基于gis的滑坡監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可視化分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于gis的滑坡監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可視化分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1邊坡變形監(jiān)測研究進展滑動因素對水庫、道路、橋梁等工程的安全運行具有重要意義。為了提高安全監(jiān)測工作的質(zhì)量和水平,必須采用較先進的方法和手段,及時整理和正確分析監(jiān)測資料,才能發(fā)揮安全監(jiān)測應(yīng)有的作用。隨著計算機信息處理技術(shù)的發(fā)展,安全監(jiān)測信息系統(tǒng)的功能越來越強大。許多已建和在建工程開展了此項研究工作,并建立了規(guī)模和功能不一的各種監(jiān)測信息分析管理系統(tǒng)。G.E.Tatchell開發(fā)的大壩及滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)自動獲取系統(tǒng)實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程自動采集及處理;賈東鎮(zhèn)等開發(fā)的高邊坡全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,GPS)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)實現(xiàn)了對GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和圖表顯示;陳曉鵬等開發(fā)的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng),可以對測值數(shù)據(jù)進行集中管理、分析和趨勢預(yù)測;劉大安和劉小佳開發(fā)的地質(zhì)工程監(jiān)測信息系統(tǒng)可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動采集、集中管理,并有趨勢預(yù)測和控制的能力;賈明濤等開發(fā)的邊坡位移可視化分析系統(tǒng),能夠?qū)吰聝?nèi)任一點進行估值,并可以在平、剖面圖中對位移分布等值線、邊坡表面位移線及地下水位線等分析結(jié)果進行可視化的分析及動態(tài)演示;袁寶遠等開發(fā)的邊坡監(jiān)測信息系統(tǒng)具有監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、可視化查詢分析、不穩(wěn)定先兆預(yù)測等功能;劉造保等開發(fā)的邊坡變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)集成了CADViewer組件,實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、預(yù)測分析、工程資料可視化顯示、圖形報表輸出等功能;J.Singer等基于時域反射(timedomainreflectometry,TDR)技術(shù)的邊坡三維監(jiān)測系統(tǒng)能夠自動獲取地表及地下位移等實時監(jiān)測數(shù)據(jù),并據(jù)此建立數(shù)值模型,分析其變形機制及運動狀況。近年來,地理信息系統(tǒng)(geographicinformationsystem,GIS)由于其強大的處理空間信息的能力正在成為一些與空間相關(guān)行業(yè)科學(xué)研究不可或缺的工具,在巖土工程中也越來越廣泛應(yīng)用。