摘要：本文基于ARCGIS Engine和Visual C#，研究了三峽庫(kù)區(qū)高切坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)提供了位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算、入庫(kù)、編輯、統(tǒng)計(jì)等功能。并在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，研究了預(yù)警模型在三峽高切坡項(xiàng)目中的適用性，選擇GM（1,1）模型進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：三峽庫(kù)區(qū)高切坡 位移監(jiān)測(cè) 預(yù)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
人類工程活動(dòng)對(duì)自然斜坡的改造而形成的人工邊坡，在三峽庫(kù)區(qū)稱為切坡，巖質(zhì)邊坡的高度大于15米和土質(zhì)邊坡高度大于8米的邊坡在三峽庫(kù)區(qū)稱之為高切坡[1]。三峽庫(kù)區(qū)在大規(guī)模移民遷建工程建設(shè)中，隨著移民新城鎮(zhèn)和居民點(diǎn)的建成，以及移民新址的街道、房屋、基礎(chǔ)設(shè)施等和公路、港口等專業(yè)設(shè)施建設(shè)，由于建設(shè)區(qū)地形起伏較大，不可避免形成了大量的高切坡。如果施工時(shí)處理不當(dāng)或監(jiān)測(cè)措施不利，高切坡易發(fā)生滑坡以及崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，易造成十分嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。
由于三峽庫(kù)區(qū)高切坡災(zāi)害防治量大面廣，很難在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行全面治理，因此應(yīng)確立“以防為主、治理為輔”及“全面預(yù)報(bào)、重點(diǎn)防治”的近期滑坡防治工作方針，并加強(qiáng)針對(duì)高切坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作�，F(xiàn)階段三峽庫(kù)區(qū)高切坡的監(jiān)測(cè)以位移監(jiān)測(cè)為主，因此如何有效地管理和利用位移監(jiān)測(cè)的結(jié)果，使之為高切坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作提供更有效的支持就成了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。
受國(guó)務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會(huì)辦公室移民安置規(guī)劃司委托，清華大學(xué)3S中心承擔(dān)了“三峽庫(kù)區(qū)高切坡監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)軟件開發(fā)及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)”這一重要項(xiàng)目的建設(shè)工作。本文的研究是該項(xiàng)目的一個(gè)重要組成部分，其主要內(nèi)容在于建立一個(gè)基于GIS的高切坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入及管理平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用一些適用性較好的模型進(jìn)行預(yù)警分析。
2、系統(tǒng)概況
系統(tǒng)使用ARCGIS Engine 9.2 + Visual C# 進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLSERVER2005，包括相關(guān)空間數(shù)據(jù)的表達(dá)及基本GIS功能模塊、高切坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入及管理模塊、預(yù)警分析模塊這幾個(gè)主要組成部分。主要界面如下圖所示：
3、空間數(shù)據(jù)及基本GIS功能模塊
    該模塊首先載入并顯示了三峽庫(kù)區(qū)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（包括政區(qū)、道路、水系、居民地以及高切坡點(diǎn)位等）以及遙感影像數(shù)據(jù)(包括SPOTS、Quickbird、Ikonos等)，還在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了下列基本GIS功能，以方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、分析和修改：
l  基本地圖瀏覽：包括放大、縮小、全圖、刷新，屬性查詢等基本瀏覽操作
l   圖層操作：包括圖層控制、添加刪除圖層等
l   查詢功能：由于本系統(tǒng)以高切坡為操作主體，所以提供了對(duì)高切坡進(jìn)行查找及定位的功能
l   基本分析功能：包括選擇操作，緩沖區(qū)操作等
l  結(jié)果表達(dá)：將預(yù)警的結(jié)果在圖層上表達(dá)出來(lái)
4、位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入及管理模塊
  位移數(shù)據(jù)均存放在SQLSERVER數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表中，表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為：

其中，高切坡編號(hào)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為各高切坡及監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的唯一標(biāo)識(shí)編號(hào)；監(jiān)測(cè)時(shí)間為該次進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)的時(shí)間；觀測(cè)值X、Y、Z為該次監(jiān)測(cè)所得的坐標(biāo)值（54坐標(biāo)系下，單位為米）；本期X、Y、Z位移為本期的監(jiān)測(cè)所得的相應(yīng)值與上期監(jiān)測(cè)所得的相應(yīng)值相減所得的值，也即從上期到本期這一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值（單位為毫米）；本期X、Y、Z法向位移為將X、Y、Z方向的合位移矢量投影到坡面上之后得到三個(gè)方向位移的絕對(duì)值（單位為毫米），該值更直觀地反映了坡面上的位移。
