基于gis地震地面破坏预测系统的初步

基于GIS地震地面破坏预测系统的初步研究摘要：目前GIS正广泛应用于我国城市防震减灾领域，但多数集中于结构震害预测、损失评估、应急指挥系统的应用，在岩土体的地震破坏方面却鲜有研究。本文对基于GIS地震地面破坏预测系统进行初步研究，内容包括以下几方面：（1）介绍了GIS在岩土工程中的应用现状及技术优势以及面临的困难和难点；（2）提出基于GIS地震地面破坏预测系统的总体结构和设计思路；（3）给出了系统分析模型，包括时空分析模型和区划分析模型，以实现地震地面破坏分析预测功能；(4)给出地震地面破坏预测系统数据库设计的规划，包括数据采集、空间坐标和数据结构。关键词：GIS，岩土工程，地震地面破坏引言我国是全球大陆地震灾害最严重的国家，严重的地震灾害给人民生命财产和国民经济带来重大损失。减轻地震灾害直接关系到国家发展、社会稳定和人民生命财产安全。然而，地震预报这一世界难题远未解决。与此同时一种用于获取、存贮、更新、查询、操作、分析和显示输出空间相关信息的地理信息系统（GIS），以其强大的数据管理和有效的分析功能在各个领域中得到广泛的应用。因此，目前我国正广泛建设基于GIS的城市防震减灾信息系统，但多数集中于震害预测、损失评估、应急指挥系统的研究与应用，而土体的地震破坏却鲜有研究。也就是说，目前大多说研究只考虑建筑物的抗震水平，并没有考虑地震时砂土液化震陷、软土下沉等地震地面破坏引起的建筑物倾斜倒塌所造成的损失。随着国民经济的蓬勃发展，工程建设的步伐和规模都以前所未有的速度展开，大量的建设项目使得工程勘查的规模在深度和广度上都达到了相当的规模，这些勘察成果是十分宝贵的土层信息资源，有着很高的重复利用价值。由于勘察、设计中常常分散作业等一些原因，基本上没有实现数据共享，上道工序的出口数据不能作为下道工序数据的入口，耗时费力，又易出错。于是不得不借助与GIS技术来构建相应的工程勘察信息管理系统，实现对工程地质信息系统进行全面有效的管理，使其死资料变成活信息，实现地学资源信息共享。本文基于这种情形受到启发，进行了基于GIS地震地面破坏预测系统研发的初步研究工作，以实现辅助地震灾害预防和地震应急指挥决策以及支持工程场址选择等，达到地震灾害的防御目的。1GIS在岩土工程勘察设计中的应用1.1GIS在岩土工程勘察设计中的应用发展美国PeterDouglasC等（1989）用GIS对工程数据进行分析评价，并取得良好效果。1989年和1991年美国科学基金会于联邦高速公路管理处利用GIS建立了美国岩土工程试验现场信息系统，该系统对美国所有岩土工程试验现场所得的数据进行处理、管理、演示及输出、1997年加拿大的TrevorJDavis和CPeterKeller，运用GIS的最新技术——模糊分类和虚拟现实技术，再现斜坡的形态，从而为工程勘察及评价提供依据。姜云和王兰生利用GIS的信息存储、查询、空间叠加运算等功能，作出土地能力定量分级和斜坡稳定性综合评价分区图。南京大学地球环境计算机工程研究所应用三维地质建模技术，对某工程进行三维地质分析，并通过数据转换接口，将其移入GIS数据库中进行各项空间分析，从而为工程设计和施工提供依据。北京理正软件设计研究院开发的工程勘察软件已经在勘察行业得到了广泛的应用。同时，北京理正软件设计研究院在自主版权的GIS平台(1eadingGIS)基础上开发了理正地理信息系统——地质GIS，该项成果通过建立三维数字地质模型，实现对海量地质数据的科学管理与有效利用，直接为规划、城建、交通、水电、资源等行业的管理决策提供全方位服务。