基于GIS的高切坡位移监测数据管理预警系统
摘要：本文基于ARCGIS Engine和Visual C#，研究了三峡库区高切坡位移监测数据管理系统的实现，系统提供了位移监测数据的计算、入库、编辑、统计等功能。并在该系统的基础之上，研究了预警模型在三峡高切坡项目中的适用性，选择GM（1,1）模型进行了实现。
关键词：三峡库区高切坡 位移监测 预警模型
Abstract: Based on ARCGIS Engine and Visual C #, “The High Cutting Slope Displacement Data Management System In Three Gorges Reservoir Area” is developed. This system provides calculation, storage, editing and statistics functions of the displacement monitoring data. Then based on this system, a research about the applicability of the early-warning models in the Three Gorges project is performed, and GM(1,1) model is selected and developed.
Keywords: the high cutting Slope in Three Gorges reservoir area, displacement monitoring, early-warning models
1、背景
人类工程活动对自然斜坡的改造而形成的人工边坡，在三峡库区称为切坡，岩质边坡的高度大于15米和土质边坡高度大于8米的边坡在三峡库区称之为高切坡[1]。三峡库区在大规模移民迁建工程建设中，随着移民新城镇和居民点的建成，以及移民新址的街道、房屋、基础设施等和公路、港口等专业设施建设，由于建设区地形起伏较大，不可避免形成了大量的高切坡。如果施工时处理不当或监测措施不利，高切坡易发生滑坡以及崩塌等地质灾害，易造成十分严重的人员伤亡和财产损失[2]。
由于三峡库区高切坡灾害防治量大面广，很难在短时间内对其进行全面治理，因此应确立“以防为主、治理为辅”及“全面预报、重点防治”的近期滑坡防治工作方针，并加强针对高切坡的监测预警工作。现阶段三峡库区高切坡的监测以位移监测为主，因此如何有效地管理和利用位移监测的结果，使之为高切坡的监测预警工作提供更有效的支持就成了一个急需解决的问题。
受国务院三峡工程建设委员会办公室移民安置规划司委托，清华大学3S中心承担了“三峡库区高切坡监测预警信息系统软件开发及数据库建设”这一重要项目的建设工作。本文的研究是该项目的一个重要组成部分，其主要内容在于建立一个基于GIS的高切坡位移监测数据的录入及管理平台，并在此基础上应用一些适用性较好的模型进行预警分析。
2、系统概况
系统使用ARCGIS Engine 9.2 + Visual C# 进行开发，数据库采用SQLSERVER2005，包括相关空间数据的表达及基本GIS功能模块、高切坡位移监测数据的录入及管理模块、预警分析模块这几个主要组成部分。主要界面如下图所示：
3、空间数据及基本GIS功能模块
该模块首先载入并显示了三峡库区的基础地理数据（包括政区、道路、水系、居民地以及高切坡点位等）以及遥感影像数据(包括SPOTS、Quickbird、Ikonos等)，还在此基础上实现了下列基本GIS功能，以方便用户对数据进行浏览、分析和修改：
l 基本地图浏览：包括放大、缩小、全图、刷新，属性查询等基本浏览操作
l 图层操作：包括图层控制、添加删除图层等
l 查询功能：由于本系统以高切坡为操作主体，所以提供了对高切坡进行查找及定位的功能
l 基本分析功能：包括选择操作，缓冲区操作等
l 结果表达：将预警的结果在图层上表达出来
4、位移监测数据的录入及管理模块
位移数据均存放在SQLSERVER数据库的数据表中，表结构的设计为：
其中，高切坡编号及监测点编号为各高切坡及监测点对应的唯一标识编号；监测时间为该次进行位移监测的时间；观测值X、Y、Z为该次监测所得的坐标值（54坐标系下，单位为米）；本期X、Y、Z位移为本期的监测所得的相应值与上期监测所得的相应值相减所得的值，也即从上期到本期这一段时间内监测点的位移值（单位为毫米）；本期X、Y、Z法向位移为将X、Y、Z方向的合位移矢量投影到坡面上之后得到三个方向位移的绝对值（单位为毫米），该值更直观地反映了坡面上的位移。
位移监测数据管理的界面如下图所示，由图可见，该模块包括监测数据查询、修改、数据统计及数据导入等功能。
监测数据管理的操作流程为：每周期使用GPS或全站仪对高切坡进行位移监测，监测完毕后对所得的数据进行计算处理，并将处理结果按模板整理好，即可将其导入上图所示的界面，确认所导入的数据无误后，即可通过“保存编辑”功能将其存入数据库。在存入数据库之后，用户可通过“查询”功能对数据进行查询，还可通过提供的编辑及统计功能对数据进行修改或统计。整个处理过程的流程图及数据导入模板示意图如下：
5、预警分析模块
目前，边坡的分析及预警模型算法种类非常多，主要有定性评价方法、定量评价方法、非确定性分析方法、物理模型方法和现场监测分析方法等几大类。这些方法的原理各不相同，所以它们有着各自的优缺点、数据需求和适用条件。在具体的模型使用上我们需要根据具体情况来选用适用性较好的模型算法来对高切坡进行分析。
在本系统中，对高切坡的稳定性计算和评价的依据是每个监测周期所得的位移监测结果。所以，选取的模型所需求的数据种类不能太多，最好是仅根据单一种类的源数据即可推测出边坡当前的状况及未来一段时间内的发展趋势；此外，由于评价依据（也即位移监测）的精确度非常高，所选取的模型最好以精确计算及对比为主，对模型的计算复杂度没有特殊的要求，但得出的结果必须有较高的精确性和可信度。
基于以上约束条件，系统选取了基于灰色系统的GM(1,1)模型算法来对位移监测数据进行分析计算。部分信息已知（白），部分信息未知（黑）的系统称灰色系统[3]，而GM(1,1)算法的本质在于根据系统中的已知信息，找出其中存在的规律，来求解系统中的未知信息。该算法的输入参数为一个数列 ，输出参数为该数列的预测值 ，其主要计算流程如下[4][5]：
月，而分析源数据选择了之前4次监测的位移值，则程序将在数据库提取2007年11月至2008年2月的4次数据生成数列，再根据模型算法计算得出2008年3月的预测值，将预测值与数据库中实际的位移值进行比较，如果预测值超过实际值一定比例，则认为该高切坡处于危险状态中。
模型分析计算完毕后，有两种结果输出方式：一种是生成word报告，这种方式将所有处于高切坡的状态都将在报告中被列出，并将其实际的位移值与预测的位移值均显示在报告中，用户还可以控制是否在报告中显示图片，如果选择是，则程序将从地图窗口截取所处于危险状态的高切坡附近的图片，插入到报告中。
另一种方式为在地图上表示分析结果，这种方式将根据模型运算的结果，在地图中用不同的标记将不同危险状态的高切坡区分表示。
6、结语
本文根据三峡库区高切坡的实际情况，完成了基于GIS的高切坡位移监测数据管理系统，并在该系统的基础上进行了预警模型的分析、选择及实现，提供了一套完整且运行效率较高的监测——管理——入库——统计——分析的解决方案。但也存在一些不足之处，其中最主要的是模型预测结果的不稳定性，虽然在大部分情况下GM模型能给出较令人满意的预测结果，但如果提供的数列内在规律性很差，或者在所提供的信息量过少的情况下，预测结果会出现很大的偏差。通过采用改进的优化算法或通过多模型协同分析的方法可能削弱这种不稳定性，这个问题也是未来研究的重点之一。
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