地災演算法

1. 地質災害危險性現狀評估

以定性分析為主，定量為輔的評估方法，按「技術要求」規定，根據評估區地質環境條件和已有取得資料，採用地質歷史分析法、工程地質類比法和穩定狀態，按大、中等、小三級（表5-14）對各類地質災害危險性現狀進行評估。

表5-14 地質災害危險性分級表

（一）崩塌（危岩）

首先對其穩定性進行評價，之後結合危害對象進行災害（危害）程度分級評價，在此基礎上進行危險性分級，如穩定性好，危害程度輕，則危險性小，相反即為危險性大，介於二者之間為危險性中等。

1.穩定性評價

根據崩塌體所處的地質環境條件，重點依據變形跡象，並與以往同類崩塌發生條件進行類比，綜合分析後判定其穩定性。評估區內崩塌大部分穩定性為較差至差，其中差的有19處，較差的有72處，好的有14處。差和較差者存在有再次滑塌的可能。

2.災害（危害）程度分級評價

根據調查，區內已發生崩塌災情均為一般級。現依據「基本要求」對崩塌危害程度進行分級評價，其中屬於重的有1處，編號b117，位於清水縣土門鄉老墳村（天水支線38km附近）；該危岩體為黃土及下伏新近系泥岩組成的陡坡，由於人為開挖削坡形成，方量1.2×10⁴m³，坡下學校被危及，管道也在下方通過。中等的有5處，其餘99處均為輕度危害。主要危害對象為農田和簡易公路，少數危害居民、學校，同時為泥石流提供了鬆散固體物質。

3.危險性評價

結合穩定性和災害（危害）程度結果，評價得出危險性大的有3處，分別位於張家川木河（b80）、清水縣土門（b117）、北道區北部（b120）；中等的有 10處，主要分布於皋蘭山、清水金集—北道等地；其餘92處均為危險性小的。危險性大的前2處距管線較近。

（二）滑坡

對穩定性和危險性分別進行評價。

1.穩定性評價

按滑坡穩定性判別表（表5-15）進行評價，其中穩定性差的有7處，分別位於通渭碧玉、張家川木河、清水金集—北道；較差的有28處，分別位於蘭州范家坪、馬營—通渭、靜寧仁大—秦安蓮花、清水土門—天水北道等地；穩定性好的有23處。

現將2處典型滑坡的特徵分析一下。

（1）下河裡滑坡（h28）

位於張家川木河鄉下河裡村東側。滑坡發育在木河上游北岸，溝谷較窄，谷地寬約 100～180m，呈「U」型，發育有一級階地，高出河床3～5m，溝谷兩側為黃土丘陵，相對高差為80～100m。出露地層為新近系砂質泥岩並夾有灰綠色泥岩條帶，出露段表層風化強烈，其上為馬蘭黃土，厚約30～50m，坡體有細小沖蝕溝槽和零星落水洞。

表5-15 滑坡穩定性判別表

該滑坡為黃土—泥岩滑坡，滑坡體長500m，寬300～350m，平均土體厚20m，約40×10⁴m³。滑距約100m，為一老滑坡，滑體下陡、上緩，坡度25°～40°，成因是地表水流側蝕形成。目前該滑坡前緣因修路削坡，形成一定的臨空面，局部已出現崩塌和漿砌護坡鼓脹開裂，極可能導致開挖段部分滑體復活。現場調查，推斷復活體長約50～60m，寬約100～150m，推測滑體厚度5～10m。現狀主要威脅對象為公路和農田，有再次發生的可能（圖5-5）。管線滑坡體下方，距其前緣剪出口約40m。

圖5-5 下河裡滑坡示意剖面圖

1.黃土 2.泥岩及砂質泥岩 3.黃土狀土 4.滑坡堆積物 5.滑床及滑向 6.推測復活體滑床及滑向

（2）蓮花城—郭家河滑坡群

位於清水河河谷北岸，共有5處，由巨型和大型老滑坡組成（圖5-6），自西向東編號依次為：h127、h128、h129、h130、h131。相應的管道里程樁號283km～288km。該段相對高差120～180m，平均坡度30～35°，出露地層為新近系泥岩、第四系黃土、黃土狀土，黃土厚約40～60m，披覆於谷坡及頂部，落水洞及沖蝕溝發育。