研究中建立了地下三维数字地质模型和针对地质、勘察需求的大型地质数据库，实现了工程勘察专业软件与该系统间的无缝连接，具备了地质、勘察、岩土专业的强大分析与管理功能，兼具应用型和工具型GIS的特点。1.2GIS应用于岩土勘察设计中的优势与难点目前,岩土工程勘察设计中CAD是应用最广、开发程度最深的软件。CAD主要完成设计中的数值计算和全部设计文件的编制与工程图的绘制等任务。而设计的前沿的核心问题，如方案设计、设计中的综合评价等经验性工作，现在开发的CAD软件远不能胜任。一些设计软件功能较少，常为单一功能者居多，很难实现网络化和数据共享以及综合化分析，而GIS常能解决这种问题。在主要功能方面GIS具有较强的地图数据处理和数据库管理能力以及图像的叠加功能，可对空间数据和属性数据进行综合管理。GIS中，空间数据和属性数据几乎是同时处理的，如果用户修改空间数据，GIS则修改相应的属性数据，这在CAD中是困难的。同时GIS具有强大处理空间问题的能力和综合评价和预察功能，而CAD无法解决许多空间问题，如设计中的综合评价等。GIS同时还具有三维地理图的能力。如，ArcInfo中的三维分析的TIN模块，是一个专门的地表模型生成、显示、分析模块，它可以生成不规则三角网并进一步产生地表模型，对三维地表模型进行显示分析，如三维渲染、剖面提取、土方填挖计算等。当然类似的也可以进行每层土层面模型生成等，可清晰显示每层土的厚度、地下水位情况、钻孔点分布等。但严格来说这只是2.5维的，目前大多数GIS软件没有实现真三维建模功能，三维地质建模作为一种处理地质对象的新技术，具有很强的优越性，符合现代工程设计、施工和管理的需要。其逼真的三维动态显示效果，使不熟悉地质结构和构造复杂性的人对地质空间关系有一个十分直观的认识；强大的可视化功能，可提高对难以想象的复杂地质条件的理解和判别，为勘察、试验工作提供验证和解释；强有力的数据统计和空间变化交互式分析工具，使地质分析功能加强，灵活性提高。目前中科院武汉岩土所提出的三棱柱建模方法，具有地质任意切割剖面分析及空间预测技术，增强了预知空间不确定性的能力。目前，基于GIS的岩土勘察系统中真三维地质建模是一个难点，还不是很成熟，各部门都是通过自己的方式进行开发，重复利用低，增加人力、物力、财力。目前迫切需要建立统一规范的适合于相关行业的三维地质建模模块，使得基于GIS的三维地质建模成为可能，提高工作效率。2基于GIS地震地面破坏预测系统的总体结构和设计思路地震地面破坏是地质灾害的一种。是一种动态变化过程，其预测和防治研究是一项庞大的系统工程，所涉及的数据信息量是巨大的。地震地面破坏预测系统是以GIS技术支撑、以解决地震地面破坏信息处理及决策支持相关技术问题的专题应用型信息系统。该系统从空间数据信息的有效获取、储存、查询和处理着手，提供地震地面破坏灾情动态和危险性区划等灾害预警信息。提出防治或适应对策的建议，为国家制定防震减灾、国土开发与整治、经济建设和社会发展规划，提供宏观决策依据。2.1系统总体结构根据需求分析和系统开发的总体目标，基于GIS的地震地面破坏预测系统以城市工程场地空间数据、城市行政区划、建筑物区划、人口密度区划等数据为基础，在系统的结构上则由数据信息管理、时空分析模型和区划分析模型等功能构成系统的主体框架结构（图1）。用户通过对系统的操作，完成对基础数据库的更新、维护，对数据信息的抽取、查询和对模型的分析。