基于MapGIS组件式开发的河南省滑坡监测预警系统设计与实现

廖 婧，潘以恒，吴丽清，张 伟

(1．中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北武汉430074;2．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;3．河南省地质环境监测院，河南郑州450016)

基于MapGIS组件式开发的河南省滑坡监测预警系统设计与实现

廖 婧1，潘以恒2，吴丽清2，张 伟3

(1．中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北武汉430074;2．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;3．河南省地质环境监测院，河南郑州450016)

以河南省几处滑坡隐患点为研究对象，根据工程地质勘查与现场监测资料，基于MapGIS组件式开发技术和ZedGraph绘图技术设计开发了河南省滑坡监测预警系统。该系统使用MapGIS提供的控件和组件搭建了一个简易的、可交互的GIS平台，并在建立灾害监测点动态监测数据查询功能的基础上，通过9种常用的滑坡灾害预报模型，实现了不同滑动阶段下滑坡的预测预报，从而从时空上实现了对滑坡灾害的全面监测预警，同时通过SQL Server数据和MapGIS数据的结合以及MapGIS COM组件的应用，实现了从监测数据采集、计算分析到预警发布流程的自动化，为河南省滑坡灾害的防灾减灾工作提供了决策依据。

滑坡;监测;预警系统;MapGIS

河南省横跨我国南北地质地理分界线和气候过渡带，地形地貌类型多样，地质环境条件复杂，是我国中部地区地质灾害多发省份之一。据不完全统计，2001—2010年河南省共发生突发性地质灾害1 202起，其中滑坡753起［1］。

随着计算机的普及，地理信息系统的引入，滑坡预测预报研究逐渐分为理论模型的研究和应用系统的构建两类，并且越来越多的学者开始设计和开发滑坡预报预警系统。如李东山等［2］基于GIS平台开发了拥有20多种滑坡预报模型，同时能修正完善预报参数和预报结果的滑坡预报系统;李邵军等［3］将滑坡监测、三维可视化和GIS三者结合，建立了三维滑坡监测信息系统，实现了滑坡监测信息与监测场址三维地理信息的综合表达，为滑坡监测和监测成果分析提供了一个可视化的信息平台;张桂荣等［4］根据浙江省淳安等4个县的历史滑坡资料，建立了滑坡时空分布与降雨过程的统计关系，并在确定区域性滑坡的临界降雨量和降雨强度阀值的基础上，开发了降雨型滑坡预报预警系统;张像源等［5］以河北省太行山地区为研究区，利用层次分析法和专家评分模型建立了滑坡预警评价指标体系，并在GIS技术的支持下，开发了滑坡预警分析系统;李长江等［6］根据浙江省1 257个雨量观测站的十年日降雨量数据和同期1 000处滑坡(泥石流)的灾害数据，通过对地质构造、地层岩性、地形、地貌、已知滑坡灾害点分布等资料的综合分析，研制了集GIS与SVPANN于一体的区域群发性滑坡灾害概率预报系统(LAPS);朱龙彪等［7］结合地面中尺度自动观测系统的雨量实况与高精度的WRF数值预报雨量格点产品，在人工神经网络系统和GIS的支持下，实现了预报员快速主观订正的宁波市突发性地质灾害预报预警系统;董元等［8］设计了三峡库区地质灾害监测预警信息管理系统，该系统可对各类地质灾害监测预警信息进行数据采集管理、分析评价和信息发布;王威等［9］在研究利用TIN方法建立地质体模型的基础上，结合监测数据和三维地质体模型，利用基于时间序列的方法对监测数据进行预测分析，形成了一套完整的三维滑坡灾害预警系统;郭承燕等［10］运用数据库、ArcGIS Server、AJAX远程调用、网页局部刷新和地图缓存等技术，融合GIS功能与滑坡预测预报业务功能，开发了南京市滑坡灾害预测预报信息共享平台，该平台可以动态、科学地管理滑坡基础数据和实时气象数据，并可结合南京市实时降雨数据对滑坡进行预测预报，实时在线发布预报结果。

上述这些滑坡预测预报系统有的是基于Arc-GIS开发，有的是基于MapGIS开发;有的着重于预报模型的创新性和准确性，有的着重于系统功能的完整性和先进性;有的引入三维技术，在可视化方面下功夫，有的引入WEB技术，加强系统的共享性。