圖5-6 蓮花城—郭家河滑坡群平面分布圖

5處滑坡均為黃土—泥岩滑坡，上覆第四系馬蘭黃土，下伏新近系泥岩夾砂質泥岩。滑坡後壁高約10～30m，滑坡形態清晰，坡體長300～500m不等，寬500～800m，推測平均厚度30～40m，主滑方向垂直清水河流向。由於本段所發育的滑坡全是老滑坡，滑坡體受水流沖蝕切割強烈，坡體表面樹枝狀沖溝十分發育，切割較深的沖溝兩側小型崩塌發育，部分滑坡後壁在黃土與泥岩接觸處有泉水出露。滑坡群整體穩定，但組成物較鬆散，現狀前緣受河流側蝕和開挖削坡的影響，局部出現掉塊和崩塌等輕微的變形跡象，可能導致前緣較陡段復活。目前受威脅的對象為村莊、公路。管線在該5處滑坡下方通過（圖5-7）。

圖5-7 h131滑坡示意剖面圖

1.黃土 2.黃土狀土及砂礫石 3.泥岩及砂質泥岩 4.滑坡堆積物 5.滑床及滑向 6.泉

2.危險性評價

據調查結果，區內已發生滑坡災情從一般級到特大級都存在。危害程度嚴重的有3處，主要位於通渭碧玉等地；危害程度中等的有6處，主要位於秦安蓮花、天水北道等地；其餘49處屬於危害程度輕的。主要危害農田、公路、零星住戶，同時構成泥石流的鬆散補給物質。

根據滑坡穩定性和危害程度評判結果，評估區危險性大的滑坡有4處，分別位於范家坪—彭家大山（h3、h5）、通渭碧玉峽口（h49）、張家川木河（h28）；中等的有30處，分別位於蘭州范家坪、靜寧仁大—秦安蓮花、清水土門～天水北道等地；危險性小的24處。

（三）泥石流

分泥石流災情和現狀危險性評估兩部分。

1.泥石流災情評估

區內已發生過多次災害性泥石流，按表5-16分級標准進行災情評估與分級，經調查後初步認為，評估區災害程度中和輕的較多，特重程度的泥石流一般很少發生。由於無法取得准確的資料，只能從簡單的走訪中了解。

表5-16 地質災害災情與危害程度分級標准

2.泥石流現狀危險性評估

按泥石流規模、易發性以及危害情況綜合評估危險性。

（1）泥石流規模。

本次按一次最大沖出量劃分（表5-17），計算方法採用徑流折演算法概算，經驗公式為：

W_H=1000K·H.a.F.

式中：

W_H——一次最大沖出量（10⁴m³）;

K——系數，取0.1～0.5;

H——小時最大降水量（mm）;

a——系數，取0.73;

F——流域匯水面積（km²）；

——增流系數。

根據公式

＝（γ_c-10)/(y_h-y_c）計算求得，其中γ_。為泥石流重度（k N/m³），根據泥石流數量化評分直接查得，γ_h為泥沙顆粒重度（k N/m³），取26.5k N/m³。

計算得出區內一次最大沖出量介於0.1×10⁴m³～7.5×10⁴m³之間，其中屬於小一型的16條，小二型的47條。

（2）泥石流易發性

主要依據已經作過的《縣（市）地質災害調查與區劃》成果進行易發程度分區評價。在沒有作過此項工作的地區，首先按表5-18進行泥石流易發程度分級評價，其中易發程度（嚴重程度）按表5-19進行量化。

區內共有泥石流溝57條，中易發性泥石流溝有21條，低易發32條，不易發者4條。

表5-17 評估區泥石流規模劃分標准表

表5-18 泥石流易發程度分級表

（3）泥石流危害程度及危險性

評估區泥石流溝多屬深切溝谷，而村莊一般均座落於溝谷較高地段，泥石流危害相對較輕，僅對靠近溝口的村莊、農田以及公路有輕微危害，但在城鎮附近和人口集中的地方泥石流危害最大，往往對溝谷兩側及溝口設施形成大的威脅和危害，並誘發一些崩塌和滑坡發生，如通渭碧玉、秦安蓮花城、張家川韓家硤等地。區內泥石流危害程度輕的有24條，危害程度中等的有33條。

表5-19 泥石流易發程度（嚴重程度）數量化表

根據泥石流的易發性、規模和危害程度，區內危險性大的泥石流溝有2條，位於燕麥庄（N8）和高崖（N9）；危險性中等的泥石流溝有31條，分別位於蘭州小坪子、馬營鎮、蓮花城、閻家店等地；危險性小的泥石流溝有24條。2條危險性大的泥石流溝距管線有一定距離，影響小。

