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GIS在地质灾害评估中的应用分析

2010-10-25      来源:资源网     作者:杜福光
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  摘要:在地质灾害评估中,地形起伏度和坡度、坡向不仅可以定量描述地形地貌特征,同时和滑坡灾害的发育存在很大相关性。需要对评估区域的地形进行空间分析,从而得到所需要的地形分析数据。将GIS技术应用在地质灾害空间分析中,可以较好地解决地形空间分析的问题。本文以陕西省府谷县新区为例,介绍GIS技术在府谷新区地质灾害评估进行空间分析的应用,能够很好地获取所需要的地质灾害评估结果,满足地质灾害评估在空间分析方面的需求。

  关键字:GIS;地质灾害;空间分析;坡度;坡向

  引言

  地理信息系统 (GIS) 是有效表达、处理以及分析与地理分布有关的专业数据的一种技术,它为人们提供了一种快速展示有关地理信息和分析信息的新的手段和平台[1]。 从20 世80 年代以来,GIS在灾害管理中得到逐步深入的应用:从简单的灾害数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出,到DTM和DEM模型的建立和使用;从GIS结合灾害评价模型的扩展分析;到GIS与决策支持系统的集成;再到WebGIS。GIS的核心是空间数据管理子系统,由空间数据处理和空间数据分析构成。运用GIS所具有的数据采集和提取、转换与编辑、数据集成、数据的重构与转换、查询与检索、空间操作与分析、空间显示和成果输出及数据更新等功能,我们可以根据地质灾害评估的需要,建立以GIS技术为基础的、用于地质灾害评价的空间分析模型,评价结果可以图层的形式显示或者报表、表格形式输出,为专业部门或决策部门提供灾害管理和决策依据。本文主要研究利用GIS的相关空间分析功能实现在地质灾害评估地形分析方面的应用。

  1 研究区概况

  府谷县位于陕西省最北部,北纬38度42分至39度35分,东经110度22分至111度14分。地处陕、晋、蒙三省(区)交界处。东与山西保德、河曲两县相望,北与内蒙古准格尔旗、伊金霍洛旗接壤,西、南与神木县紧邻,全县总面积3229平方公里,总人口22.4万,辖12镇8乡。总的地势是西北高、东南低,海拔高度在780米至1426.5米之间。

  府谷新区位于县城西郊,濒临母亲河黄河,北靠营盘山,神朔铁路线、府店公路、沿黄公路穿境而过,高速公路近在咫尺。规划范围北起高石崖石嘴头、水地湾、花石峁、营盘梁、大湾、庙洼一线,地形起伏较大,西至崇塔,南至黄河,东依孤山川,包括贾家湾、高家湾、张家塔、花石峁、水地湾、阴塔六个行政村,总规划面积16平方公里,总用地面积8平方公里,建筑面积300万平方米,绿地率38%,建设总投资约150亿元,可容纳8万人居住[2]。矿产资源丰富,特别是煤炭资源丰富,全县含煤面积1359平方公里,探明储量136.32亿吨,均属优质动力煤和化工用煤。水资源总量5.9亿立方米,居全市各县区之首,就水近煤,资源组合配置好,开发建设的条件十分优越。是国家规划的陕北能源化工基地和榆林“两区六园”的重要组成部分,也是陕西省规划的煤电化载能工业园区。

  2 研究方法

  2.1数据准备

  本研究采用 1∶3万的野外实测CAD数据,提取CAD数据中的高程点数据为dat文件。将该dat文件作为研究的基础数据,后面所有的应用分析都是基于该数据进行。此外,该项目主要采用武汉中地公司的MapGIS6.7软件进行分析应用。

  2.2构建格网数字高程模型

  数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作为地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统[3],不仅可以提取地形起伏度、坡度和坡向等地形参数,同时能够成为定量分析地形地貌和地质灾害评价的基础。

  格网数字高程模型,即格网DEM,它是把DEM覆盖区划分成规则格网,每个网格大小和形状都相同,用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维地理空间定位,第三维为特性值,可以是高程和属性。在本项目中,主要采用MapGIS软件生成格网DEM。在MapGIS工作平台下,利用该软件的强大地形分析功能模块DTM分析模块,采用采用离散数据网格化方法,离散化方法主要采用距离幂函数反比加权网格化方法,网格间距应选择10m左右,生成GRD地形数据。值得注意的是应选择合适的格网间距,间距过大不能反映地形的准确程度,间距过小则数据量过大,影响处理速度。实验证明,10m左右能够较好的反映地形起伏情况。

  2.3地形因子的提取

  DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,是数字地形模型的一个分支,其它各种地形特征值均可由此派生。DEM是DTM的一种特例,是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。DEM是地理信息系统进行地形分析的基础数据。采用1:3万数字等高线数据建构10m空间分辨率格网DEM,并基于DEM进行空间分析,提取坡度、坡向等空间信息,进行地形分析,比较准确地表达了研究区的总体地形特征,为该区的地质灾害评估等提供了地形方面的基础数据。