综上所述，国内对基于GIS二次开发的滑坡预测预报系统已开展了较多的研究，但目前多数滑坡预测系统的预报模型较为单一，无法对处于不同滑动阶段下的滑坡进行准确预报，同时在对实时监测数据的及时反馈以及预警发布的时效性上也存在一定不足。为此，本文结合MapGIS K9引入的空间数据库概念，采用当前最先进的空间数据管理技术，运用MapGIS K9 SP3的COM组件构建了河南省滑坡监测预警系统。该系统以滑坡灾害监测点的实时监测数据查询功能为基础，通过9种常用的滑坡灾害预报模型实现了滑坡临滑预报、短临预报和中长期预报，相较于以前的滑坡预警系统，在适用性、时效性上均有一定的提升。

1 系统设计

河南省滑坡监测预警系统是以动态监测数据为基础，以滑坡预报模型为核心，以GIS技术为支撑，实现滑坡预报预警的软件系统。该系统采用C#面向对象语言，利用数据库、MapGIS二次开发和ZedGraph绘图等技术方法，完成如下目标:①实现监测点信息浏览，包括滑坡监测点的基本信息和监测数据;②在动态监测数据的基础上，采用9种常用的滑坡灾害预报模型实现滑坡预报;③在动态监测数据的基础上，采用3种判据和综合判据分析实现滑坡预警。

1．1 系统架构

河南省滑坡监测预警系统由下至上分为数据层、逻辑层和表示层，如图1所示。

该系统通过ODBC组件访问SQL Server数据库，以获取滑坡监测点的动态监测数据;通过Map-GIS二次开发组件访问MapGIS数据库，以获取滑坡监测点的基本信息。动态监测数据在逻辑层中进行数据预处理、预报模型计算和预警判据评判;数据计算完毕，通过对话框以文字、折线图和列表的形式向用户展示。

系统主界面以表示GIS数据的MapGIS控件为主，交互对话框用于用户设置参数、选择监测时间等。

1．2 系统数据信息

河南省滑坡监测预警系统有两类数据，分别是SQL Server数据库的监测数据和MapGIS数据库的滑坡数据，详见表1。

图1 河南省滑坡监测预警系统结构图Fig．1 System structure diagram of the landslide monitoring and early warning system in Henan Province

表1 河南省滑坡监测预警系统数据信息Table 1 Data information of the landslide monitoring and early warning system in Henan Province

系统数据之间的逻辑关系如下:

(1)根据“滑坡点”的属性“滑坡名”加载对应的MapGIS数据集。

(2)根据“监测设施．WT”的属性“站点编号”查询SQL Server数据表——设施类型为“GPS监测点”的查询“GPS监测数据”，设施类型为“降雨量监测点”的查询“降雨量监测数据”。

1．3 系统功能模块

河南省滑坡监测预警系统具体划分为4个功能模块，分别是监测点、预处理、滑坡预报和滑坡预警，如图2所示。

图2 河南省滑坡监测预警功能模块图Fig．2 Function module diagram of the landslide monitoring and early warning system in Henan Province

1．3．1 监测点模块

监测点模块包含属性浏览、位移时序图、高程时序图和移动轨迹图4个功能。其中，属性浏览功能向用户展示监测点信息并罗列其在某段时间内的监测数据;位移时序图功能向用户展示监测点在某段时间内的位移曲线;高程时序图功能向用户展示监测点在某段时间内的高程曲线;移动轨迹图功能在地图上绘制监测点在某段时间内的移动轨迹。

1．3．2 预处理模块

监测数据在监测过程中易受到外界随机因素的影响，位移数据可能出现较大波动，进而导致滑坡预报失败。为了排除随机因素的干扰，需对位移数据进行预处理，常用的数据预处理方法有等间距法、归一化法、非负累加法和阶跃函数法。如果监测数据的时间间隔不相等，需要对其进行等间隔化处理［11］;如果监测数据处于不同量纲，需要对其进行归一化处理，以消除数据间的量纲影响;如果监测数据波动较大，需要对其进行非负累加处理，使得数据非负且具有指数形态［12］;如果监测数据产生阶梯状突跃，需要对其利用非均匀滤波方法进行处理，并通过阶跃函数剔除外营力引起的暂时性位移变化［13］。