（四）洪水沖蝕

洪水沖蝕強度東部大於西部，相應的危害性和威脅性也較大。通渭以西年降水量較低，屬中易發區，除少數河溝外，主要對農田、道路的威脅大，危害程度較小～中等。通渭以東，年降水量較多，特別是局地性陣雨及暴雨突發頻率較高，汛期洪峰流量大，來勢猛，對居民區和道路構成威脅，危害程度中等。除上述危害外，由於水流的不斷沖刷、浸泡和側蝕作用，常引起溝岸坍塌，加劇了水土流失，據有關部門資料和本次調查情況，通渭以西侵蝕模數500～2000t/(km²·a），強側蝕段坍岸速度0.1～0.5m/a，危害程度輕。通渭以東侵蝕模數小於2000～5000t/(km²·a），局部大於5000 t/(km²·a），危害程度中等。

依據調查成果，對評估區內洪水沖蝕災情和危險性分別給予評估。

災情評估依據表5-16分級標准進行，評價結果：屬於輕度災害的有4次，中等災害的有5次，重災害有2次（表5-20），表明本區洪水沖蝕危害一般為輕和中等，當遇降水多的年份或遇暴雨很可能造成較大的災害損失。

表5-20 已發生主要洪水沖蝕災害災情一覽表

易發性根據實地調查結果，並結合溝谷已發生洪水頻次和降水量分布情況確定。評價結果：高易發1處、中易發者1處，低易發10處（表5-21）。

根據洪水沖蝕災情和易發性結果，區內洪水沖蝕危險性小的有8處，中等的有4處（見表5-21）。

表5-21 評估區區洪水沖蝕溝現狀危險性評估一覽表

（五）地面塌陷

根據野外調查，評估區采空區目前僅有蘭州西固人防工程、地下水位上升引起的地面塌陷，人防工程與管線距離＞1.5km，黃土丘陵區開挖窯洞引起的地面塌陷很少，其他地段不存在地面塌陷現象。所以評估區內地面塌陷危害小，危險性小。

（六）特殊岩土災害

1.黃土濕陷和潛蝕

根據《濕陷性黃土地區建築規范》，對黃土的濕陷類型及等級作了初步評價。丘陵區黃土為Ⅱ－Ⅳ級自重濕陷性土，屬中等—很嚴重等級，河谷區黃土狀土多為Ⅰ—Ⅱ級非自重濕陷性土，僅黃河、渭河二級階地局部地段為Ⅱ級自重濕陷性土，屬輕微—中等級。

黃土濕陷和潛蝕現象主要表現為陷穴、陷坑、落水洞和豎井等。多零星分布於地形低窪地帶和陡岸處，規模均較小，落水洞一般深2～5m，洞口直徑0.5～2.5m。目前主要危害公路、渠道和農田，另外，引起崩塌、滑坡和水土流失發生。在黃土丘陵和河谷地帶對鄉間公路危害較大，危險性中等，其餘地段危害小，危險性小。

2.鹽漬土的鹽脹和腐蝕

鹽漬土以硫酸—氯化物型為主，經收集資料分析，通渭以西0.0～1.0m段土壤平均含鹽量為3.4%，最大可達 8%～15%左右，表層有弱脹縮性和腐蝕性；該類土現狀分布面積很小，對農田等不具危害性，因此危害小，危險性小。對建築基礎工程有一定影響，但危害小，危險性小。

高礦度水分布區，礦化度1.7～3.2g/L,p H值1～8，氯離子和硫酸根離子含量大於500mg/L,對混凝土和鋼結構有一定的腐蝕性，按《岩土工程勘察規范》（GB50021—2001）指標對比評價，評價區高礦化度水對混凝土具弱—中等結晶性侵蝕，小面積強腐蝕區位於黃河二級階地後緣和葫蘆河、牛谷河及關川河等地；對鋼材的腐蝕性均為中等（表5-22）。

3.膨脹岩的脹縮

根據岩樣分析結果，白堊系泥岩自由膨脹率（Fs）為20%～60%，蒙脫石含量8.17%～19.09%；頁岩自由膨脹率（F_s）為40%～54.3%，蒙脫石含量8.94%～15.59%。

新近系泥岩自由膨脹率（F_s）為11%～59%，膨脹力（P_s)(4～25)k Pa，飽和吸水率（Wsa)9.9%～34.9%。

依據《岩土工程勘察規范》，按自由膨脹率（F_s）分類（表5-23）評價，本區膨脹岩在大部分地段具脹縮性，但均屬弱膨脹潛勢，主要危害是剝落、掉塊造成農田、道路和水利設施等的掩埋，致災現狀輕微，危險性小。此外黃土自由膨脹率變化較大，現狀危害輕微，危險性小。

表5-22 高礦化水對混凝土和鋼結構腐蝕性評價結果表

表5-23 膨脹岩的膨脹潛勢分類表

2. 什麼是摔倒監測預警系統包括哪些內容

目前市面上的跌倒監測設備有各種各樣的，常見的有紅外、攝像頭和毫米波，紅外准確度稍差，攝像頭侵犯隱私，而毫米波則解決了兩者的問題，在准確度和隱私保護上都有很大的提升，這是目前技術的方向。

