基于GIS技术的滑坡监测分析及预测研究
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摘要
滑坡是一种十分严重的自然灾害，它给人类带来的损失极大。对滑坡进行监测分析及预测预报是减灾防灾的重要措施之一。在滑坡稳定性监测分析和预测预报研究中要对庞大的监测数据进行空间范围的处理和分析，由于GIS在海量空间数据存储、管理、分析、计算及成图显示中具有得天独厚的优势，应用GIS技术来对滑坡体监测数据进行分析和处理，并进一步进行滑坡预测是一个有意义的探索方向。
论文基于GIS对滑坡的监测分析及预测预报在以下方面重点进行了研究：
建立滑坡体的数字高程模型(DEM)，基于滑坡体DEM进行了滑动区土石方量的估算方法研究，任意两点间的地质剖面图的绘制，地形断面图的绘制，滑坡坡度以及坡向等空间分析研究。
提出了基于DEM不规则三角形滑坡体土石方量估算方法(Earth Calculation Method by Triangulated Irregular Network，简称ECMTIN)，并对ECMTIN方法进行了算法设计。通过精度对比分析，证实其精度高于截面法和格网法。
设计了利用DEM描述滑坡体地质剖面图的思路：将滑坡体的地质构造属性与数字高程模型进行有机组合形成滑坡地质构造体DEM，通过建立滑坡体地质数据库及程序设计，即可绘制滑坡区内任意两点的地质剖面图。
论文总结分析具有代表性的滑坡预测预报模型的建模机理及其适用原则，如GM(1，1)灰色预测模型、指数平滑法预测模型、非线性回归分析预测模型、移动平均法预测模型、Verhulst预报模型等；并采用一定的方法对多模型预测结果进行处理。
论文在前述内容基础上提出了滑坡监测分析预测系统的总体结构、功能设置以及研发技术路线，并对系统的数据库进行了总体设计。最后利用ArcView软件开发实现了此系统的部分功能，并用工程实例进行了验证。
Landslide is a kind of very severe nature disaster, which can result in great loss to human. It is an import method of the disaster reduction and resistance to monitor, measure, analyse and predict the stability of landslide. In which, enormous monitor and measure data of landslide should be analyzed and treated in space scope. Due to GIS holding predominance in the storage, management, analysis, calculation and picture formation and exhibition of mass spatail data, it is a significant search direction to use GIS technique analyzing and treating spatail data of the landslide mass, and further predict the landslide stability.
Based on the GIS, the paper profoundly studies the spatail disaster analysis of landslide and prediction of landslide stability.
Digital Elevation Model (DEM) of the landslide mass being established, based on the DEM of the landslide mass, thespatailanalysis and study is carried out on the method of calculating cubic metre of earth and stone of the landslide, the drawing of geologic profile of the internal structure in the landslide, the drawing of terrain section between two-points on the landslide.
The paper advanced Earth Calculation Method by Triangulated Irregular Network and designed an arithmetic of ECMTIN .By comparing accuracy of three methods, which accuracy is higher than the section method and the mesh method.
The paper designs the thought route using DEM to drawing geologic profile of the internal structure in the landslide: combine organically the geological formation of landslide mass with the DEM to form landslide digital elevation model, though establishing the geological data base of landslide mass and program design, we can rapidly draw the geological profile of the internal structure in the landslide.
The paper generalizes and analyses the modeling mechanics and applicable principle of the representative landslide prediction model such as Gray model prediction, exponential smoothing model, nonlinear regress analysis prediction model, trend prediction,Verhulst model prediction and so on. The processing method of the multiple models prediction results was educed.
Based on all of above contents, the framework, function settings and developing way of Landslide Monitoring Datum Analyses and Prediction System are put forward, and the system database is also designed.
Finally, the partial functions of this system are performed on the ArcView platform in this thesis. Some examples are tested by the system.