將GIS應(yīng)用于滑坡監(jiān)測方面也有不少研究成果[10,11,12,13,14,15,16]:朱瑞庚和劉波介紹了三峽水庫庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析GIS系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)彀痘驴臻g數(shù)據(jù)和若干監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合管理與統(tǒng)計分析,并基于邊坡坡度、幾何形狀、巖性、地下水位、庫水位等因子來對滑坡的穩(wěn)定性進行評價;梁桂蘭等開發(fā)的邊坡工程監(jiān)測信息可視化分析系統(tǒng)利用GIS的思想和技術(shù),基于SQL數(shù)據(jù)庫進行開發(fā),實現(xiàn)了監(jiān)測信息的管理、可視化及分析、預(yù)測評價等功能;吳振君等開發(fā)的基于GIS的滑坡監(jiān)測信息管理與分析系統(tǒng),把滑坡的空間信息和監(jiān)測信息通過GIS技術(shù)聯(lián)系起來,可實現(xiàn)監(jiān)測資料的快速查詢、多種監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化關(guān)聯(lián)分析等;王旭春等開發(fā)的滑坡GIS可視化系統(tǒng)建立了GIS滑坡信息數(shù)據(jù)庫及滑坡可視化分析模型,探討了在可視化基礎(chǔ)上對滑坡主滑動方向確定及建筑物適宜程度等方面的應(yīng)用;歐陽祖熙等運用遙感(remotesensing,RS),GIS和GPS技術(shù)與地面監(jiān)測網(wǎng)相結(jié)合的方法監(jiān)測滑坡和庫岸變形,并開發(fā)了含數(shù)據(jù)管理、分析于一體的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng);李昭軍等開發(fā)的基于三維地理信息的滑坡監(jiān)測及變形預(yù)測智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)了滑坡場址三維地理信息及監(jiān)測信息的綜合表達,并建立了基于時間序列方法的滑坡預(yù)測模型進行滑坡預(yù)測。M.W.Xie等開發(fā)的邊坡三維穩(wěn)定性分析系統(tǒng)能夠自動搜索關(guān)鍵滑動面,計算三維安全系數(shù)并進行穩(wěn)定性分析。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,一種基于Internet的技術(shù)標準和通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)即Web-GIS也迅速發(fā)展起來。借助Internet,數(shù)據(jù)的采集、更新和共享變得更加方便和快捷,謝翠明等[17,18,19,20,21,22,23,24,25]也開始探索其在滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)測預(yù)報方面的應(yīng)用。謝翠明等基于ArcGIS的公路地質(zhì)災(zāi)害信息遠程查詢系統(tǒng)實現(xiàn)了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害空間信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,提供了基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害信息遠程查詢平臺;徐興華等開發(fā)的邊坡(滑坡)監(jiān)測信息系統(tǒng),實現(xiàn)了信息管理、網(wǎng)絡(luò)查詢、滑坡分析預(yù)測及可視化決策;王威等基于三維GIS開發(fā)的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)利用先進的計算機技術(shù)、三維可視化建模與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實現(xiàn)了滑坡三維地質(zhì)體建模、監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸、基于時間序列的預(yù)測分析、剖面分析等功能;J.Kunapo等開發(fā)的巖土工程Web-GIS系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)查詢、剖面分析、生成三維影像及土壤分布圖等功能;張桂榮等基于Web-GIS和實時降雨信息的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建立了地質(zhì)災(zāi)害信息庫,并通過網(wǎng)絡(luò)或其他通訊方式,實現(xiàn)與氣象部門的連接,根據(jù)雨季的實時降雨預(yù)報和雨量資料,對滑坡(泥石流)災(zāi)害發(fā)生的空間范圍進行實時發(fā)布;岳建偉等開發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報及信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警圖的發(fā)布、信息查詢、空間定位、空間疊加和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報信息反饋等功能;朱興盛等建設(shè)了區(qū)域預(yù)報與重點監(jiān)測結(jié)合的預(yù)報預(yù)警系統(tǒng),基本形成了能夠通過無線與網(wǎng)絡(luò),實時、自動傳輸?shù)?