跌倒監測模擬場景，自動報警

3. 地質災害監測儀器設備研發

一、內容概述

從近10年在地質災害監測儀器領域取得的成果中選擇了以下幾種作為代表。

1.地質災害多參數採集傳輸儀

地質災害多參數採集傳輸儀是針對國內地質災害監測行業的現狀，參考了國內外廣泛應用於地質災害監測領域的多種工作模式的優缺點，以此為基礎研製完成的，可以連接的感測器有拉桿式位移感測器、拉繩式位移感測器、磁致伸縮位移感測器、地聲感測器、雨量感測器、含水率感測器、水位感測器、泥位感測器、傾斜感測器等。通過對這些感測器的組合搭配，可分別應用於監測滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降等領域；採集的數據通過中國移動的GPRS網路以TCP/IP模式傳輸到後端的數據監控中心伺服器顯示存儲，如果現場沒有GPRS信號，可以通過北斗衛星以短報文模式進行數據傳輸，系統框圖見圖1，實物見圖2。

圖1 地質災害多參數採集傳輸儀框圖

主要技術指標：

1）采樣方式：定時採集，可遠程設置採集時間；

2）模擬輸入通道：4路；

3）A/D解析度：等效16位；

4）數字輸入輸出通道：雨量開關量輸入及報警開關輸出；

5）工作溫度：-30～50℃；

6）傳輸模式：中國移動GPRS或北斗衛星短報文；

7）供電電壓：直流12V，交直流兩用供電。

圖2 地質災害多參數採集傳輸儀主機及配套感測器

2.滑坡預警伸縮儀和裂縫報警器

這兩種儀器主要是監測裂縫變化，在達到預設的報警閾值時發出避險警報，可以替代人工的巡視巡查，應用於滑坡、崩塌的地面或房屋裂縫的監測。滑坡預警伸縮儀的工作原理見圖3，裂縫報警器的工作原理見圖4，實物見圖5。

圖3 滑坡預警伸縮儀原理框圖

主要技術指標：

1）監測范圍：滑坡預警伸縮儀為0～1000mm，裂縫報警器為0～100mm；

2）監測精度：都是1mm；

3）A/D解析度：等效於16位；

4）報警聲壓：滑坡預警伸縮儀為105dB，裂縫報警器為100dB；

5）供電電壓：滑坡預警伸縮儀為12V鹼性電池，裂縫報警器為3V鹼性電池。

滑坡預警伸縮儀在利用報警器報警的基礎上，又增加了利用無線開關量模塊進行遠程報警的功能，在居民點布設的主機可以接收多個滑坡預警伸縮儀發來的報警信號，實物見圖6。

圖4 裂縫報警器原理框圖

圖5 滑坡預警伸縮儀和裂縫報警器

3.分布式電導率地質災害監測裝置

分布式電導率地質災害監測裝置主要應用於海水入侵監測，通過對海水入侵觀測井內不同深度井液的電導率數值的採集，利用水的電導率與含鹽量呈線性關系，根據電導率數值與電極所在的井深，確定鹹淡水的分界情況，方便、快捷、准確地完成對海水入侵這類地質災害狀況的監控。

分布式電導率地質災害監測裝置由主機、電纜、分布式測量電極組成。在一個觀測井內布設30個測量電極，電極間距1m，每一個電極通過繼電器連接在主機的數字輸出引腳上。主機在定時時間到後控制30個繼電器按順序分時通斷30個電極，通過AD採集的數據存入主機的存儲器，在後續處理中以曲線形式表達監測效果，系統框圖見圖7，工作示意見圖8，實物見圖9。

圖6 具有無線報警功能的滑坡預警伸縮儀

圖7 分布式電導率地質災害監測裝置框圖

圖8 分布式電導率地質災害監測裝置工作示意圖

圖9 分布式電導率地質災害監測裝置

主要技術指標：

1）電導率監測范圍：500μs/cm～0.3s/m；

2）測量精度：1%；

3）供電電源：直流12V，交直流兩用供電；

4）工作環境溫度：-5～＋40℃；

5）電極最大控制范圍：24m。

4.泥石流監測分析預警裝置

圖10 泥石流監測分析預警裝置框圖

圖11 泥石流監測分析預警裝置

開展泥石流預警研究，獲取准確可靠的數據是關鍵。泥石流監測分析預警裝置是根據泥石流特徵的主要參數設計的，泥石流地聲信號具有較低的頻率，而且其信號卓越頻率較其他頻率成分（環境噪音）高出許多，為我們檢測識別信號提供了有利條件。泥石流地聲信號的強度（幅值）與泥石流規模成正比，可以通過泥石流地聲數據的採集分析來確定規模，根據規模程度進行預警。通過對泥石流地聲的強度、頻率范圍和延續時間三要素的採集分析能初步摸清泥石流地聲的活動特徵、分布規律、發展趨勢，提供有效的預防和預警技術方案，促進泥石流防災能力的提高，為地質災害監測預警提供技術方法支持。系統框圖見圖10，實物見圖11。

