GIS在边坡中的应用现状及前景

张泽方 钱志宽

摘 要：随着计算机及数字信息技术的不断发展，各行各业数字化的趋势越来越明显，学科之间的影响越来越大，这也为解决一些边坡问题提供了新的研究思路和方法。GIS作为一种将空间数据数字化并分析处理的工具，在解决实际边坡问题中表现出了其独特的优势。本文首先对GIS作了简要介绍，阐述了GIS在边坡中的应用现状，最后探讨了其发展前景。

关键词：GIS;边坡;数字化

在工程建设中，边坡是一种常见的工程形式，由于受到各种因素的影响，其产生的崩塌、滑坡、坍塌等破坏情况，严重影响着人们的生产生活。随着GIS的发展，边坡研究有了新的方法。

1 GIS技术

GIS即Geographic Information System，是地理信息系统的英文简称，它是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地球信息的计算机系统，是分析和处理海量空间数据的通用技术[1]。将GIS应用到边坡问题中，可以充分发挥其空间数据管理和分析的优势及强大的可视化功能，能够提升边坡工程的效率和质量。总体上，GIS主要分为以下几个功能模块（见图1）。

数据采集与编辑功能：数据是GIS的血液，没有数据的GIS是不可能存在的[2]。良好的数据会使分析结果更具真实性和参考性，但是高精度的数据不易获取，如高分辨率的遥感图像、高精度的地形图和工程地质中的钻孔数据等，这也体现出GIS对数据的依赖性。

空间数据库功能：GIS中配备有空间数据库，可以对海量的空间数据进行储存和管理。工程人员应用空间数据库这一功能时，可以发挥其在工程地质中的价值，从而提高工程效益[3]。

制图及可视化功能：传统制图工作强度大、周期长，已经无法满足实际工作需要，GIS的数字化制图功能提升了制图质量和效率。通过GIS构建三维立体模型，能够较为全面、立体地查看地质样貌，提高数据信息的精度，便于后续工作的开展[4]。

空间分析功能：空间分析是GIS应用的核心，它能够对空间数据进行深度挖掘，将外业测量的“死”的数据变“活”起来，揭示出空间数据的内在联系。目前，GIS技术的空间分析功能在工程地质中也得到了广泛的应用，如地质灾害评估、矿产资源评价、地质测量等。

二次开发功能：GIS提供二次开发平台，该平台适用多种编程语言，如C语言、C++、C#、VB、Python等，通过编写专用的程序，能够实现相应的功能。

2 GIS在边坡工程中的应用现状

2.1 基于GIS的边坡稳定性分析

边坡稳定性问题是工程建设中经常遇到的问题，而边坡稳定性研究是边坡问题研究的核心问题[5]。传统的边坡稳定性分析方法有工程类比法和边坡稳定性图解法，此类方法存在一定的局限性，其分析结果误差较大;定量分析方法中包括有限元法等数值分析方法和极限平衡分析法，这类方法较前者精确。在上述定量分析方法中再结合GIS技术进行边坡稳定性分析，这种新方法在边坡稳定性研究中表现出了它的优越性。

一般传统的有限元方法在前期因处理大量数据而占用很长时间，工作效率低下，而基于GIS的边坡有限元分析前处理使工作效率大大提高。刘庆元等利用GIS技术[6]，实现了从确定滑坡范围到自动生成有限元网格的全部过程，从而提高了边坡三维有限元计算的前处理工作效率。在有限元前处理中，难点在于计算剖面线和生成剖面图，王宝军等利用GIS的空间分析技术和可视化显示功能有效解决了上述技术难点[7]，不但提高了工作效率，而且保证了有关计算的准确性。

另外，GIS技术在其他方法中也有应用，余国等结合GIS和滑面正应力分布假定模型[8]，推导出应用于GIS中的三维极限平衡方程及各参数，开发出基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块，从而完成了边坡的稳定性计算，并通过算例验证了该方法的正确性与便利性。王超对收集的资料通过整理和分析[9]，选取10个重要的影响边坡稳定性的指标，采用改进的层次分析法确定了各指标的权重，在GIS中加权叠加并生成了危险区划图，以可视化的形式展示出来，又结合Python技术分别求出了二、三维边坡的稳定系数，为边坡稳定性分析提供了新的方案。