预处理模块包括等间距法、归一化法、非负累加法和阶跃函数法4个功能，每个功能代表一个预处理方法。数据处理完毕后以折线图的形式向用户展示处理后的位移曲线。

1．3．3 滑坡预报模块

根据滑坡破坏时间，滑坡预报可分为长期预报、中期预报、短期预报和临滑预报4个阶段，对应的预报单位分别为年、月、天和小时［14］。

常用的预报模型有斋藤迪孝模型［15］、协同预报模型［16］、Verhulst模型［15-17］、Verhulst反函数模型［15，17］、龚帕兹曲线模型［17］、尖点突变模型［18-19］、非线性回归分析模型［12，20］、灰色 GM(1，1)模型［12，15，17］、指数平滑模型［12，15-16］等。

滑坡预报模块按照预报模型的适用性将滑坡预报分为临滑预报、短临预报和中长期预报3个子模块。其中，临滑预报有斋藤迪孝模型和协同预报模型;短临预报有Verhulst模型、Verhulst反函数模型和龚帕兹曲线模型;中长期预报有尖点突变模型、非线性回归分析模型、灰色GM(1，1)模型和指数平滑模型。每个功能代表一个预报模型，模型计算完毕后以折线图或文字的形式向用户展示预报结果。

1．3．4 滑坡预警模块

滑坡预警判据大致分为三大类，分别是安全系数和可靠概率判据、变形速率判据、综合信息预报判据［18］。本文依据河南省的实际情况，采用变形速率、位移加速度和临界降雨强度(日降雨强度)为滑坡预警判据。滑坡预警等级分为三级，由危险至安全分别为红色预警、橙色预警和绿色安全，滑坡预警等级的缺省取值见表2。

表2 滑坡预警等级的缺省值Table 2 Default values of the landslide early warning levels

滑坡预报模块仅包含判据评判功能，根据用户所选判据进行评判后向用户展示预警结果。用户可采取系统的缺省预警等级，也可根据实际情况自行设置。

2 系统实现

2．1 系统实现的关键技术

2．1．1 MapGIS二次开发技术

MapGIS K9是新一代面向网络的超大型分布式地理信息系统基础软件开发平台，它提供了一套完整且功能齐全的组件和控件，便于开发人员进行GIS应用开发。

开发人员使用下述控件，可以简单地实现GIS的可视化和数据管理功能。

(1)MxWorkSpace为工作空间控件，主要用于对数据以及资源进行管理，通过该控件可对地图文档进行操作，包括新建、打开、关闭、保存等。

(2)MapXView为地图可视化控件，主要用于地图的显示，该控件是MapGIS的地图显示视图，可显示用户添加的地图数据。

(3)MxDocTreeView为文档树控件，该控件把地图以树形结构显示出来，并且控件封装了对地图的常规操作，如添加、删除地图，添加、删除图层等。

(4)MxEditControl为编辑适配器控件，通过该控件可以把一些通用编辑功能加载到应用系统中。

开发人员灵活使用下述组件，可以简单地实现MapGIS的矢量数据管理功能。

(1)mapXBase为地图管理及可视化组件，主要提供了地图和图层相关的操作，以及坐标转换和自定义绘图方面的功能。

(2)mc_basObj7Lib为基本对象定义及管理组件，提供了如要素、属性结构、属性等基本对象的定义。

(3)mc_basXcls7Lib为矢量空间数据管理组件，提供了简单要素类、注记类等基本矢量类和数据集的定义及操作。

2．1．2 ZedGraph绘图技术

ZedGraph是一个创建任意数据图表的类库，并对开发人员提供了用户控件。一般使用ZedGraph的绘图过程如下:

(1)将ZedGraphControl控件拖拽至窗体中，通过控件对象ZedGraphControl对其进行操作。

(2)通过ZedGraphControl．GraphPane获取折线图的图像面板，并设置图像标题、坐标轴标题等信息。

(3)将绘图数据以坐标点的形式添加到点队列PointPairList类的对象中，再将其添加到图像面板上。

(4)通过ZedGraphControl更新图像的坐标轴。

ZedGraph类库可以绘制折线图、柱状图、饼状图等，具有高灵活性。开发人员可以修改图表的每个层面，还可以选择适当的比例范围、步长和尺寸等。

2．2 系统的代码结构

根据面向对象语言的基本特征和软件工程思想，本文开发了代码结构如图3所示的软件系统。

2．2．1 静态类

静态类因其不能实例化，一般作为不需要任何实例的工具类。在静态类外部通过“类名．函数名(参数列表)”的形式调用静态类的成员函数。

图3 系统的代码结构Fig．3 Code structure of the system

系统有DataBase和Compute两个静态类，分别定义在 DataBase．cs和 Compute．cs两个文件中。DataBase类负责与SQL Server数据库交互，其成员函数包括连接数据库、断开数据库、根据关键字查询数据库等。Compute类用于数学模型计算，其成员函数包括4个预处理方法、9种滑坡预报模型和计算这些模型方法时的矩阵运算等。