论文基于GIS对滑坡的监测分析及预测预报在以下方面重点进行了研究：
建立滑坡体的数字高程模型(DEM)，基于滑坡体DEM进行了滑动区土石方量的估算方法研究，任意两点间的地质剖面图的绘制，地形断面图的绘制，滑坡坡度以及坡向等空间分析研究。
提出了基于DEM不规则三角形滑坡体土石方量估算方法(Earth Calculation Method by Triangulated Irregular Network，简称ECMTIN)，并对ECMTIN方法进行了算法设计。通过精度对比分析，证实其精度高于截面法和格网法。
设计了利用DEM描述滑坡体地质剖面图的思路：将滑坡体的地质构造属性与数字高程模型进行有机组合形成滑坡地质构造体DEM，通过建立滑坡体地质数据库及程序设计，即可绘制滑坡区内任意两点的地质剖面图。
论文总结分析具有代表性的滑坡预测预报模型的建模机理及其适用原则，如GM(1，1)灰色预测模型、指数平滑法预测模型、非线性回归分析预测模型、移动平均法预测模型、Verhulst预报模型等；并采用一定的方法对多模型预测结果进行处理。
论文在前述内容基础上提出了滑坡监测分析预测系统的总体结构、功能设置以及研发技术路线，并对系统的数据库进行了总体设计。最后利用ArcView软件开发实现了此系统的部分功能，并用工程实例进行了验证。
Landslide is a kind of very severe nature disaster, which can result in great loss to human. It is an import method of the disaster reduction and resistance to monitor, measure, analyse and predict the stability of landslide. In which, enormous monitor and measure data of landslide should be analyzed and treated in space scope. Due to GIS holding predominance in the storage, management, analysis, calculation and picture formation and exhibition of mass spatail data, it is a significant search direction to use GIS technique analyzing and treating spatail data of the landslide mass, and further predict the landslide stability.
Based on the GIS, the paper profoundly studies the spatail disaster analysis of landslide and prediction of landslide stability.
Digital Elevation Model (DEM) of the landslide mass being established, based on the DEM of the landslide mass, thespatailanalysis and study is carried out on the method of calculating cubic metre of earth and stone of the landslide, the drawing of geologic profile of the internal structure in the landslide, the drawing of terrain section between two-points on the landslide.
The paper advanced Earth Calculation Method by Triangulated Irregular Network and designed an arithmetic of ECMTIN .By comparing accuracy of three methods, which accuracy is higher than the section method and the mesh method.
The paper designs the thought route using DEM to drawing geologic profile of the internal structure in the landslide: combine organically the geological formation of landslide mass with the DEM to form landslide digital elevation model, though establishing the geological data base of landslide mass and program design, we can rapidly draw the geological profile of the internal structure in the landslide.
The paper generalizes and analyses the modeling mechanics and applicable principle of the representative landslide prediction model such as Gray model prediction, exponential smoothing model, nonlinear regress analysis prediction model, trend prediction,Verhulst model prediction and so on. The processing method of the multiple models prediction results was educed.
Based on all of above contents, the framework, function settings and developing way of Landslide Monitoring Datum Analyses and Prediction System are put forward, and the system database is also designed.