集區(qū)域預(yù)報、點上監(jiān)測預(yù)警、野外巡查、現(xiàn)場信息反饋、指揮中心處置與資訊發(fā)布等功能為一體的滑坡泥石流防災(zāi)應(yīng)急保障系統(tǒng)。以上這些安全監(jiān)測系統(tǒng)對工程監(jiān)測都有著重要的指導(dǎo)意義,但綜合一些工程的實際應(yīng)用情況,目前安全監(jiān)測信息系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用仍存在如下一些問題:(1)無公用產(chǎn)品。大部分監(jiān)測系統(tǒng)只是針對某些特定工程,尚無通用性和實用性好的、廣為使用的商業(yè)系統(tǒng)軟件。(2)工程安全監(jiān)測的信息量非常龐大,而傳統(tǒng)的監(jiān)測信息管理系統(tǒng)都是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行管理、查詢和分析,處理空間信息顯得力不從心。這種基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)不能反映測點及其周圍環(huán)境的空間特征,從而也就無法對監(jiān)測物理量進行空間可視化查詢和分析。(3)有些系統(tǒng)借用GIS思想進行開發(fā),但其系統(tǒng)采用類似GIS管理而不是基于GIS的;因此,無法利用GIS的強大功能,本質(zhì)上還是屬于傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)。即使有些監(jiān)測系統(tǒng)是基于GIS技術(shù)進行開發(fā),可以表現(xiàn)監(jiān)測對象的空間分布,也僅具有測點的空間查詢功能,沒有發(fā)揮GIS在空間分析方面的優(yōu)勢。(4)網(wǎng)絡(luò)GIS在滑坡方面的應(yīng)用還處在一個初步探索階段,現(xiàn)有的Web-GIS系統(tǒng)也僅具有空間瀏覽及查詢的功能,其在空間分析方面的優(yōu)勢還沒能發(fā)揮出來。鑒于目前安全監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與使用現(xiàn)狀,本文應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)GIS開發(fā)平臺ArcGISServer開發(fā)了一種適合于滑坡的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)。為了滿足滑坡監(jiān)測工程中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化、可視化顯示及網(wǎng)絡(luò)查詢、空間分析功能多樣化等需求,本系統(tǒng)在研究了安全監(jiān)測對象的空間和屬性數(shù)據(jù)建模及可視化網(wǎng)絡(luò)查詢的基礎(chǔ)上,完成了滑坡監(jiān)測信息的斷面分析、平面分析及三維分析等專業(yè)分析模塊,實現(xiàn)了監(jiān)測信息在斷面、平面和三維視圖中的圖形化表達及插值分析、趨勢圖分析等多種可視化分析功能。系統(tǒng)適用性廣,可獨立運行。用戶只需要通過Internet平臺登錄相應(yīng)站點,就可以對工程監(jiān)測信息進行登錄入庫、實時瀏覽、查詢及決策分析等。2系統(tǒng)的研發(fā)內(nèi)容滑坡實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)是基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)建設(shè)的,其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)層提供相應(yīng)的空間數(shù)據(jù),可以是通過ArcSDE來訪問的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLServer中的數(shù)據(jù)或者基于文件類型來存儲的數(shù)據(jù)(personalgeodatabase,ShapeFile等)。