  地形因子的提取只要是指研究区坡度与坡向的提取[3]。坡度是指GRID中像素高程值的变化率,计算结果以度、小数或百分数的形式存放在像素属性中,分别用0~90度来表示,每一定的度数间隔采用不同的颜色表示,坡向亦是如此;坡向是指GRID中每个像素面的朝向,范围为0~360度,其中0度代表北,90度代表东等。迄今为止,坡度和坡向的计算方法可归纳为五种:四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、拟合曲面法、直接解法。前三种方法是解求平均坡度而设计的, 后两种方法是解求地面最大坡度而采用的。经证明,拟合曲面法是求解坡度的最佳方法,拟合曲面法一般采用二次曲面 (汤国安等,2005)。对地面模型的坡度、坡向进行分析时,先对原始稀疏数据加密,然后计算各单元的坡度、坡向,并将结果数据以“.BMP”或“.GRD”(其高程信息为高程点的坡度、坡向或粗糙度)格式保存到用户指定的文件中,供制图或分析时使用。如果想绘制坡度图,可以先用此功能产生坡度GRD文件,然后运用“平面等值线图绘制”功能就可以出坡度图了。以格网DEM为基础,利用MapGIS的GRID模块的地形分析功能生成坡度图、坡向图,利用该图的“.GRD”格式生成平面等值线方式的坡度图、坡向图。

  3 GIS技术在地质灾害评估空间分析过程中的应用

  地质灾害灾情评估是指对地质灾害活动程度及破坏损失情况进行评定估算的工作。对于已经发生的地质灾害,地质灾害评估的基本方法和主要内容是调查地质灾害活动规模,统计地质灾害对人口、财产以及资源、环境的破坏程度,核算地质灾害直接经济损失与问接经济损失,评定地质灾害等级。对于有发生可能但尚未发生的地质灾害,地质灾害评估是预测评价地质灾害的可能程度,对此有人称之为地质灾害风险评估或地质灾害风险评价。其基本内容和步骤是:首先分析评价地质灾害活动的危险程度和地质灾害危险区受灾体的可能破坏程度,即地质灾害的危险性评价和灾害区的易损性评价,在此基础上进一步分析预测地质灾害的预期损失,即进行地质灾害的破坏损失评价。地质灾害评估的基本目的是通过单项指标或综合指标定量化反映地质灾害的主要特点和破坏损失程度,为规划、部署和实施地质灾害防治工作提供依据。

  地质灾害评估的主要任务:

  (1)查明工程建设场地地质环境条件、自然地理及工程概况;

  (2)查明建设场地地质灾害发育类型、现状、分布及影响因素,进行地质灾害危险性现状评估;

  (3)调查、分析评估区内潜在的地质灾害、工程建设可能引发或加剧地质灾害及其危险性,以及工程建设和建成后可能遭受的地质灾害及其危险性,进行地质灾害危险性预测评估;

  (4)对评估区内地质灾害危险性进行综合评估,划分地质灾害危险性评估分区,评估场地适宜性,并提出相应的防治措施和建议。

  3.1三维地形图

  三维地形图,又称三维电子沙盘,三维地理信息系统,它是遥感、地理信息系统、三维仿真等高新技术的结合。它是以三维电子地图数据库为基础,按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述。三维地形图主要以一种三维电子沙盘的形式反映研究区的地形起伏情况,根据高程的不同赋予不同颜色值,制作出三维地形图,用以表达不同的地形起伏情况。研究区的三维地形图如图1所示:

  3.2高程分析

  高程分析图主要是对由离散数据生成的“.GRD”格式数据进行等值线分析产生的。经过分层设色后,不同高程的范围值被赋予一定的高程数据,显示不同的颜色值,来反映不同的地形起伏情况,如图2所示每20米为一个高程范围,从785米到1126米,共分为17个范围,分层设色共17层。

  3.3坡度分析

  坡度是描述地形特征信息的重要指标,它能够间接表示地形的形态起伏和结构特征,并且反映地貌坡面的倾斜程度。目前,坡度多是通过数字高程模型 (DEM)计算得到的,坡度表示地表面在某点倾斜程度的一个量。因此,它是一个既有大小又有方向的量,其模等于地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切,其方向等于在该切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向即坡向,它们在水文模型建立、土壤侵蚀分析、水土流失监测、地貌形态模拟,生态环境研究等地学分析领域有着广泛的应用 [5]。如图3所示,灰色代表河流,即黄河,坡度为0度;绿色代表坡度为0到15度;黄色代表坡度为15到30度;橙色代表坡度为30到60度;红色代表坡度为60到90度。由图可见,研究区范围内大部分坡度为15到30度,地形起伏较大。

  3.4坡向分析

  坡向是描述地貌特征的重要参数,它反映坡面所面对的方向,也是通过数字高程模型 (DEM)计算得到的。如图4所示,坡向共360度,每45度划分为一个范围,用一种颜色来表示,共分为8个坡向范围。

  4 结束语

  陕西省府谷县的府谷新区地形复杂,存在滑坡、泥石流等地质灾害的潜在危害性较大,对于该地区的气候、农业、 植被、交通、经济等产生深远的影响,因此,对该地区进行地形分析的意义重大。本文能够将GIS技术应用在地质灾害评估的空间分析中,并成功进行地形分析,制作了各种地形分析图,给地质工作者提供了地形分析的数据,拓宽了GIS技术的应用渠道,对该地区的地质灾害评估起到了很大的促进作用,GIS技术的运用能够使地质决策部门更好的掌握研究区可能出现的地质灾害状况。

  参考文献:

    [1]罗培.基于GIS的地质灾害风险评估信息系统探讨——以重庆市为例.灾害学[J],2005.12(20),57~59
    [2]http://www.sxncb.com/Html/ylxk/095716972.html
    [3]周启鸣,刘学军.数字地形分析[M].北京:科学出版社,2006:52- 75
    [4]陈芬.基于GIS的福建省地形分析.东华理工大学学报[M],2009.6(32),185~187
    [5]汤国安,张勇,刘咏梅等.不同比例尺DEM提取地面坡度研究.水土保持通报[J],2001,21 (1) :53~56

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