2.2 基于GIS的边坡可视化

传统情况下，对地质信息的表达一般采用的是平面图或者是剖面图，也就是说将三维地质信息投影到平面上来研究，这种方法会造成一定程度的误差。另外，随着可视化技术的发展，对地质灾害的预防也越来越有帮助。因此，对边坡进行三维建模，可以更为精确地表达边坡的信息，在边坡三维建模基础上的研究也更加符合真实情况。

三维建模的基础和核心是对地质表面的构造、拟合[10]。刘红枫通过MATLAB软件开发出滑坡稳定性分析及可视化扩展模块[11]，得到研究区滑坡的最危险破坏面的坐标数据，将数据处理后再通过GIS技术生成滑坡面，并将其与研究区的高精度DEM数据和遥感影像数据进行叠加、剪切等操作，建立滑坡及滑体的三维模型，从而实现了滑坡的三维可视化，为后续的研究奠定了基础。宋维琦通过无人机航空摄影得到研究区的航测相片[12]，将航测相片进行处理并生成三维地表模型，然后根据收集的其他数据资料在GIS中构建三维地层模型和三维矿体模型，基于GIS技术将三个模型叠加，生成三维边坡模型（见图2），最终建立了研究区的三维可视化体系。

2.3 基于GIS的边坡监测

边坡监测指的是通过一定的仪器设备对边坡的变形情况（如变形位移、变形方向等）进行监测，目的是预防边坡失稳造成的危险，保证施工前后的安全，防患于未然。朱鹏普根据测量收集的边坡数据在GIS中建立三维边坡模型[13]，并在实际边坡各个监测点布置信号传感器，将监测点的位置在三维模型中一一精确对应，从而在GIS中以可视化的形式时时监测边坡的变化，对边坡的稳定性进行快速和全面的分析，以便进行相关的预防和治理，该方法具有省时、省力且高效等优点。黄世秀从地质学角度考虑了尽可能多的影响指标[14]，将层次分析法与GIS空间分析结合，对边坡的稳定性进行分析，另外采用先进的仪器设备使监测的数据更为精确，总体上实现了对边坡变形监测方案的優化。

2.4 基于GIS的滑坡预警

滑坡预警是边坡监测的一个延伸，即在监测的基础上加上预警体系，将GIS应用到滑坡预警中，可以提高预警的精度和效率。谈小龙从两方面考虑，一是提高极限平衡法模型的精确性，二是基于现场观测的数据及时分析、处理，并将这两方面结合，通过GIS的支持，形成了一个具有安全监测模块、计算模块和评价模块的综合预警模型[15]，更好更全面地解释了边坡的失稳特点，能达到预警的目的，在工程应用中具有积极的参考价值。

2.5 基于GIS的边坡植被防护

在边坡的治理中，通常会种植一些植被进行绿化，由于边坡所具有的特殊地质条件，这就会使边坡植被的生长受到不良的影响，因此怎样对边坡上的植被进行防护管理成为了亟待解决的问题。周爱芳以孝襄高速公路植被生态防护工程为例[16]，基于GIS技术将所有与此公路边坡植被防护的信息以地图形式展现出来，有利于技术和管理人员从全局了解边坡植被恢复的情况，从而方便了后续的统筹规划工作。

2.6 基于GIS的边坡支护方案优化

GIS技术还可以应用到边坡支护系统的开发和优化中，可以使整个系统更加丰富，更能反映实际情况。陶丽娜等以普遍极限平衡法（GLE）为理论基础[17]，在组件式GIS技术上进行了边坡支护方案优化设计系统（SSODS）的设计与开发，将地理信息、工程技术等有机地融为一体，并在实际工程中得到了很好的应用。

3 发展趋势

3.1 四维GIS

常规的二、三维GIS不能满足未来的地质工作所需，将三维模型与时间数据结合，在三维的基础上增加了时间维形成四维GIS，可以用于评价研究区某时刻的所有地质条件或某段时间内的平均地质条件[18]。

3.2 “4S”集成系统

“4S”指GIS（地理信息系统）、RS（遥感）、GPS（全球定位系统）和ES（专家系统）。GPS为GIS提供实时的定位数据，RS为GIS提供最新的数据源，然后用ES进行评估，四者形成优势互补。这样就能更加科学可靠地分析工程地质问题，从而找到解决工程地质问题的好方法。