業(yè)務(wù)層可分為Web應(yīng)用層和GISSever層。Web應(yīng)用層主要負責用戶通過Web瀏覽器發(fā)送的請求,并根據(jù)請求從GISServer中獲得相應(yīng)的結(jié)果返回給客戶端顯示。GISServer層是以數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),來實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能?？蛻舳吮憩F(xiàn)層是基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)的瀏覽器,主要是調(diào)用ArcGISServer開發(fā)的功能。該系統(tǒng)開發(fā)的總體思想是:基于ArcGISServer平臺,根據(jù)虛擬現(xiàn)實和地理信息系統(tǒng)的原理,結(jié)合工程監(jiān)測的實際需求進行設(shè)計開發(fā)。將GIS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與安全監(jiān)測相結(jié)合,開發(fā)集空間地層信息、工程信息、可視化空間管理、智能分析相結(jié)合的監(jiān)測工程應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)工程安全監(jiān)測的具體特點,綜合考慮滑坡及其監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布置、監(jiān)測數(shù)據(jù)、綜合地質(zhì)信息、設(shè)計需求等,在滿足信息管理的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計總體上應(yīng)由數(shù)據(jù)建立及管理模塊、空間顯示及查詢模塊、空間分析模塊3個部分組成。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。3系統(tǒng)功能3.1數(shù)據(jù)建模和管理模塊3.1.1監(jiān)測儀器在特定斷面的顯示形式空間數(shù)據(jù)建模為可視化查詢和空間分析提供了數(shù)據(jù)支持,是本系統(tǒng)分析的起點。通過建模可以把空間數(shù)據(jù)存儲于空間數(shù)據(jù)庫內(nèi),并在系統(tǒng)中顯示和分析。根據(jù)滑坡安全監(jiān)測的特點,本系統(tǒng)提供了如下7種空間數(shù)據(jù)模型:(1)監(jiān)測儀器模型:根據(jù)監(jiān)測儀器所測量物理量的不同,把監(jiān)測儀器分為2種類型:標量儀器和矢量儀器。標量儀器指的是儀器上測點所監(jiān)測的物理量沒有方向的概念,或有方向但只監(jiān)測某一個方向物理量的儀器。典型的如地下水位監(jiān)測儀,此種儀器僅測量地下水位的變化。再如錨桿應(yīng)力計,其監(jiān)測應(yīng)力的變化,雖然應(yīng)力屬于矢量,但僅監(jiān)測沿錨桿方向的變化,所以屬于標量儀器監(jiān)測范疇。矢量儀器指的是儀器測點監(jiān)測的物理量存在著不同方向的變化,所監(jiān)測的測值不止一個的監(jiān)測儀器。典型的矢量儀器如地表位移監(jiān)測儀器,此儀器監(jiān)測地表X,Y,Z三個方向位移的變化,每次監(jiān)測可以得到3個不同方向的測值。矢量監(jiān)測儀器在各種視圖中均以點的形式表現(xiàn)。而標量監(jiān)測儀器,在不同分析中采用不同表現(xiàn)形式。平面圖中以點的方式表示(見圖3(a));三維分析中以空間三維線段來表示(見圖3(b));斷面分析中用二維線段來表示(見圖3(c)),圖3(c)表示的為標量儀器在特定斷面的投影形狀。在本系統(tǒng)中,所有空間數(shù)據(jù)都是以平面圖中的顯示形式為參考。也就是說,監(jiān)測儀器在地理數(shù)據(jù)庫中都是以點的形式進行存儲的。下面分別介紹一下監(jiān)測儀器從平面顯示到三維顯示和斷面顯示的轉(zhuǎn)換過程。