地理信息系统在地质灾害防治中的构建策略探讨

文／汪翔宇、胡新红、李桂林、雷学文、陈文兵 湖北省鄂东南基础工程有限公司 湖北黄石 435100

1.地理信息系统分析

当代地理信息系统依托的主要平台是计算机技术系统，融合了通信网络、人工智能和计算机图形学技术，系统更完善，功能具有多样化特征。在地质灾害监测防治中，地理信息系统将G/S 模式和B/S 模式相结合，系统结构更稳定。其中，G/S 模式是Client /Server 的简称，指客户端和服务器；B/S 模式是Brower/Server 的简称，特指浏览器和服务器。国家在这两种模式的结合基础上，构建了G/S 系统，设置了地学浏览器与服务器，能够将所有服务功能相结合，依托网络环境做好海量信息和异构空间数据的集中管理工作。在21世纪，地质灾害系统监测技术更先进，结构更完整，操作更便利。具体包括以下午几方面内容：（1）地质灾害防治中所应用的地理信息系统搜索引擎技术融合了云计算的优势，构建 Arc GIS 平台，提供在线应用服务，建立了存储功能良好的数据库。（2）随着云产品的创新和大数据技术的普及应用，地理信息系统也连接了大数据，创建了大型数据集，能够协同数千台电脑同时工作。地理信息系统更具开放性，能够满足地质灾害信息监测工作大众化需求，体现监测信息内容的空间性与属性特征。（3）地理信息系统将用户需求作为本系统需求分析的核心，地质灾害监测工作性质对软件系统功能的要求具有特定性，不同工作环节的需求各异。对此，地理信息系统也设置了特定的软件功能，不断加强系统可行性，改善系统知识结构。（4）地理信息系统在总系统平台下构建了多个分支系统，主要包括地质灾害易发区信息采集系统、危险区监测数据信息评估系统、地质灾害信息查询系统、地质灾害信息数据库服务更新系统、地质灾害预警系统、地质灾害损失评估系统、灾后救援工作规划指导系统、灾害救援监测系统等，发挥各分支系统功能，有助于全面防治地质灾害，将灾害造成的损失降到最低[1]。

2.地质灾害信息系统功能探讨

2.1 功能概述

随着中国科技的不断发展，地质灾害信息系统功能日趋多样化。从整体上看，地质灾害信息系统有6 种基本功能：（1）空间数据查询功能。（2）空间数据分析功能。（3）属性数据综合功能。（4）属性数据融合功能。（5）数据库综合分析评价功能。（6）数据库模拟预测功能。同步发挥各项功能，方能有效提高地质灾害防治工作质量，尽可能降低灾害带来的损失。

2.2 空间数据的查询以及分析功能

地质灾害通常波及面积广，破坏性很强，因此，地质灾害防治工作也会涉及广泛的区域范围。国家已经构建了先进的地质灾害数据库，地理信息系统具备空间数据检索查询功能和深度分析功能，满足地质灾害监测评估工作的基本需求。在地质灾害信息系统空间数据查询工作中：（1）会采用3 种方式：图形方式；表格方式；范围方式。运用这3 种方式能够对各范围的灾害信息进行更为准确的监测和分析，及时查询空间数据信息，实现监测信息直观化展示。（2）运用 Arc GIS 平台系统，可以全面收集地质灾害信息监测点、线、面要素，构建完整的拓扑关系，充分发挥系统的统计分析功能，根据信息分析结果制定科学的灾害防治方案。（3）地质灾害信息系统能够分级显示不同地质灾害的危险等级，标注缓冲区。（4）在地质灾害信息查询过程中，工作人员会正确运用术数据库内存储的原始数据信息，在完成查询后，结合用户需求，对信息实施统计分析处理，然后，用图件来表示地质灾害信息成果，确保信息内容在空间位置上的一致性，进一步提高地质灾害防治效果。