2.2系统功能结构妈基悄于私GI斜S舱地震地面沾破坏预测付系统作为靠一种专题溜型的应用时地理信息宫系统，实话现了棒对尝GI渴S壁空间数据镜信息管理秀和分析的负能力（虫图轰2程），应具礼有如下主栗要功能：双（南1诵）提供包扇括空间数遮据和属性惩信息等的瞎多种形式爆的数据信毕息的输入蠢和各种形掘式的输出馆功能，实押现对空间疯数据和属严性信息的荐编辑，具彼有拓扑功滚能；魂（增2帜）支持多爹种形式的示数据信息酷检索查询已功能，包砖括空间检废索和属性墓检索以及胳影像图片婆等数据的孟查询；微（鱼3挽）提供地助震地面破塌坏时空分塘析评价模点型和区划禁分析评价寄模型，实军现地震地群面破坏的今单体预测屡和区域预鱼测。壶2.3誉桨系统主体钳思路和技降术路线恋依据工程艰地质类比备原则，将挺已发生的芹地震地面敬破坏提供芳的数据进揉行统计分贺析，确定悔评价因子讲，再结合产评价模型签进行单体远危险性计鞠算，最后续再经过地弊面破坏危决险性分级消、等值线再追踪、经携济基础、浅人口密度献分布等处郑理，形成越地震地面塌破坏危险旬性区划图市。按照这咳一基本思荣路，在实盲际应用中肾，根据地恼震地面破恢坏的本质需特征，在特分析现有某评价模型苗优缺点和构基础空间普数据库建贞立的基础换上，基融于酿ArcG铲IS9荣.偏0折桌面平攻台慈ArcI析nf穿o薄利用内系置杨VB姻A仁语言窝和揉A珠O铅框架进行和界面定置叔和功能开炮发。竟3梅模型分析发3.1性锦地震地面早破坏时空俱分析模型宋提供开发怒了模型管悲理系统，流以实现对流时空数据叠模型的有成效管理。闲系统主要赖用于存储浆和管理各祝种地面破谎坏分析模或型，以备供用户解决扛不同情况光的地面破借坏的灾害绘问题，多晶角度多途航径预测评忌价灾害爆罗发的可能旱性和变化涛发展趋势呈，达到有晨效防范之鞠目的。实炉体库的层相次结构（质图币3蜻）主要以铺灾害的自睁然属性特互征划分的本，第一层蚊面以灾害抓发生的不为同机制划赢分，分为晕软土地面嗓破坏、砂秋土液化震飞陷和边坡血稳定三个输模型子库转。第二层气面以主要见影响因素止划分，如变软土沉降延模型子库搜可划分为组土层结构亿、现场测拘试一系列途参数和不变同的计算鄙方法。模累型库内的塑地面破坏盖时空分析份模型主要固包括确定消型模型和崇随机型模舰型。这些据模型可从泥不同角度传对地面破冰坏的危险凡性进行预售测和评价盏。在构模尺技术上实纸现模型对控多元信息碗的直接操反作。已3.2纠登地震地面途破坏区划阻评价模型仪根据地震润地面破坏仆的宏观性轿，提出了赞区划评价图模型的体券系结构及俊用于评价累的指标体眨系（换图慢4胶），基峰于茎GI斗S份空间数据笨分析原理华，建立以啦评价地震痕地面破坏勤强度、危切险性、危共险等级划检分为目的拣的区域分钢析模型系匪统。在内晃容上根据拴震时地震播监测和日霸常地震烈嚷度划分和丙抗震设防掠等级情况蓝包括震时样危险性评氏价和危险占性等级预返测划分名以及日常怨危险性评油价和危险佩性等级预风测划分。败模型评价家过程从单横体地面破柏坏入手，晃采用多级香评判方法讽，给出每默一个模型挽个体的评协价因素和散具体的评蚀价参数，颂最终实现旅地震地面方破坏危险狼等级预测换评价。勿4旷镜系统数据耽库总体设队计枣4.1砖腰数据库规露划后基犯于廊GI映S刷的地震地引面破坏预城测系统的叶设计过程美中，系统浇数据的规鼠划和数据岸库的建立汇与管理是皆一项十分敬艰巨的任既务。具体矿涉及到以蜘下三个方调面：插数据采险集姿倒系统建设凡涉及到海再量地理空脉间数据和距相应的属秘性数据，低主要来源腐于岩土工斜程勘察资伐料数据和过地震安评酒数据，以龟及城市区沈划地理图尖件、建筑括物分布数斗据、市政奴工程数据览、人口密污度区划数芝据和社会娱经济基础越数据等，的其细化结叼构如市图枣5托。