主要技術指標：

1）A/D解析度：等效12位；

2）采樣間隔：10～50μs；

3）頻帶：1～500 Hz；

4）程式控制放大器增益：5～1000倍程式控制可調；

5）通道數：3路感測器信號，採用MSD-BUS協議；

6）工作環境溫度：0～＋40℃；

7）供電電源：直流8～28V，交直流兩用供電。

5.分布式地質災害監測採集傳輸儀

目前研製並應用的地質災害監測儀器主要是通過線纜連接前端的感測器，主要缺點是架線比較困難、連接的感測器數量有限，不適合地形復雜、要求監測點多的監測環境。分布式地質災害監測採集傳輸儀在物理層和MAC層採用了IEEE802.15.4協議，在網路層採用了ZigBee協議，進行了降低功耗和簡化路由演算法的工作，有效地增加了感測器數量，相對於有線方式具有很大的優越性。儀器系統框圖見圖12，實物見圖13。

圖12 分布式地質災害監測採集傳輸儀框圖

主要技術指標：

1）A/D解析度：等效16位；

2）組網規模：1個主機和10個採集器；

3）無線協議：780MHz，符合ZigBee規范的網狀網拓撲結構；

圖13 分布式地質災害監測採集傳輸儀

4）採集器供電：3.6V電池；

5）主機供電：直流12V，交直流兩用供電；

6）工作環境溫度：-20～＋40℃。

6.地質災害群測群防預警信息管理系統

地質災害群測群防預警信息管理系統包括單機版、B/S版、宣傳網站、C/S（三維）版。單機版系統是基於VB＋MapObject組件的開發模式研發的，地圖格式為shp格式，主要用於群測群防基本信息的錄入和管理，軟體見圖14。

圖14 地質災害群測群防預警信息管理系統單機版軟體

B/S版系統是基於網路開發的，應用了超圖公司SuperMap is.net平台的二次開發功能，通過網路實現了監測數據實時查詢、群測群防體系管理、根據許可權進行數據錄入、群測群防兩卡一表錄入查詢等管理功能，極大地方便了地方管理人員對於災害點和群測群防點的管理，軟體見圖15。

地質災害群測群防監測信息網是為了群測群防監測技術研發與示範項目的成果展示和儀器宣傳而開發的網站。網站通過新聞、項目概況、儀器介紹、科普等欄目對項目的主要成果和地質災害監測的重要性進行宣傳。計劃在未來實現對地質災害監測類工作的統一宣傳工作，軟體見圖16。

圖15 地質災害群測群防預警信息管理系統B/S 版軟體

圖16 地質災害群測群防預警信息管理系統網站軟體

C/S版（三維）是在之前的B/S版本的工作基礎上研發的，系統基於iTelluro三維地理信息組件，在三維環境下實現了地質災害、預警預案、群測群防、監測信息的一體化管理，基於插件式二次開發介面，可快速實現防治決策、綜合管理等定製業務，軟體見圖17。

圖17 地質災害群測群防預警信息管理系統C/S 版軟體

二、應用范圍及應用實例

1.示範區應用情況

圖18 水富縣火車站安裝的地質災害多參數採集傳輸儀

圖19 大關縣職業中學安裝的分布式地質災害監測採集傳輸儀

以上研製的儀器均已在雲南昭通市示範區內得到應用，在水富縣布置了3套地質災害多參數採集傳輸儀，用於監測雨量、位移、含水率參數（圖18）；在水富縣、鹽津縣、大關縣安裝了滑坡預警伸縮儀150個、裂縫報警器300個、泥石流監測分析預警裝置3套；在大關縣職業中學安裝分布式地質災害監測採集傳輸儀一套（圖19）；分布式電導率地質災害監測裝置在河北南戴河及山東昌邑的海水入侵觀測孔進行了監測（圖20）；地質災害群測群防預警信息管理系統在雲南省昭通市進行了示範應用，對雲南省昭通市主要縣區的地形圖及影像圖進行了編輯處理，已錄入災害點882個、專業監測點8個。