2.3 属性数据的综合和融合功能

在地质灾害防治工作中所应用的地理信息系统内，时常会紧密结合实际需求，对不同属性的属性数值采取综合处理，这些数据会转变为新的属性项。需要注意的是，这些属性数值的综合处理并非仅是将所有数据实施融合，而是要严格遵守综合原则。在地质灾害防治工作中所监测的数据信息含有大量多源空间数据，数据类型、数量、内容均有显著的差异。同时，也有部分信息为定性数据信息或者定量信息，发挥属性数据的综合与融合功能，做好信息统计处理工作，需要运用地质灾害信息系统构建数据模型，对所有数据信息实施筛选，将有用的信息纳入模型中，建设完善的地质灾害防治数据库，从而有效提高数据应用价值。

2.4 数据库综合分析评价以及模拟预测功能

建立地质灾害防治数据库，确保地质灾害预测准确性，提高灾害防治效果，需要充分发挥地质灾害防治数据库的功能，做好数据综合分析评价工作，启用数据库的模拟预测功能，运用地理信息系统对地质灾害预测区域的地质结构、地貌特征、水文条件与气候条件等重要信息进行精确获取和深度分析，同时，要认真分析历史地质灾害关键信息，做好所有信息的评价工作，以便于各准确地预测该区域地质灾害发生可能性、时间与灾害等级，根据预测评价结果，制定全面、科学、合理的应对方案。发挥数据库的功能，不仅要做好地质灾害预测工作，而且要充分运用空间数据信息的编码，做好信息存储工作，准确提取信息，模拟地质灾害，科学实施演练活动，制定最全面的灾害防治方案和救灾方案。

3.构建策略分析

3.1 满足用户需求分析

在地质灾害信息系统应用中，专业技术人员要依次完整3 步工作：（1）建立新数据库。做好地质灾害区域调查工作后（通常在野外调查），要建立新数据库，按照标准流程，将野外所调查的卡片数据信息与室内所整理的数据成果一并导入数据库系统，这样才能实现统一管理。（2）做好地质灾害调查数据与图形属性数据输入管理工作。通常，在建立好数据库之后（包括县级数据库和市级数据库），运用人工输入模式将调查资料输入到数据库系统，方便后期能迅速检索查询和统计分析数据。（3）合理划分地质易发区和高发区。在部分岩石结构松散的区域，很容易发生山崩、滑坡等地质灾害，如果位于地震带区域，就属于地震高发区。对此，专业技术人员要做好野外调查工作，在室内对调查资料予以整理，结合资料内容，对地质灾害高发区和易发区进行合理划分，为防灾救灾管理工作提供更准确的参考依据。

地理信息系统构建需要结合行政管理人员的工作内容，满足以下管理功能：（1）提供图形数据与属性数据管理功能，便于行政管理人员做好这两种数据管理工作。在具体工作中，行政管理人员会借助地理信息系统集中管理各种图层数据，像地质灾害监测区域河流勘察数据、水系数据、交通数据、岩石结构数据、地层数据、地质构造数据、地质灾害易发区图层数据、灾害防治区图层数据等，这样能够实现地质灾害监测防治工作直观化。与此同时，行政管理人员会借助地理信息系统做好本区域泥石流、山崩、滑坡、地震等灾害调查数据的统一管理工作，全面了解数据信息内容。（2）做好数据信息查询工作。地理信息系统会针对地质灾害调查信息内容生成直观化地图，行政管理人员能够根据地图上的清晰标注看到地质灾害发生位置，获取所有灾害点的具体信息。在查询灾害信息的过程中，行政管理人员会点击和输入行政地名、地质灾害类型和灾害点的规模，以此了解灾害点的详细信息，准确定位灾害发生位置。（3）做好图形输出工作。行政管理人员会结合地质灾害防治管理需求，运用地理信息系统自动打印地质灾害地图、灾害易发区和灾害防治分布图，为防灾救灾工作提供更完善的参考资料。