在平面圖中,儀器的空間位置為其出露點坐標。在三維分析中,每只儀器可以看作一條空間三維線段,線段的起點為其出露點,線段的終點為儀器的終點,其坐標需要通過出露點坐標、儀器長度、傾角和方位角來確定。計算方法如下:設(shè)監(jiān)測儀器出露點坐標(x,y,z),對應(yīng)的儀器終點坐標(x1,y1,z1)可以通過下式來計算:式中:θ(θ∈[-90°,90°])為傾角,?(?∈[0,360°])為方位角,l1為儀器長度。這3個參數(shù)都存儲在屬性數(shù)據(jù)庫中。這樣就可以計算出儀器的終點坐標,將起點和終點連接起來,即為監(jiān)測儀器在三維中的表現(xiàn)形式。由于監(jiān)測儀器在平面圖和斷面圖內(nèi)分屬于不同的坐標系,從平面顯示到斷面顯示首先要進行坐標轉(zhuǎn)換。在斷面圖中,以該斷面線的左側(cè)端點為原點,X軸表示沿斷面線的距離,Y軸表示高程。轉(zhuǎn)換過程如下:在斷面圖上點擊2點,記錄其坐標為A0′(x0′,y0′)和A1′(x1′,y1′)。在平面圖上點擊與斷面上對應(yīng)的2點并輸入高程,其坐標為A0(x0,y0,z0)和A1(x1,y1,z1)。其空間位置關(guān)系如圖4所示。通過式(2)和(3)就可以計算得到平面上任意點A(x,y,z)在斷面上對應(yīng)的點A′(x′,y′),即式中:x⊥為A1A0與其垂線AA⊥的垂足A⊥的橫坐標,x⊥=[k(y-y0)+k2x0+x]/(k2+1),k為A1A0的斜率;Δx′可表示為通過以上步驟,就可以計算出標量儀器的初始點和終點在斷面圖上的坐標,連接這2點便可以得到該儀器在斷面上的顯示形式。(2)測點模型:測點在3種視圖中都以點的形式顯示。測點的坐標可以通過將其所在儀器出露點的坐標和測點的埋深代入式(1)來計算。在平面圖和三維圖中,測點的坐標是相同的。在斷面圖中,測點的坐標需要通過式(2)和(3)來進行轉(zhuǎn)換。(3)地形等高線模型:以線的形式表現(xiàn),此模型用于描述地表形狀并生成柵格數(shù)據(jù)。(4)地表面柵格模型:不同于矢量模型,它是以柵格形式表現(xiàn)的。柵格數(shù)據(jù)用均勻分割的柵格表示,一個柵格代表一個屬性值,如高程。柵格模型可以用于空間分析,如表面分析;也可以增加地圖的渲染能力。(5)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型:本系統(tǒng)主要考慮地層、巖性、巖層、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)的建模,一般以面或柵格的形式表現(xiàn)。對于地層,主要是建立地層分界面模型,一般采用柵格形式表現(xiàn),如基覆面,每一個柵格存儲其高程信息,用于表現(xiàn)基覆面的空間位置及形態(tài)特征。巖層和斷層的模型與地層類似,可以采用柵格形式表現(xiàn)其上、下界面。巖性一般以面的形式表現(xiàn)。在屬性表中,可以存儲各個面要素所對應(yīng)的巖性名稱等信息。為了表現(xiàn)地層、巖層和斷層上巖性的分布,可以分別建立各自的巖性面,然后根據(jù)空間位置將二者疊加,以表現(xiàn)其巖性分布特征。地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)是地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)。通過地質(zhì)勘查,可以得到多個離散的勘探鉆孔中地質(zhì)結(jié)構(gòu)的縱向分布特征。將每個鉆孔中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面所在處看作一個點,通過對多個鉆孔中的對應(yīng)的離散點進行插值,就可以得到相應(yīng)的柵格形式的地質(zhì)結(jié)構(gòu)分界面模型,并以此作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。(6)測線數(shù)據(jù)模型:測線在地圖中以線的形式表現(xiàn),用于表現(xiàn)測線的空間位置。(7)滑坡模型:此模型是本監(jiān)測系統(tǒng)分析的重點,采用地表高程模型和遙感影像貼圖來進行建模。3.1.2屬性信息更新模塊本系統(tǒng)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫來記錄監(jiān)測儀器及其測點的屬性信息,以及監(jiān)測周期內(nèi)測點的測值資料,并提供相應(yīng)的登陸界面供監(jiān)測人員補充和更新各種屬性信息,包括添加或刪除監(jiān)測儀器及測點的屬性信息,以及定期更新測值信息等。