Finally, the partial functions of this system are performed on the ArcView platform in this thesis. Some examples are tested by the system.
引文
1 邬伦等．地理信息系统—原理、方法和应用．北京：科学出版社，2001
2 刘友光，黄桂兰，黄全义，等．工程中数字地面模型的建立与应用及大比例尺数字测图[M] ．湖北：武汉测绘科技大学出版社,1987．156-161．
3 吴信才等．地理信息系统设计与实现．北京：电子工业出版社，2002．3
4 汤国安等．ArcView地理信息系统技术空间分析方法．北京：科学出版社，2002
5 陆兆溱．工程地质学．北京：中国水利水电出版社，2001．9
6 刘希林，莫多闻．地貌灾害预测预报地基本问题——以泥石流预测预报为例．山地学报，Vol．19，No2．
7 邓聚龙．灰色理论．武汉：华中科技大学出版社，2002．2
8 黄润秋等．地质灾害过程模拟和过程控制研究．北京：科学出版社，2002
9 萨师煊，王珊．数据库系统概论(第三版)，北京：高等教育出版社2000．2
10 张海潘．软件工程导论．北京：清华大学出版社，1998
11 J. Albrecht, Geospatial information standards. A comparative study of approaches in the standardization of geospatial information, Cprnputers&Geoscienccs, 1999,Vol.25, No. 1, pp.9-24
12 张建永．滑坡研究现状综述．中国岩溶，Vol．18，No．3 1999
13 尹跃平等．地质工程设计支持系统与链子崖锚固设计，北京：地质出版社 1995．3
14 王尚庆等．长江三峡滑坡监测预报，北京：地质出版社1999．6
15 乔建平等．典型滑坡的研究方法．山地学报，21卷3期第369～372页，2003年6月
16 王斌．DEM土方量计算的误差探讨．铁路航测，1999年第3期
17 沈芳等．GIS在斜坡稳定性空间评价预测中应用初探．矿物岩石，卷18，期，增刊1998．9
18 徐绍铨等．GPS用于三峡库区滑坡监测的研究．水利学报，2003年1月
第1期
19 王建锋．滑坡发生时间预报分析．中国地质灾害与防治学报，第14卷第2期2003．6
20 Xiao L, Zhang Y, Luo J, et al., A 3D GIS Four-level Vectored Octree Structure Integrating Vector and Raster Features[A], The International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing[C], 1999, 32(4W12), 265-272
21 陈永波等．滑坡系统监测及预报．水土保持研究，第8卷第2期2001．6
22 王震宇．滑坡预报的多元回归分析方法．中国地质灾害与防治学报，第14卷第3期2003．9
23 张永兴等．滑坡预测预报研究现状述评．地下空间，第23卷第2期2003．6
24 ArcView GIS, ENVIONMENTAL SYSTEMS RESEARCH INSTITUTE INC. 1999
25 张永波，张永中，周小元，梁国玲．地质灾害信息系统的设计与开发．北京：地质出版社，2001
26 胡厚田等．边坡地质灾害的预测预报．西南交大出版社，2001
27 M.Breuning, An approach to the integration of spatial data and systems for a 3D geo-information system, Computer&Geoscienees, 1999, Vol.25, No.1, 39-48
28 赵志明．南昆铁路某滑坡变形的灰色预测．四川大学学报(工程科学版)，第35卷第4期2003．7
29 李东山等．三峡库区滑坡综合预报系统的设计与实现．中国地质灾害与防治学报，第14卷第2期2003．6
30 Dongrning Hwang, Hassn A. Karimi and Daewon W.Byun, Uncertainty Analysis of Environmental Models Within GIS Envionments, Computers&Geosciences, 1998, Vol.24, No.2, pp. 119-130
31 李先华等．数字地形图上滑坡动态方向稳定性系数的计算与滑坡滑动方向的确定．岩石力学与工程学报，第18卷第3期1999．6
32 乔建平等．应用GPS观测滑坡变形的结果分析．水土保持学报，第14卷第1期2000．3
33 Alexander K. and Sigrid B., 3D-GIS for Urban Purposes[J], GeoInfomatics,2(1), 1998, 79-103
34 Ding Y. Fortheringham, A.S.The integration of spatial analysis and GIS. Computers, Environ-ment and Urban System. 1992,16;
35 龚健雅．当代GIS的若干理论与技术．武汉测绘科技大学出版社，1999
36 徐建华编著．现代地理学中的数学方法．高等教育出版社，1994
37 欧阳祖熙等．用GPS技术研究三峡工程万州库区滑坡的稳定性．中国地质灾害与防治学报，第14卷第2期2003．6
38 龚剑文．地图量算[M]．北京：测绘出版社，1991．180-190，300-307
39 慕永峰．朱昌永．李建．三角网结构DTM的土方计算及应用[J]．测绘工程，2000．9(1)：52-56．
40 Qu X. and Li X., A 3D Surface Tracking Algorithm[J], Computer Vision and Image Understanding, 1996, 64(1),
41 兰恒星．基于GIS的滑坡空间数据库研究——以云南小江流域为例，VOL.15, No.1, 2000
42 Armstron M C,Denaham P J. Database organization state giesforspatial decision support systems[J].IntJGeo graphic information S ystem, 1990,4(1): 3-20.