圖20 河北南戴河安裝的分布式電導率地質災害監測裝置

2.推廣情況及效果

1）在2008年的汶川震後重建工作中，為汶川災區生產滑坡預警伸縮儀5000套、裂縫報警器85000套（圖21）；在青海玉樹震後重建工作中，安裝了滑坡預警伸縮儀40套；在四川安縣、雲南昭通市成功預警預報4次（圖22）。

圖21 為汶川災區生產組裝了9萬套裂縫報警器、滑坡預警伸縮儀及配套設備

圖22 報警材料

2）地質災害多參數採集傳輸儀，在四川康定地區安裝了7台（圖23），四川中江縣馮店垮梁子滑坡安裝了2 台（圖24），舟曲災後恢復重建防治規劃區地質災害監測預警（二期）安裝了73台（圖25），重要地質災害隱患監測示範（遼寧）16台（圖26），目前均工作正常。

3）泥石流監測分析預警裝置在北京懷柔幽谷深潭及門頭溝礦區安裝了6套（圖27），在四川康定地區安裝了9套（圖28），目前均工作正常。

3.應用前景

地質災害的破壞力巨大，對人類的生命財產及人類賴以生存和發展的資源與環境造成危害和破壞。這些儀器的推廣不僅能使開發單位產生良好的經濟效益，更重要的是通過應用，對地質災害進行及時預警，可最大程度地減輕人民群眾生命財產的損失和對環境的破壞，這個價值是無法用經濟指標估量的。按照這種運行模式可以使有限的資金發揮最大的社會經濟效益。

圖23 四川康定現場

圖24 四川馮店垮梁子現場

圖25 甘肅舟曲現場

圖26 遼寧現場

圖27 北京懷柔現場

圖28 四川康定現場

三、推廣轉化方式

1.申請專利保護知識產權

泥石流監測分析預警裝置已經獲得發明專利，見圖29；地質災害多參數採集傳輸儀、滑坡預警伸縮儀和裂縫報警器已經獲得實用新型專利，見圖30至圖32；地質災害群測群防預警信息管理系統已經獲得計算機軟體著作權，見圖33；分布式電導率地質災害監測裝置和分布式地質災害監測採集傳輸儀的發明專利已經通過了初審。

圖29 泥石流監測分析預警裝置發明專利證書

圖30 地質災害多參數採集傳輸儀實用新型專利證書

2.培訓、宣傳與交流

在汶川震後重建工作中，進行了大量的現場培訓指導工作（圖34）；群測群防項目所研發的9項技術設備和軟體在2008年科技部發布的《南方地區雨雪冰凍災後重建實用技術手冊》和國家減災委及科技部抗震救災專家組編《地震次生災害應急實用技術手冊》中列為代表國土資源部的9個地質災害防治實用技術；2009年3月，全國地質環境工作會議上做了宣傳報告對群測群防監測預警儀器展覽；2009年5月，雲南地質災害防治工作會議上做了宣傳報告並對儀器安裝維護應用進行了培訓；2009年7月，全國地質災害汛期防治會議上發放了群測群防儀器宣傳材料；2009年7月，協辦昭通市地質災害群測群防交流培訓會，編寫了群測群防知識宣傳手冊和群測群防監測預警系列儀器的使用說明書、錄制了群測群防知識宣傳視頻節目；2009年9月，河北省地質災害防治會議上做了宣傳報告，對儀器安裝使用維護進行了培訓；2009年10月，全國地質災害應急防治會議（長沙）上做了專題報告及儀器展示；2009年11月，國土資源部開展了黃石地質災害應急演練，這些儀器參加了演練；2009年12月，東南亞國際滑坡會議上做了多媒體報告、儀器展示、並發表論文「低成本監測報警系統在中國的應用」。

圖31 滑坡預警伸縮儀實用新型專利證書

圖32 裂縫報警器實用新型專利證書

圖33 地質災害群測群防預警信息管理系統計算機軟體著作權證書

圖34 災區安裝培訓指導

技術依託單位：中國地質調查局水文地質環境地質調查中心

聯系人：張青曹修定

通訊地址：河北保定七一中路1305號

郵政編碼：071051

聯系電話：0312-5908718

電子郵件：[email protected]