關(guān)于監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新,該模塊為用戶提供了2種數(shù)據(jù)錄入的方式:一種是以固定屬性字段格式逐一錄入;另一種是要求用戶將數(shù)據(jù)以系統(tǒng)指定格式事先錄入到Excel文件中,然后將此文件上傳到服務(wù)器指定位置,系統(tǒng)就可以自動完成數(shù)據(jù)庫的更新。儀器和測點的屬性信息與空間信息的關(guān)聯(lián)是根據(jù)儀器或測點唯一標識號進行連接的,測值信息與對應(yīng)的測點信息根據(jù)測點唯一標識號進行連接。3.2在一定范圍內(nèi),各有側(cè)重、分類利用ArcGISServer提供的MapControl和TocControl控件,可在系統(tǒng)中顯示數(shù)據(jù)庫內(nèi)的空間數(shù)據(jù)模型。為了方便顯示,此模塊提供了多種導(dǎo)航功能。另外,還提供了選擇功能。選擇功能包括自由選擇、按屬性選擇和按空間位置選擇等多種選擇方法。空間查詢以測點、測線或構(gòu)筑物對象為基點進行空間屬性檢索。既可以通過測點或構(gòu)筑物查詢與之對應(yīng)的測值信息和屬性信息,也可以查找滿足特定屬性條件的測點及其位置。對于空間查詢,可以點選空間測點得到其屬性信息,也可以通過屬性表的記錄信息找到測點的空間位置。這種交互查詢方式為測點維護和測值查詢提供了方便。在本系統(tǒng)的各種視圖模式中,均可采用空間查詢功能來進行空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的交互查詢。3.3監(jiān)測信息的空間分析模塊3.3.1克呂格和反距離權(quán)重空間分析具備兩大功能:(1)測點測值插值分析:通過插值可以從有限離散的測值數(shù)據(jù)得到區(qū)域內(nèi)連續(xù)的測值分布云圖。這對于滑坡的安全監(jiān)測非常重要。例如,地下水位是影響滑坡的一個重要的因素,對于地下水位測點的測值進行插值后,可以得到某時間點地下水位面的分布情況,這有助于專業(yè)人員對滑坡的安全狀況進行更加準確的評判。插值分析提供了克呂格(Kriging)和反距離權(quán)重(inversedistanceweight)2種插值方法。反距離權(quán)重插值通過對臨近區(qū)域的每個樣本點的平均運算來獲得預(yù)測單元值。權(quán)重取決于距預(yù)測單元的距離。反距離權(quán)重插值法比較適合應(yīng)用于樣本點較多且分布均勻的情況,但該方法沒有考慮數(shù)據(jù)變化的趨勢。如:一個實際表面在南北方向比東西方向的變化更劇烈,其插值結(jié)果平均了這種差別,而沒有維持這種趨勢。反距離權(quán)重法不會生成比最大值大、比最小值小的結(jié)果,使谷峰之間比較平滑。克呂格插值是地統(tǒng)計分析中應(yīng)用比較廣的一種方法。這種方法建立在包括自相關(guān)統(tǒng)計模型的基礎(chǔ)上。權(quán)重取決于樣點的擬合模型、距預(yù)測點的距離和預(yù)測點周圍樣點的空間關(guān)系。當樣本點較少或在空間分布不好,可以在那些變化比較劇烈或頻繁的地方加入一些樣本點,采用克呂格方法進行插值。(2)地表面分析:此分析針對空間建模時生成的地表面柵格文件,可以進行坡度、坡向、山體陰影、填挖等分析。此功能可以使現(xiàn)場工作人員直觀地了解地形起伏變化程度,進而輔助決策;同時對于測點布設(shè)和地表變形值預(yù)計有指導(dǎo)作用。3.3.2監(jiān)測對象的表現(xiàn)形式針對滑坡安全監(jiān)測的特點,提供了以下4種分析功能:(1)斷面分析:由于施工技術(shù)人員習(xí)慣用斷面圖來布置和分析測點,在本系統(tǒng)中特別開發(fā)了斷面分析功能。在地圖中通過選擇相應(yīng)測線,可以顯示測線一定范圍內(nèi)的測點在斷面圖上的分布情況,并可以根據(jù)測值類型的特征在斷面圖中進行圖形化表達。矢量測值采用箭頭來表示,箭頭方向表示測值在斷面內(nèi)的投影方向,箭頭長度表示測值的相對大小。對于標量測值,視監(jiān)測對象的特征,提供了2種表現(xiàn)形式。對于地下水位測值,可以直接在斷面圖中表示該點水位在斷面上的位置,這樣可以更直觀地看到斷面上地下水位面的分布情況。而多點應(yīng)力計則一般采用起點為測點本身,且垂直于儀器的線段的來表示。線段的長度表示測值絕對值的相對大小;測值的正負按如下規(guī)則確定:順著儀器方向看去,左側(cè)為負,右側(cè)為正。