43 戴福初，李军．地理信息系统在滑坡灾害研究中的应用[J] ．地质科学情报，2002，19(1)：91-96．
44 孙广忠，姚宝魁．中国滑坡地质灾害及其研究[A] ．中国岩石力学与工程学会编《中国典型滑坡》[c] ．北京：科学出版社,1988．1-11．
45 刘大安，杨志法等．综合地质信息系统及其应用研究．岩土工程学报，VOL．22，No．2，2000
46 秦其明，曹五丰，陈杉编著．ArcView地理信息系统实用教程．北京大学出版社，2001
47 ESRI INC. Using the ArcView 3D Analyst
48 ESRI INC. Using the ArcView Spatial Analyst.
49 ESRI INC. Using the ArcView Dialog Designer
50 Gregory W.Pouch, An Interactive Program for Computer-aided Map Design, Display, and Query, Computers & Geoscience, 1997,Vol.23,No.3
51 Darcy K.Molnar and Pierre Y. Julien, Estimentation of Upland Erosion Using GIS, Computer & Geosciences, 1998,Vol.24, No.2
52 Qu X. and Li X., A 3D Surface Tracking Algorithm[J], Computer Vision and Image Understanding, 1996, 64(1), 147-156
53 单新建．基于GIS的区域滑坡危险性预测方法与初步应用．岩石力学与工程学报，第21卷第10期2002年10月
54 邬晓岚．滑坡监测的现状及进展．无损检测，第23卷第11期．2001．11
55 胡新丽．GIS支持的斜坡地质灾害空间预测系统框架设计．地质科学情报，Vol．21．No．1．Mar．2002
56 朱良峰．GIS支持下的地质灾害风险分析．长江科学院院报，Vol．19．No．5．Oct．2002
57 李先华．GIS支持下的滑坡运动过程数字仿真．岩石力学与工程学报，Vol．20．No．2：175-179．March，2001
58 徐峻龄．黄茨大型滑坡的预报及其理论和方法．中国地质灾害与防治学报，Vol．7．No．3．Sep．1996
59 李劲峰．灰色系统理论在岩崩、滑坡监测中的应用．自然灾害学报，Vol．6．No．1 Feb．1997
60 丁铭绩．基于MAPInfo的滑坡预测预报软件系统的开发研究．科技情报开发与经济，2002年第12卷第4期
61 张永兴，胡居义，文海家．滑坡预测预报研究现状述评．地下空间，第23卷第2期2003年6月
62 王震宇，孟陆波．滑坡预报的多元回归分析方法．中国地质灾害与防治学报，第14卷第3期2003年9月
63 雷伟刚．安全监控综合推理系统的研究及应用，河海大学，2000．12
64 黄张裕．大坝安全监测整体分析模型研究及应用，河海大学，2000．12
65 余运华．应用GIS研究边坡稳定性的三维极限平衡分析法及软件开发，河海大学，2000．12
66 李志林，朱庆．数字高程模型，武汉大学出版社，2001
2 刘友光，黄桂兰，黄全义，等．工程中数字地面模型的建立与应用及大比例尺数字测图[M] ．湖北：武汉测绘科技大学出版社,1987．156-161．
3 吴信才等．地理信息系统设计与实现．北京：电子工业出版社，2002．3
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21 陈永波等．滑坡系统监测及预报．水土保持研究，第8卷第2期2001．6
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23 张永兴等．滑坡预测预报研究现状述评．地下空间，第23卷第2期2003．6
24 ArcView GIS, ENVIONMENTAL SYSTEMS RESEARCH INSTITUTE INC. 1999
25 张永波，张永中，周小元，梁国玲．地质灾害信息系统的设计与开发．北京：地质出版社，2001
26 胡厚田等．边坡地质灾害的预测预报．西南交大出版社，2001
27 M.Breuning, An approach to the integration of spatial data and systems for a 3D geo-information system, Computer&Geoscienees, 1999, Vol.25, No.1, 39-48
28 赵志明．南昆铁路某滑坡变形的灰色预测．四川大学学报(工程科学版)，第35卷第4期2003．7
29 李东山等．三峡库区滑坡综合预报系统的设计与实现．中国地质灾害与防治学报，第14卷第2期2003．6
30 Dongrning Hwang, Hassn A. Karimi and Daewon W.Byun, Uncertainty Analysis of Environmental Models Within GIS Envionments, Computers&Geosciences, 1998, Vol.24, No.2, pp. 119-130