4. 地質災害圖形圖像分析系統開發及其在天津地面沉降分析中的應用

石建省張鳳斌程彥培等

（地質礦產部水文地質工程地質研究所，河北正定050803）

摘要地質災害的分布和發生發展過程具有空間特性，其影響因素具有自身的特點和復雜性。作者開發的GHMIAS——地質災害圖形圖像分析系統是以典型地質災害為主要對象、以空間信息管理和分析為主要功能的應用性地理信息系統，該系統有獨特的空間分析模型擴充，融矢量、柵格和Windows圖形用戶對象為一體，支持多種數據格式相互轉換，具有豐富的制圖功能和高質量的制圖輸出，可以快速生成災害專題圖件。利用GHMIAS系統對京津唐區域地質災害的分布規律、發生機理、影響因素、發展趨勢等進行了大量的應用分析，對天津市區地面沉降過程及未來發展趨勢等研究取得了有益的成果，體現出GHMIAS系統在解決地質災害空間分布特徵、發生發展規律、演化趨勢預測等方面能發揮重要的輔助作用。

關鍵詞GIS空間分析地質災害預測

1引言

地質災害是危害人類生存的嚴重自然災害，其分布和發生發展過程具有空間特性，其影響因素具有自身的特點和復雜性，但目前適合地質災害專題空間信息管理和分析的圖形軟體系統尚不多見。在國家「八五」科技攻關項目中專門立題開展的地質災害圖形圖像輔助分析系統的研究，目的在於通過吸收和消化國內外地理信息系統（GIS）和其它圖形分析系統之特長，開發具有圖形－圖像輸入、存儲、處理、顯示、分析、輸出等功能的軟體系統（GHMIAS），並應用於京津唐地質災害評價中作為示範。

地質災害總是與一定的空間區域相聯系的，我們所看到的地質災害作用空間是由各種復雜的因素共同作用的結果，其中蘊含著十分復雜的自然和人為因素的相互聯系。地理信息系統方法為我們提供了一種系統分析各種因素的空間相互聯系及其作用結果的可能性，該系統的開發就是以地理信息系統分析方法為基礎，建立能夠進行地質災害問題空間信息管理與分析的實用系統，為地質災害問題的預測防治和決策服務。

針對地質災害問題的特點，GIS除應具有空間信息和屬性數據採集、存儲、空間分析、輸出等常規功能外，還應提供面向特定地質災害問題的空間評價預測能力、地質災害問題計算機圖形表達技術、圖例圖式系統及相應符號庫、專門圖件生成和處理等功能，同時，在圖形數據結構和資料庫系統設計中也要體現專業信息的分布特點，盡可能做到最大限度和最高效率地利用專門信息。

在示範性應用分析上，要通過對相應空間信息的採集、存儲、空間分析，試圖從空間統計、空間復合、空間模型預測的角度為專門地質災害問題的評價預測提供決策依據，為其它精確數學模型分析提供基礎參數信息。

2GHMIAS系統開發

2.1支持環境

硬體：PC386以上（推薦奔騰586機型）；內存至少4MB（推薦8MB以上）；硬碟至少有40MB位元組剩餘空間；可被Windows系統支持的輸入輸出設備。

軟體：Dos5.0以上；中文Windows3.1以上，或中文Win95。

2.2GHMIAS系統構成

GHMIAS系統由以下主要功能模塊組成：圖形輸入編輯、圖形整飾輸出、圖庫空間查詢、圖形空間分析（包括圖形統計、圖形復合、空間模型等子模塊）、圖像處理（圖1），以及系統幫助、系統功能演示等輔助模塊。

圖1GHMIAS系統結構略圖

2.3GHMIAS系統的主要特徵

作為以地質災害為主要對象的分析型GIS系統，GHMIAS具有如下特性：

（1）GHMIAS具有圖形輸入、編輯管理、查詢顯示、分析處理、圖形輸出等一般GIS基本功能；

（2）GHMIAS具有專門設計的圖形覆蓋分析、圖形序列空間灰色建模預測等多種空間分析模型，在圖形圖像分析系統中應用空間灰色預測模型的方法尚屬首次，這是對一維非線性灰色預測在空間上的延伸，對拓寬空間分析模型類型、豐富圖形圖像系統的分析能力有重要意義，適於地質災害空間分析建模需求；

（3）數據結構先進合理，融矢量、柵格和Windows圖形用戶對象為一體，採用結構緊縮和數據壓縮技術，具有拓撲/直接矢量格式共存與互補互轉機制，支持多種數據格式相互轉換，可以與ARC/INFO、IDRISI、SPACEMAN等國內外主要GIS系統共享數據；

（4）GHMIAS採用微機＋中文Windows平台模式，界面直觀，操作簡便，符合軟體開發流行趨勢和普及化推廣應用需求。

2.4層次結構數據模型

數據模型和數據結構是地理信息系統的核心，是完整和靈活地實現其功能的關鍵。地質災害信息系統所處理的對象是具有一定空間特徵和復雜屬性聯系的信息體，其數據模型和數據結構設計的目的是通過對專業信息的數據結構抽象，建立面向專業問題的數據結構，從而為實現高度專業化的地理信息系統目標奠定基礎。