一般測值為高程信息的采用第一種方法顯示,否則采用第二種形式。(2)平面分析:與斷面分析類似,主要是在平面圖上表示測值的大小。標量測值采用圓圈來表示,圓圈的大小表示測值絕對值的相對大小,圓圈的顏色表示測值的正負,黑色表示正值,灰色表示零值,白色表示負值。矢量測值的表示不同于斷面分析。矢量測值同時采用圓圈和箭頭表示。圓圈表示測值在高程系下的絕對值的相對大小,其表示方式與標量類似。箭頭表示測值在水平面內(nèi)的合位移。(3)三維分析:此功能可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)在三維視圖中進行顯示,用于表現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的三維分布。在三維分析中標量測值大小用圓球來表示,矢量測值用空間三維向量表示。(4)監(jiān)測資料趨勢分析:此功能可以得到測點某一段時間內(nèi)測值結(jié)果的歷史曲線,據(jù)此可以進行預(yù)測分析。需要說明的是,在斷面分析、平面分析和三維分析中,都可以使用空間分析和趨勢分析功能。根據(jù)各種不同視圖的特點,空間分析結(jié)果可以采用相應(yīng)的表現(xiàn)形式。4烏東河河流域水岸帶的工程地質(zhì)現(xiàn)狀烏東德水電站位于云南省昆明市和四川省涼山州交界的金沙江干流上,是金沙江下游河段4個水電梯級的最上游梯級。水庫正常蓄水位975m,總庫容74億m3,裝機容量870萬kW,多年平均年發(fā)電量約387億kW時,屬特大型水電工程。金坪子滑坡位于烏東德梯級河段下游右岸,上距烏東德壩址約900m,遙感解譯體積約為6.2億m3,其穩(wěn)定現(xiàn)狀、變形趨勢及可能失穩(wěn)方式及規(guī)模關(guān)系到烏東德水電站梯級開發(fā)的成立及河段內(nèi)壩址的選擇,因而備受各界關(guān)注。為了客觀評價其工程影響,采用多種技術(shù)手段對其進行了深入研究,得出初步結(jié)論:金坪子滑坡大致可分為5個區(qū)——I,II和III區(qū)為第四系堆積體;I區(qū)穩(wěn)定性好,烏東德水電站的修建和運行不會影響該區(qū)穩(wěn)定;III區(qū)整體穩(wěn)定性好,烏東德水電站的施工和運行僅對其前緣局部斜坡有影響;II區(qū)距烏東德壩址2.5km,主要為崩、殘坡積體,目前仍處于變形之中;IV區(qū)為雄厚的基巖斜坡;V區(qū)為古金沙江基巖離堆山。綜上所述,由于金坪子滑坡體II區(qū)位于梯級河段的敏感部位,因而必須對該滑坡的穩(wěn)定現(xiàn)狀、變形發(fā)展趨勢及可能的失穩(wěn)規(guī)模進行研究,開展必要的安全監(jiān)測工作。隨著電站的建設(shè),監(jiān)測網(wǎng)已積累了比較詳實的監(jiān)測資料。但由于缺乏好的分析系統(tǒng)和分析方法,使得監(jiān)測數(shù)據(jù)沒能充分發(fā)揮指導(dǎo)工程安全生產(chǎn)建設(shè)的作用。以下是應(yīng)用本系統(tǒng)對此邊坡所做的分析成果。4.1地表地圖的建立和數(shù)據(jù)錄錄本系統(tǒng)從工程地質(zhì)報告及圖件中提取了部分鉆孔勘探結(jié)果、地表等高線、基巖等高線、4種監(jiān)測儀器和測點。根據(jù)鉆孔勘探結(jié)果,提取鉆孔坐標及孔中千枚巖層的上限深度和下限深度,得到千枚巖上下界面中的離散點,采用空間分析中的插值功能分別對上下界面上的點進行插值得到柵格形式的千枚巖層模型。為方便下一步分析和渲染地圖,把矢量格式的地表和基巖等高線轉(zhuǎn)為了柵格類型。同時,采用空間分析中的生成陰影功能,得到地表陰影的柵格數(shù)據(jù),以此更好地顯示了地形的起伏效果,并且對滑坡區(qū)域進行遙感影像貼圖,得到如圖5所示的地圖。屬性數(shù)據(jù)的錄入是在圖6所示的界面中進行的。在此,監(jiān)測人員可以根據(jù)情況添加或者刪除儀器或者測點信息,也可以定期錄入相應(yīng)的測值資料。由于數(shù)據(jù)的更新是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行,數(shù)據(jù)更新完畢后專業(yè)人員就可以直接調(diào)入最新監(jiān)測資料進行分析,實時評價滑坡的安全狀態(tài)?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成后,就可以利用GIS的空間查詢功能,在系統(tǒng)提供的各種視圖中進行空間模型和屬性信息的交互查詢。