3.2 建立地质灾害数据库

国内地质灾害信息系统文件存储格式为MapGIS 文件，地质资料和地质灾害专题资料内容完备，基础地理信息资料存储格式为ArcGIS 文件。优化地理信息系统在地质灾害防治中的构建策略，首先要充分借助大数据技术构建Oracle 数据库，建立ArcSDE 空间数据引擎，设置GIS 空间分析模块，这样能够获取准确的地质灾害区域空间数据，做好数据分析工作，实现海量数据提取、挖掘和存储管理。当前地质灾害信息系统所获取的基础地理信息数据和环境工程地质信息兼具3 大基本特征：（1）空间分布特征；（2）时间性。（3）动态性。运用GIS 系统能够对所有信息结合所处空间位置实施统一处理，并将经过处理的信息提供给系统用户。GIS 系统空间分析功能应用有多种数学分析方法，常用方法有4 种：（1）空间叠加分析法.（2）领域分析法。（3）缓冲区分析法。（4）最佳路径选择法。发挥GIS 系统分析功能，有助于优化救援路线规划方案，选择合适的救援物资存放地点，做好地质灾害危险区和风险区划分工作，科学选用灾后安置区。同时，运用人工智能技术构建灾害预测模型，一旦发现地质灾害潜存风险，就可以及时发布预警信息，制定救援方案，降低灾害损失[2]。其次，在地质灾害数据库系统设计过程中，应编辑好程序代码，统一空间坐标，把握好数据精度，对字段类型、命名方式、符号系统进行统一处理，谨遵数据库建设类型所规定的数据组织方式、字段限制和数据存储标准要求，建立标准化空间数据库，将地质灾害图像、数据信息、图层统一纳入数据库存储信息内。再次，要构建完整的地理信息系统结构层。当代地质灾害信息系统分为4 层结构：（1）系统层，该层次由客户端和服务器端组成。（2）数据服务层，该层次能够做好数据库服务管理工作。（3）软件平台层，该层次能够管理好各软件系统，实现多个数据库系统之间的协作，提升数据传输与操作效率。（4）应用层，该层次为系统界面，设置了多种系统模块，便于系统调用。

3.3 优化地质灾害监控系统

地质灾害监控系统技术主要包括RS485 总线技术、I2C 总线技术、单总线系统、触摸屏、嵌入式系统和平板显示技术。其中，RS485 总线技术性能价格比良好，控制任务较为简单，如果所处场合的实时性要求比较低，就可以选用RS485 总线技术，该技术具备经济性与高效性。在地质灾害监控系统中，RS485 总线技术应用方便，能够实现主监控单元和其他扩展控制单元的有效连接，完成相关监测任务。在RS485 总线技术硬件电路中，安置总线收发器能够衔接RS485 总线，满足监测模块数据通信需求。

I2C 总线技术能够将监控系统电器MCU 与机顶盒MCU 相连接，实现数据通信。当代I2C 总线（英文名Inter IC bus）是由PHILIPS 公司所研发的一种通信总线，能够在芯片之间串行，运用两根连线实现全双工同步数据传输，同时，能够满足两个器件之间的数据信息互动以及地址的彼此传送。在地质灾害监控系统设计中，会运用I2C 总线技术采取器件地址硬件设计法和软件寻址来改善监控系统，硬件系统的扩展会更加便捷而灵活，总系统具备良好的抗干扰能力与可靠性。从I2C 总线技术性能来看，该技术应用是通过两根信号线来传递器件之间的数据信息和地址信息，其中一根信号线是数据线，英文简写为SDA；另一根信号线是时钟线，英文简称SCL，这两根信号线均具有双向传输功能，因而，能够实现双向信息传输。在I2C 总线传输数据时，发送器与接收器在靠时钟线上的时钟脉冲处于同步状态。如果速度不同，就会在外设衔接同一条I2C 总线，以此实现数据的相互传送。I2C 总线上的每个器件都可以被设置成唯一的地址，然后，结合其所设功能，发挥接收器与发送器的作用，需要在I2C总线空闲时期，开展各器件的数据传送工作，遵守I2C标准模式下的数据传送规则，此时的传送速率能够达到100kbit/s，如果是高速模式，就能够达到400kbit/s。总线电容通常会限制总线驱动能力，如果不加驱动扩展，此时的驱动能力是400pF。在监控过程中，主器件会产生启动信号，紧接着，会发出同步时钟，此时的地址数据会从数据线（SDA）串行移出，完成通信后，主器件会发出通信结束的信号。数据线上的数据在时钟高时，必须处于稳定状态，只有当时钟线（SCL）上的时钟信号为低时，数据线上的高或低状态方能改变。主发送器件会在完成每个字节后，生出应答时钟脉冲，接收器件会在每接收一个字节后，出现一个确认比特。当器件产生确认脉冲后，会使数据线被拉低。因而，在确认相关的时钟脉冲时，需要将数据线保持在低电平单总线系统内。此外，在地质灾害监控系统设计中，工作人员非常注重优化I2C 软件模拟方案，这样能够对I2C 总线器件适用范围予以大幅度扩展，消除系统单片机的限制[3]。