2．2．2 对话框

系统有两类对话框，一类是根据用户需求自定义的对话框，其本质是窗体;另一类是通过调用Messagebox类的成员函数MessageBox．Show()弹出的对话框。本文在此仅对一类对话框进行讨论DrawChartDlg对话框通过switch分支语句调用Compute类的预处理方法和预报模型的函数以计算绘图数据，再使用ZedGraph类库绘制折线图，其效果图见图4。

图4 DrawChartDlg对话框的效果图Fig．4 Effect diagram of DrawChartDlg

除了DrawChartDlg对话框，系统还有其他自定义对话框，如BrowseAttDlg对话框用于浏览监测点信息和指定日期范围内该监测点的监测数据;Early-WarningDlg对话框用于选择预警判据和设置判据阈值;SetDateRangeDlg对话框用于设置日期范围，系统根据用户选择的日期范围从数据库中读取对应的监测数据。

2．2．3 窗体

系统启动后，显示如图5所示的LoginForm窗体。当用户点击“登录”按钮，系统隐藏LoginForm窗体并显示如图6所示的MainForm窗体，此时窗体的地图视图显示“底图”数据集。

图5 系统登录窗体Fig．5 Login Form of the system

图6 滑坡隐患点Fig．6 Potential points of landslide

当用户拉框选择一个滑坡隐患点，系统加载并显示与滑坡名对应的MapGIS数据集(见图7)，此时窗体显示隐藏的文档树控件，并将菜单栏的所有菜单项变为可用(Enable)。

3 系统应用

图7 系统主窗体Fig．7 Main Form of the system

河南省滑坡监测预警系统自研发后，已投入到滑坡隐患点预报预警的使用当中。据滑坡监测数据分析报告，目前滑坡几个隐患点尚未出现明显的位移增大趋势，因此系统暂时以中长期预报功能为主。在该系统适宜性和模型精度方面，以每个滑坡的某一监测点为研究对象，对同一个研究对象选择同一时间段的监测数据，并分别采用非线性回归分析模型、灰色GM(1，1)模型和指数平滑模型对滑坡进行位移预测。

本文选取滑坡_001的GPS6监测点自2014年4月29日至2014年11月30日的监测数据，采用以上三种预报模型对滑坡进行位移预测，并与实际位移监测数据进行对比，其结果见图8。

图8 滑坡_001监测点GPS6的位移预测结果Fig．8 Displacement prediction results of the monitoring point GPS6 for the landslide_001

由图8可见:对于滑坡_001监测点GPS6，指数平滑模型预测精度最高，滑坡位移预测值与实测值最为接近，最适用于滑坡_001的位移预测;非线性回归分析模型的预测值偏大，适宜性一般;灰色GM(1，1)模型的滑坡位移预测值比实测值偏大10～11 mm，且在±15 mm范围内，模型可用但效果不佳。

此外，本文还对其余7个滑坡进行了位移预测与分析，得到如下结论:

(1)非线性回归模型对滑坡_003和滑坡_007的预测精度最高，适宜性最强，对滑坡_002的预测精度较高，适宜性一般。

(2)灰色GM(1，1)模型对滑坡_004的预测精度最高，适宜性最强。

(3)指数平滑模型对滑坡_002、滑坡_005、滑坡_006和滑坡_008的预测精度最高，适宜性最强。

4 结论与建议

本文根据河南省滑坡灾害的特点，设计并开发了河南省滑坡灾害监测预警系统，通过该系统实现了河南省滑坡隐患点预报预警功能。该系统具有如下特征:

(1)系统在滑坡隐患点的中长期位移预测预报中具有良好的实用性，每个隐患点都有与之相适宜的预报模型可供使用。

(2)滑坡各个隐患点最适宜的预报模型得到的位移预测值与实测值偏差基本在15%以内，精度可达85%～90%，精度较高。

(3)系统基本满足滑坡隐患点中长期位移预测的需求，能够有效地利用隐患点现场采集的监测数据对隐患点进行预报预警，具有一定的实际意义和实用价值。

为了提高河南省滑坡灾害预报的精度及预警系统的实用性，建议在以下方面加以改进:

(1)优化现有预报模型，提高模型计算精度。(2)添加新的预报模型，并结合现有的预报模型建立滑坡预报模型库。

(3)根据滑坡的实际情况，研究每种滑坡预报模型的适宜性，并在系统中提示用户选择最优模型。

(4)研究系统人机交互方式，设计更高效、更人性化的交互界面。

［1］河南省地质环境监测院．河南省地质灾害及防治研究［M］．郑州:黄河水利出版社，2013．

［2］李东山，黄润秋，许强，等．三峡库区滑坡综合预报系统的设计与实现［J］．中国地质灾害与防治学报，2003，14(2):24-27．

［3］李邵军，冯夏庭，杨成祥，等．基于三维地理信息的滑坡监测及变形预测智能分析［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(21):3673-3678．

［4］张桂荣，殷坤龙，刘礼领，等．基于WEB的浙江省降雨型滑坡预警预报系统［J］．地球科学:中国地质大学学报，2005，30(2):250-254．

［5］张像源，周萌．基于专家评分模型和GIS的滑坡预警分析开发研究［J］．中国地质灾害与防治学报，2006，17(2):107-110．

［6］李长江，麻土华，朱兴盛．基于GIS和人工神经网络的滑坡灾害概率预报系统［C］//2006年浙江省地质学会学术交流会．杭州:浙江省地质学会，2006．

［7］朱龙彪，何彩芬，陈有利，等．宁波市突发性地质灾害气象预报预警方法［J］．气象，2007，33(11):112-117．

［8］董元，张时忠．三峡库区地质灾害监测预警信息管理系统的设计与实现［J］．安全与环境工程，2008，15(3):6-9．

［9］王威，王水林，汤华，等．基于三维GIS的滑坡灾害监测预警系统及应用［J］．岩土力学，2009，30(11):3379-3385．

［10］郭承燕，贾建华，马荣华，等．滑坡灾害预测预报信息共享平台［J］．地球信息科学学报，2012，14(2):199-208．

［11］李彦荣．基于GIS的滑坡预测预报系统开发及应用研究［D］．成都:成都理工大学，2003．

［12］魏小楠．滑坡监测预报方法研究及工程应用［D］．贵阳:贵州大学，2008．

［13］李天斌，陈明东．滑坡预报的几个基本问题［J］．工程地质学报，1999(3):200-206．

［14］廖小平．滑坡破坏时间预报新理论探讨［J］．地质灾害与环境保护，1994(3):25-29．

［15］许春青．滑坡预测预报模型比较分析［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011．

［16］陆俊．滑坡预报模型及其在工程中的应用研究［D］．合肥:合肥工业大学，2006．

［17］孙怀军．基于GIS的滑坡预测预报模型库的开发及应用研究［D］．太原:太原理工大学，2002．

［18］刘兆顺，尚金城，王冬艳，等．区域资源环境与社会经济系统的非连续运动分析——以吉林省为例［J］．生态环境，2007，16 (2):579-583．

［19］戴翔．尖点突变模型与一级相变［J］．新疆教育学院学报，1998 (3):95-97．

［20］魏小楠．曲线回归分析模型在滑坡预测中的应用［J］．华东公路，2008(3):65-67．

Design and Implementation of Landslide Monitoring and Early Warning System in Henan Province Based on MapGIS Component Development

LIAO Jing1，PAN Yiheng2，WU Liqing2，ZHANG Wei3
(1．School of Information Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 2．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China; 3．Henan Institute of Geological Environment Monitoring，Zhengzhou450016，China)

For several landslide hazards in Henan Province，this paper designs and develops the landslide monitoring and early warning system based on the technology of MapGIS component development and ZedGraph graphics according to the engineering geological exploration and field monitoring data．The system uses the controls and components provided by MapGIS to build a simple and interactive GIS platform．With the function of querying the dynamic monitoring data of disaster monitoring points，the system applies nine common landslide prediction models which are suitable for different sliding stages of landslides，and implements a comprehensive monitoring and early warning for landslide hazards in both time and space．Through combination of SQL Server data and MapGIS data and application of the COM components in MapGIS，the system realizes the automatic process from monitoring data collection，calculation and analysis to early warning release．The system can provide decision-making basis for disaster prevention and mitigation of landslide disasters in Henan Province．

landslide;monitoring;early warning system;MapGIS

X924;P642．22

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．021

1671-1556(2016)05-0126-07

2016-02-01

2016-03-05

中国地质局地质调查项目(KH146004)

廖 婧(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为GIS技术在地质灾害研究中的应用。E-mail:229013811@qq．com