4.2地表位置的測量平面分析功能可以在平面圖上顯示測點測值的大小。由于各個監(jiān)測物理量的量綱是不同的,比如地表位移用mm表示,地下水位用m表示,多點應(yīng)力計用MPa表示。如果用測值的絕對值來顯示測值大小會使得一些測點測值顯示巨大,另一些測點測值顯示又很小。而這些測點監(jiān)測的物理量又是不相干的(比如地下水位計測點和鉆孔測斜儀測點),這樣就會給使用人員造成不便。為消除這種影響,這里采用相對法來表示測值大小,即設(shè)定每種監(jiān)測類型的測點在分析范圍內(nèi)最大測值Vmax在地圖上顯示大小為tmax地圖單位,最小測值Vmin大小為tmin地圖單位。其他測值V在地圖上顯示大小t用下式表示:圖7為平面圖上測點矢量值顯示及查詢形式。圖7(a)中,對于每一個測點,圓圈表示高程方向的增量,箭頭表示平面內(nèi)X和Y方向的合成效果。其中,圓圈的大小表示高程方向增量絕對值的相對大小;圓圈的顏色表示測值的正負,黑色表示正值,白色表示負值,灰色表示零值。箭頭的方向表示X和Y方向合矢量的方向,箭頭長短表示X和Y方向合矢量模的相對大小。高程方向的測值與平面方向的測值分別以點和線的形式存儲在2個圖層中。在每個圖層的屬性表中,以給定監(jiān)測日期為名稱的字段中存儲該矢量在該日期的測值。矢量測值數(shù)據(jù)存儲形式為a/b/c,分別代表測點X方向增量為a,Y方向增量為b,高程的增量為c。在平面分析界面中,可以點擊信息查詢工具查看測值的屬性信息,圖7(b)顯示了查詢測點AL01D的高程方向測值的屬性信息的對話框。同時,也可以點擊屬性信息來查找其在空間中的位置。在地質(zhì)工程中,Z方向測值通常以向下為正。由此可以明顯看出,I和II區(qū)地表沉降,且向東南即庫區(qū)方向滑移,距離水庫較近的區(qū)域位移值較大;而III和IV區(qū)則表現(xiàn)為地表抬升,水平方向位移很小。金坪子滑坡上還安裝有鉆孔測斜儀。鉆孔測斜儀是用于監(jiān)測巖體深層水平位移的,安裝在直徑為110mm,深度為100～150m的垂直勘探鉆孔內(nèi),每隔1m安裝1支。鉆孔測斜儀一般監(jiān)測平面內(nèi)任意2個垂直方向的位移。為了便于管理和調(diào)用,本系統(tǒng)須先將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換到以方位角90°和0°為X,Y軸正方向,垂直向下為Z軸正方向的坐標系中,然后再以a/b/c的形式存儲于數(shù)據(jù)庫中。由于鉆孔測斜儀僅監(jiān)測水平方向的位移,因此其在Z軸方向的投影為0,所以c值默認為0。圖8為IN04鉆孔平面圖上矢量測值顯示及斷面線的繪制,可以看出,該點合位移的方位角約為100°。在此,沿位移方向繪制一條斷面線,在圖8中用灰色的直線表示。為了更加直觀地看到巖體深層位移分布情況,下面將在斷面分析中詳細討論。對于測點的標量監(jiān)測值,用圓圈的大小表示測值的相對大小,圓圈的顏色表示測值正負。默認狀態(tài)下,正值用黑色來表示,負值用白色表示,零值用灰色表示(見圖9)。在平面分析中也可進行插值分析。通過插值分析可得到監(jiān)測區(qū)內(nèi)連續(xù)的測值信息。圖10為地表位Z方向分量插值結(jié)果。本系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)監(jiān)測分析方法的測點歷史曲線圖功能(見圖11),顯示測點位移隨時間變化趨勢圖。4.3地表、基覆面及千斤巖層上下界面的柵格模型在斷面分析中,斷面的來源有2種,一種方法就是在工程設(shè)計中提供了相應(yīng)的監(jiān)測斷面及對應(yīng)的CAD斷面圖;另一種就是根據(jù)剛才對鉆孔測斜儀位移趨勢的研究,自行繪制斷面線,相應(yīng)的CAD斷面圖可以通過柵格數(shù)據(jù)獲取。建立了斷面數(shù)據(jù)之后,就可以在本系統(tǒng)中進行分析。在此選擇要研究的斷面線,指定緩沖距離及所要分析的儀器及測點圖層(見圖12(a)),即可以得到此緩沖區(qū)內(nèi)相應(yīng)儀器及測點在斷面圖內(nèi)的分布(見圖12(b))。由于本工程同時建立了地表、基覆面及千枚巖層上下界面的柵格模型,所以相應(yīng)的斷面圖中提取了各類柵格模型的高程信息,包含了各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)分界面。在斷面分析中,不僅可以進行地圖查詢和導(dǎo)航等操作,還可以表示測點在任一監(jiān)測時間測值的大小。測值表現(xiàn)形式可以