单总线系统英文名1 一wire，该技术起初是由美国所发明的一种总线技术，这种技术不同于I2C 技术，在运行中，仅采用一根信号线来完成数据和时钟传输工作，能够节约资源和成本，其构造结构简单，使用方便，能够实施有效扩展，便于维护，因此，应用广泛。在国内，单总线系统经常被应用于由单个主机控制一个或者多个从机的系统设备。如果某个主机只控制一个从机，总系统会按照单节点系统实施操作。如果主机控制的从机为两个或者两个以上，总系统就会按照多个节点系统实施操作。目前，常用主机设备是微控制器，所控制的从机设备主要是单总线器件，像A/D 转换器、一线存储器、温度传感器和可寻址开关。单总线系统应用无须实施串行和并行，也不需要安装专用总线，会将主机控制器件的数据线、控制线与地址线结合成一条信号线，从而实现主机和从机设备的双向数据传递，其系统布线非常简单。在地质灾害监控系统设置中，会运用单总线系统来检测散热器的温度，系统内的主机大多是单片机ADuC841，从机主要为单总线器件DS182。

触摸屏是多媒体时代的产物，运用触摸屏能够创建良好的人机交互环境，弥补了传统式键盘和鼠标、数位板的操作缺陷。目前，液晶屏显示器的价格处于降低状态，触摸液晶屏在不断创新，相继研发出了红外式触摸屏、电阻感应式触摸屏、电容感应式触摸屏、声波感应式触摸屏，这些触摸屏有良好的分辨率和敏锐的感应能力，能够准确传递监控信号。

嵌入式系统能够为地质灾害监控系统创建良好的硬件环境，关系着系统运行质量。在嵌入式系统组建过程中，首先要做好PC/104 主机板选型工作，安置好PC/AT 机的母板和扩展板，注重优化 PGIO4CPU 模块。所谓的PC/104 属于一种工业控制总线，其应用目标是做好嵌入式控制工作，一个 PGIO4CPU 模块则可以同时拥有PCll04 和Pezlo4/Plus 总线。

平板显示技术应用的显示器件包括液晶显示器、电致发光显示器、立子体显示器、发光二极管显示器，这些显示器各具优势。在选用显示器的过程中，应结合实际需求，发挥不同显示器的优势。在监控模块和监控数据汇总之间，是运用隔离的RS485 总线实现互连。地质灾害监控数据汇总不仅要完成底层被监控对象和顶层管理级计算机的通信作业，而且要科学设置监控系统电源微机号和监控模块的所有控制参数。

结语：

综上所述，为了做好地质灾害防治工作，国家已经构建了先进的地质灾害数据库，地理信息系统具备空间数据检索查询功能和深度分析功能，可以满足地质灾害监测评估工作的基本需求。优化地理信息系统在地质灾害防治中的构建策略，理应注意满足用户需求分析，做好地质灾害数据库建立作业，实现数据规范化管理，全面优化地质灾害监控系统。