位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理的界面如下圖所示，由圖可見，該模塊包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、修改、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)導(dǎo)入等功能。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理的操作流程為：每周期使用GPS或全站儀對(duì)高切坡進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)完畢后對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并將處理結(jié)果按模板整理好，即可將其導(dǎo)入上圖所示的界面，確認(rèn)所導(dǎo)入的數(shù)據(jù)無(wú)誤后，即可通過(guò)“保存編輯”功能將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在存入數(shù)據(jù)庫(kù)之后，用戶可通過(guò)“查詢”功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，還可通過(guò)提供的編輯及統(tǒng)計(jì)功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或統(tǒng)計(jì)。整個(gè)處理過(guò)程的流程圖及數(shù)據(jù)導(dǎo)入模板示意圖如下：
5、預(yù)警分析模塊
目前，邊坡的分析及預(yù)警模型算法種類非常多，主要有定性評(píng)價(jià)方法、定量評(píng)價(jià)方法、非確定性分析方法、物理模型方法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析方法等幾大類。這些方法的原理各不相同，所以它們有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)、數(shù)據(jù)需求和適用條件。在具體的模型使用上我們需要根據(jù)具體情況來(lái)選用適用性較好的模型算法來(lái)對(duì)高切坡進(jìn)行分析。
在本系統(tǒng)中，對(duì)高切坡的穩(wěn)定性計(jì)算和評(píng)價(jià)的依據(jù)是每個(gè)監(jiān)測(cè)周期所得的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。所以，選取的模型所需求的數(shù)據(jù)種類不能太多，最好是僅根據(jù)單一種類的源數(shù)據(jù)即可推測(cè)出邊坡當(dāng)前的狀況及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)；此外，由于評(píng)價(jià)依據(jù)（也即位移監(jiān)測(cè)）的精確度非常高，所選取的模型最好以精確計(jì)算及對(duì)比為主，對(duì)模型的計(jì)算復(fù)雜度沒(méi)有特殊的要求，但得出的結(jié)果必須有較高的精確性和可信度。
基于以上約束條件，系統(tǒng)選取了基于灰色系統(tǒng)的GM(1,1)模型算法來(lái)對(duì)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。部分信息已知（白），部分信息未知（黑）的系統(tǒng)稱灰色系統(tǒng)[3]，而GM(1,1)算法的本質(zhì)在于根據(jù)系統(tǒng)中的已知信息，找出其中存在的規(guī)律，來(lái)求解系統(tǒng)中的未知信息。該算法的輸入?yún)��?shù)為一個(gè)數(shù)列 ，輸出參數(shù)為該數(shù)列的預(yù)測(cè)值 ，其主要計(jì)算流程如下[4][5]：
月，而分析源數(shù)據(jù)選擇了之前4次監(jiān)測(cè)的位移值，則程序?qū)⒃跀?shù)據(jù)庫(kù)提取2007年11月至2008年2月的4次數(shù)據(jù)生成數(shù)列，再根據(jù)模型算法計(jì)算得出2008年3月的預(yù)測(cè)值，將預(yù)測(cè)值與數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)際的位移值進(jìn)行比較，如果預(yù)測(cè)值超過(guò)實(shí)際值一定比例，則認(rèn)為該高切坡處于危險(xiǎn)狀態(tài)中。
模型分析計(jì)算完畢后，有兩種結(jié)果輸出方式：一種是生成word報(bào)告，這種方式將所有處于高切坡的狀態(tài)都將在報(bào)告中被列出，并將其實(shí)際的位移值與預(yù)測(cè)的位移值均顯示在報(bào)告中，用戶還可以控制是否在報(bào)告中顯示圖片，如果選擇是，則程序?qū)�從地圖窗口截取所處于危險(xiǎn)狀態(tài)的高切坡附近的圖片，插入到報(bào)告中。
另一種方式為在地圖上表示分析結(jié)果，這種方式將根據(jù)模型運(yùn)算的結(jié)果，在地圖中用不同的標(biāo)記將不同危險(xiǎn)狀態(tài)的高切坡區(qū)分表示。
6、結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)高切坡的實(shí)際情況，完成了基于GIS的高切坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了預(yù)警模型的分析、選擇及實(shí)現(xiàn)，提供了一套完整且運(yùn)行效率較高的監(jiān)測(cè)——管理——入庫(kù)——統(tǒng)計(jì)——分析的解決方案。但也存在一些不足之處，其中最主要的是模型預(yù)測(cè)結(jié)果的不穩(wěn)定性，雖然在大部分情況下GM模型能給出較令人滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果，但如果提供的數(shù)列內(nèi)在規(guī)律性很差，或者在所提供的信息量過(guò)少的情況下，預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)很大的偏差。通過(guò)采用改進(jìn)的優(yōu)化算法或通過(guò)多模型協(xié)同分析的方法可能削弱這種不穩(wěn)定性，這個(gè)問(wèn)題也是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。