盖数据结孤构葵痒通殃过石ESR勿I屯公司的数腐据库引擎盘ArcS厕DE烈在俱SQL的Serv伙er20筑00匙大型数据没库平台上喉建立完全偶关系型的网数据结构践模型爽GeoD饿ataB钳ase计，支持多逮用户海量吨数据编辑换，实现数饲据更大范脖围内共享蓄。村GeoD侄ataB哲ase奇模型搜引入了地逼理空间要肉素的行为漆、规则和叮关系界，握地理空间腾要素的表歌达较之以画往的汉矢量、栅森格熟模型更接愧近于我们盏对三现实事物画对象的认盒识和表述滨方式武应用；阶空间坐充标蝶史统一采用榆地理坐标匠系统，岩即以地球拉椭球面上镜的实际经农纬度标定判的空间曲毫面坐标系月。数据显不示或输出偷可采用住GIS各系统提供删的动态投虽影技术进选行表达和总实现。树4.2大哀数据库管疼理系统整密体架构逃城市地震宗地面破坏句预测系统谎的高效运地行依赖于险系统对海与量空间数长据和属性乘数据的有爹效管理，干因此，在出充分考虑万系统涉及弊海量空间港数据的基筝础上，设液计了数据固管理子软凭件系统。缓系统采用哀大型数据友库管理系尤统志SQL霞Serv渐er20勉0惰0追作为海量显空间数据栋管理的软董件，数据闯访问技术登在整体上族采泪用娃ESR嫂I等公司页的辅ArcS歌DEf酿orS驶QLS幕erve柿r200厕0闻模块实现袋对空间数甜据的访问邻。在躺对摸RDBM握S室中的地理里信息实行腊有效管理递的同时，恩为漂GI探S啦软件提供踩开放式的剃数据支援队；蓄对盐RDBM到S括中的属性费数据采用炮了弓AD拆O芹数据访问徒接口技术丑。数据库条管理系统摄数据功能愚实现结构配如掉图阵6冠。5总结恐本文对基钓于雄GI脉S盯地震地面凝预测系统计进行了初分步研究。梁该系统大遮量数据和预技术主要诉来自于基疫于骗GI著S窝岩土工程典勘察管理消系统，主恳要功能是敞对地震地朱面的破坏疾及其对人假民生命财块产的影响败做出综合疾预测评价泄，使人们叠得到地震飘时地面破罢坏和损失槽的分布状摄况，能够尾辅助抗震估救灾和日脾常工程土阀地管理的积工作。目共前这方面杠的研究还倡处于刚刚踩起步阶段渣，还存在厚很多不足禁，一些地羡面破坏分葬析模型和可规范化、裤标准化的牌工作有待哲完善。进族一步的研立究中希望故能够建立婶更好的分魂析模型，闹规范化相愈应的数据炊，并通过席现有的数哄据进行真眠三维地质亡建模，使罪得土层情坛况更加明量了，直观逃的分析地平面土层的础破坏过程萍。参考文献摊包惠明，飞胡长色顺寸.GI望S醒支持下岩温土工程勘搜察设计一超体耻化增.自水文地质理工程地鲁质毕[J峰]治，终200珍2静，臭（有2岂）晕：柿74-7烈6.枯张永波，携李向全，啊张礼中，浊等刃.断地质灾害宰信息处理牙与决策支腾持的设计垂与开蜡发敞.可地理学与稠国土研四究怕[J落]均，却200鬼2世，茄1绕8予（味4绍）搬：底2降5肆－群27.禽杨耀栋，宝谭海樵，皮前聿痒铭夜.GI靠S津下工程勘辣察信息管把理系统的头设式计浙.结淮阴工学火院学除报宪[J北]置，尊200动6绸，棉1肌5勇（内1勺）尺：第7饮3有－陕77.者石松波红.爪哈尔滨岩蚁土工程信残息系防统样.则西部探矿予工困程伐[J乞]滤，坡200匀0炕，衔（侵4蕉）乖：旁3跟5眼－相36.厕曾钱帮，聪刘大安，暮张菊明，吊潘里炜漠.忧浅谈工程揉地质建模赤与可视纤化悲.鸭西部探矿乔工苹程欠[J原]距，豆200震5怜，妖10箱6逮（挺3张）称：册7齐2刺－叠74.触丛威青，倚潘锄懋，李铁首锋，竹等和.阶基躲于顽GI菌S母的滑扁坡唤傻泥石流灾吊害危险性定区划关键贿问题研蜂究蔑.训地学前缘