 0 1 . 3 定性的 数据，为便于计算和分析需要 对定性的 数据定级打分使之数量化，而己 经数量化的 数据则需要正规化，具体方 法与步骤将在下面 具体叙述。 二空间分析及属性数据运算 由于 在数据入库时 属性数据和图 形数据己 经建立起了 一 一 对应关 系， 因 此， 现在可以 对属性 数据和图形 数据 进行比 较复杂的 联合操作， 即 对各个 相关的图 层进行空间 分析操作，同时作出 对空间 分析的结 果图 层的属 性数据的 编辑和更 新， 从而 得到可以直 接代入 模型 进行 运算的 模型 参数。 具体内 容涉及到: 在各 类矢量图 形的基础上利用g i s 软件的 编辑功的差 行点、线、 面单个图 形对象的 增、 删、 改、 分割、 合并; 对 各个图 层中的 所有刚 象进行 特征 提取、 叠置 分析、 缓冲区 分析等空间分析操作，这样不 仅可以 动态地生成各种中间 性专题图 件如 地质灾害的自 然因素综 合强度分区图、 社 会经济状况 分区图 等， 而 且可以 灵活 地对分区 进行合并 删除等操作， 最终结果更能够满足实际 需要。 2 . 2灾害等级评价的数学模型 危险性分区的数学模型的 建模方案拟采用模糊数学的分区方法，这是因为 地质灾害的 许多 环境因素是难以 量化的 模糊评 语， 如构 造比 较发育、 地层岩性 较坚 硬等， 而且地质灾害的 诸多 影响因 素的综 合评 判也 可以 用模糊数学的方 法 得 到 很 好 的 解决 (4 9 5 1) 。 值 得 注 意的 是: 无 论是 历 史 强 度的 评 价、 潜 在 强 度的 评 价， 还是地质灾害的 点评价及预 测都同 属于 不确 定性问 题的 综合评判， 因此都 可以 采 用模糊数学 综合 评判方法加以 解决， 下面以 对地质灾 害历史强度 的评价 为例叙述模糊数学综合评判方法的内容和步骤。 2 .2 . 1模糊数学基本概念 模糊数学 ( f u z z y ) 诞生于1 9 6 5 年， 它的 创始人 是美国自 动控制专家查德 ( l . a . z a d e h ) ， 模 糊 数 学 于7 0 年 代 初 引 进 我 国 【491 洲门 的 日 常 生 活 中 存 在 着 很 多 模糊性的 现象， 例如 “ 高个与 矮个” 、 “ 我喜 欢或我比 较 喜欢” 等 等， 模糊 数学就是用数学方法研究这种具有 “ 模糊性”的 现象的 数学。 隶 属函 数: 隶 属函 数 是描 述模 糊 性的 关 键， 隶 属函 数的 取 值为。 u ( x ) 5 0 泥石流 ( 次/ 1 0 a )没 有 灾 害记录 i 2 1 01 1 -5 0 5 0 地 面塌 陷( 次/ 1 0 a )011 2 - 5 6 - 1 0 1 0 密度m 崩塌、滑坡( 处 / 1 0 、矿 ) 01 - 23 - 56 - 1 01 0 泥 石 流(处 / i o k m 2 ) 0i23 巧 5 岩溶塌 陷 ( 处 / 1 0 场n ) 0123 巧5 中南大学硕士 学位论文 2 0 0 1 . 3 第二章 基于g i s 的地质灾害评估及预侧原理 第二层次 第三层次 图2 .2 历史灾害强度模糊综合评判层次图 中南大学硕士学位论文 第二章 基于g i s 的地质灾害评估及预测原理2 0 0 1 . 3 由此，地质灾害历史强度因子的论域为: u 盛笼 规 模， 密 度， 频 次 = ( u l ,u 2 , u 3 ) 历史灾害强度等级的论域为: v a 无灾区，轻度灾区，中度灾区，重灾区，极重灾区) = i ， i i ， i i i , i v , v ) 二、单因子评价历史灾害强度 所谓历史强度等级评价就是研究论域u中 历史灾害评价因子模糊集a 和 论 域v上 历史 强度等级模糊集b 之间 的关系。 若假定u上评 定因 子 模糊子 集 为: a = a l + a 2 + a 3= - - - ( 2 -1 式) s1 s2 s3 s i , s 2 , s 3 表 示 灾 害 因 子 ， a l , a 2 , a 3 表 示 因 子 权 重 。 同 样， 评 价 等 级 的 模 糊子集b为 : b 二 b 3 b 4 b 5 + + i i i i v v ( 2 -2 式) 显 然， 在历史 灾害强度等级论 域v与粉 剧 介 因 子论 域u 之间 存在一种模糊关 系。这种关系可用3 x5 维模糊矩阵来表示: i t i i t t 1 v v .lesesesesesesesesj 15乃35 r尹r r1 1厂1 2尸1 3产1 4 厂lesesesesesesesesesesl 1内气j 555 r=r2 1 r2 2 r2 3 r2 4 ( 2 -3 式) 尹3 1犷3 2犷3 3了3 4 其 中 ， r= n a ( u 1. 刃， 其 计 算 方 法 如下: ( 一) 、计算单因子与历史灾害各评价等级的 模糊关系 下面以 单因 子历史灾害 规模g 为例推论单因子与 历史灾 害各