3.3 推演GIS

传统情况下，为了应对工程事故等突发事件的发生，有关部门制定了一些专项应急预案，但由于组织难度大、经费需求高，应急效果并不显著。近年来，随着信息技术的进步，基于GIS的推演系统逐渐发展起来。该系统可以将突发事故点的地形、地貌、重点设施等空间信息显示出来，并对救援过程进行模拟演练，以便采取最优应对措施，最大程度上降低损失。

3.4 虚拟GIS

在GIS技术中应用虚拟现实（Virtual Reality）技术即为虚拟GIS。将虚拟环境融入GIS中，用户可以在虚拟环境中方便快捷地处理分析空间实体数据，如在边坡研究中，使用虚拟GIS重现边坡的历史性状，模拟边坡变形失稳的过程，展示其未来的变化状态，从而更加科学地进行边坡变形预测。

4 结语

（1）本文对GIS技术作了简要介绍，讨论了GIS技术在边坡中的应用现状，GIS凭借其空间数据管理和分析的优势及强大的可视化功能为治理边坡问题提供了良好的技术手段。

（2）目前GIS在工程地质中的应用存在不足，如三维GIS在技术上还有很多问题未解决，没有统一的三维数据结构模型，无法完全准确地模拟现实世界地理实体;另外，一些专业模型与GIS的兼容性差，以及高精度数据不易获取，对分析结果造成直接影响，这些都使得GIS在工程地质中的应用面临着挑战。

（3）GIS作为一种可以将地质信息进行有效管理、分析并进行辅助决策的便利工具，随着计算机技术、信息技术和网络技术等高新技术的快速发展，其将越来越广泛地应用于更多工程地质问题中。

参考文献：

[1]陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，1999，5.

[2]陈佰成，陈家旺，阙金声.面向地质工程的GIS系统分析[J].西部探矿工程，2004，16（011）：104-106.

[3]郑炎松，邓成伟.探析GIS技术在工程地质评估领域的应用及发展趋势[J].建筑工程技术与设计，2018（35）：589.

[4]谈树成，赵晓燕，李永平，魏东伟，杨林.基于GIS与信息量模型的地质灾害危險性评价——以云南省丘北县为例[J].西北师范大学学报（自然科学版），2018，54（01）：67-76.

[5]赵俊兰，赵洪岩.GIS在边坡工程中的应用[A].测绘出版社.《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C].测绘出版社：《测绘通报》编辑部，2008：7.

[6]刘庆元，韦建超，戴水财.基于GIS的边坡三维有限元分析前处理[J].矿山测量，2007（01）：29-31+4.

[7]王宝军，施斌，周汇光，蔡奕.GIS在边坡有限元数值分析前处理中的应用[J].高校地质学报，2004（01）：128-133.

[8]余国，谢谟文，郑正勤，覃事河，杜岩.基于GIS的边坡稳定性计算方法研究[J].岩土力学，2019，40（04）：1397-1404+1412.

[9]王超.基于GIS边坡稳定性评价与预测方法研究[D].北方工业大学，2018.

[10]段富凯.层状岩质边坡三维可视化系统研究[D].贵州大学，2009.

[11]刘红枫.基于GIS的滑坡三维可视化及危险性评价研究[D].华北水利水电大学，2019.

[12]宋维琦.基于无人机和GIS技术的边坡可视化与稳定性研究[D].北方工业大学，2019.

[13]朱鹏普.GIS在边坡监测与预防中的应用[J].四川建筑，2008（05）：77+80.

[14]黄世秀.基于GIS的边坡变形监测方案优化[J].科技资讯，2018，16（27）：50+52.

[15]谈小龙.GIS支持下的大型高边坡安全监测预警模型研究[J].水利学报，2007（S1）：701-705.

[16]周爱芳，章光，胡双双.GIS技术在边坡植被防护中的应用[J].土工基础，2007（03）：16-18.

[17]陶丽娜，唐胜传，陈谦应.基于组件式GIS技术的边坡支护方案优化设计系统[J].岩石力学与工程学报，2004（16）：2824-2829.

[18]石琨，杨桂珍.浅谈三维GIS发展的主要问题及趋势[J].科技与企业，2014（01）：127.

基金项目：贵州省自然科学基金项目（黔科合LH字[2014]7387号）

作者简介：张泽方（1997— ），男，汉族，河南驻马店人，硕士，研究方向：地质灾害防治。