31 李先华等．数字地形图上滑坡动态方向稳定性系数的计算与滑坡滑动方向的确定．岩石力学与工程学报，第18卷第3期1999．6
32 乔建平等．应用GPS观测滑坡变形的结果分析．水土保持学报，第14卷第1期2000．3
33 Alexander K. and Sigrid B., 3D-GIS for Urban Purposes[J], GeoInfomatics,2(1), 1998, 79-103
34 Ding Y. Fortheringham, A.S.The integration of spatial analysis and GIS. Computers, Environ-ment and Urban System. 1992,16;
35 龚健雅．当代GIS的若干理论与技术．武汉测绘科技大学出版社，1999
36 徐建华编著．现代地理学中的数学方法．高等教育出版社，1994
37 欧阳祖熙等．用GPS技术研究三峡工程万州库区滑坡的稳定性．中国地质灾害与防治学报，第14卷第2期2003．6
38 龚剑文．地图量算[M]．北京：测绘出版社，1991．180-190，300-307
39 慕永峰．朱昌永．李建．三角网结构DTM的土方计算及应用[J]．测绘工程，2000．9(1)：52-56．
40 Qu X. and Li X., A 3D Surface Tracking Algorithm[J], Computer Vision and Image Understanding, 1996, 64(1),
41 兰恒星．基于GIS的滑坡空间数据库研究——以云南小江流域为例，VOL.15, No.1, 2000
42 Armstron M C,Denaham P J. Database organization state giesforspatial decision support systems[J].IntJGeo graphic information S ystem, 1990,4(1): 3-20.
43 戴福初，李军．地理信息系统在滑坡灾害研究中的应用[J] ．地质科学情报，2002，19(1)：91-96．
44 孙广忠，姚宝魁．中国滑坡地质灾害及其研究[A] ．中国岩石力学与工程学会编《中国典型滑坡》[c] ．北京：科学出版社,1988．1-11．
45 刘大安，杨志法等．综合地质信息系统及其应用研究．岩土工程学报，VOL．22，No．2，2000
46 秦其明，曹五丰，陈杉编著．ArcView地理信息系统实用教程．北京大学出版社，2001
47 ESRI INC. Using the ArcView 3D Analyst
48 ESRI INC. Using the ArcView Spatial Analyst.
49 ESRI INC. Using the ArcView Dialog Designer
50 Gregory W.Pouch, An Interactive Program for Computer-aided Map Design, Display, and Query, Computers & Geoscience, 1997,Vol.23,No.3
51 Darcy K.Molnar and Pierre Y. Julien, Estimentation of Upland Erosion Using GIS, Computer & Geosciences, 1998,Vol.24, No.2
52 Qu X. and Li X., A 3D Surface Tracking Algorithm[J], Computer Vision and Image Understanding, 1996, 64(1), 147-156
53 单新建．基于GIS的区域滑坡危险性预测方法与初步应用．岩石力学与工程学报，第21卷第10期2002年10月
54 邬晓岚．滑坡监测的现状及进展．无损检测，第23卷第11期．2001．11
55 胡新丽．GIS支持的斜坡地质灾害空间预测系统框架设计．地质科学情报，Vol．21．No．1．Mar．2002
56 朱良峰．GIS支持下的地质灾害风险分析．长江科学院院报，Vol．19．No．5．Oct．2002
57 李先华．GIS支持下的滑坡运动过程数字仿真．岩石力学与工程学报，Vol．20．No．2：175-179．March，2001
58 徐峻龄．黄茨大型滑坡的预报及其理论和方法．中国地质灾害与防治学报，Vol．7．No．3．Sep．1996
59 李劲峰．灰色系统理论在岩崩、滑坡监测中的应用．自然灾害学报，Vol．6．No．1 Feb．1997
60 丁铭绩．基于MAPInfo的滑坡预测预报软件系统的开发研究．科技情报开发与经济，2002年第12卷第4期
61 张永兴，胡居义，文海家．滑坡预测预报研究现状述评．地下空间，第23卷第2期2003年6月
62 王震宇，孟陆波．滑坡预报的多元回归分析方法．中国地质灾害与防治学报，第14卷第3期2003年9月
63 雷伟刚．安全监控综合推理系统的研究及应用，河海大学，2000．12
64 黄张裕．大坝安全监测整体分析模型研究及应用，河海大学，2000．12
65 余运华．应用GIS研究边坡稳定性的三维极限平衡分析法及软件开发，河海大学，2000．12
66 李志林，朱庆．数字高程模型，武汉大学出版社，2001
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