2.4.1項目（Project）

項目是在特定信息領域為特定目標建立的信息管理的最頂層對象，它是與特定領域和目標有關的信息庫的集合。也就是說，一個項目（Project）管理和控制一個以上庫（Database）的操作。

一個應用任務建立一個項目，建立項目的同時將初步建立項目環境和分庫方案。在後面的操作中可以按分層管理的方法對項目的下面層次逐級進行修改和擴展。

2.4.2庫（Database）

庫是在項目控制之下由以不同存儲方式記錄的不同類型信息文件組成的集合。一個庫（Database）由一個以上信息文件（File）組成。

一個項目可以由一個或若干個庫組成，其數量取決於對對象系統信息屬性分析後確定的合理的庫劃分方案。

2.4.3文件（File）

它是計算機中操作系統對用戶信息體管理的基本單位，在本系統的數據結構中，數據文件是由一個以上圖層（Layer）組成的信息體。

一個圖形庫可由多個圖形文件組成，其數量的限制是操作系統支持的目錄中最大文件個數。

2.4.4圖層（Layer）

一個圖形信息文件由不同屬性的信息組成，為便於區分信息的屬性並對各屬性進行獨立操作，有必要對一個圖形文件中的不同屬性類型進行分層次管理，這就是圖層的概念。

一個圖形文件可以由多達256個圖層構成。在對圖形文件操作時，通過設定圖層顯示屬性，確定顯示的圖層范圍。

2.4.5圖元（Element）

圖元是圖形信息的最小單位，在Windows環境下開發GIS系統可以比較好地實現矢量、柵格及Windows標准圖元相結合的信息記錄體系。其中，用戶信息一般以點、線、多邊形等形式表示，具矢量特徵；空間影像、照片、其它掃描圖形則以柵格形式表示；Windows系統提供的矩形、橢圓形等規則圖形體則可用於符號注記、圖面整飾等。實現三類圖元共存能使GIS系統的可操作性、輸出簡易性和圖形表達效果大大增強。

圖元的表示採取「圖元頭」＋「圖元體」的方式，圖元頭通過與有關屬性表格的聯系，記錄圖元的標識、顯示屬性、充填屬性、所在圖層、用戶屬性聯系等信息，圖元體則記錄圖元的空間位置關系。

這樣，我們就建立了從「項目→庫→文件→圖層→圖元」的信息結構鏈，通過這樣一種鏈式結構，對用戶而言，只要從建立項目開始，就可以在系統的引導下逐步構築起復雜的信息框架和結構，構成完整的信息系統網路；對系統而言，一旦實現這種框架，這種層次結構可滿足用戶對任一層次上信息進行更新和編輯的要求。

2.5系統模塊和功能

2.5.1矢量圖形輸入編輯模塊

用多文檔界面處理圖形，主要包含下列功能。

文檔：新建、打開、關閉、保存、轉入、轉出、數字化、數據聯系、列印、退出；

編輯：選擇、復制、刪除、移動、旋轉、改變形狀、修改屬性、放縮圖元、修改圖形文件頭等；

視圖：充滿窗口、放大、縮小、重繪、顯示控制；

繪制：文本、點、線、多邊形、矩形、正方形、圓形、橢圓形等；

設置：頁尺寸、圖層、標尺、文本特性、線特性、充填特性、點類型、改變調色板等；

輸出：支持矢量圖形和柵格圖形的圖面整飾及合並輸出，可以在多種輸出設備（從普通針式列印機、激光列印機，到大型筆式繪圖儀、大型彩色噴墨繪圖儀等）上使用，其輸出質量已達到較高的水平。

幫助：索引、定題幫助、術語、關於本模塊的信息。

2.5.2柵格圖形分析模塊

在吸收國內外相關軟體優點的基礎上，開發的本模塊具有下列主要功能。

文檔：新圖、打開、關閉、掃描等；

編輯：修改、復制、刪除等；

繪制：與矢量子系統基本相同，但以柵格格式存儲；

操作：矢量柵格轉換、圖形屬性查詢、修改圖像文件頭、圖形賦值、屬性提取、圖形重分類、放大、縮小、轉置、拼接、開窗、過濾等；

圖形統計：直方圖分析、交叉列表、回歸分析、自相關分析、趨勢分析、隨機圖像生成等；

圖形代數：圖形覆蓋、常量運算、面積計算、周長計算等；

空間模型：灰色預測模型、距離模型、費用表面、最佳路徑、挖填方分析、歸類處理、表面分析、視點分析、分水嶺分析等。

2.5.3圖像處理模塊

以吸收其它系統的功能為主，支持圖像識別、分類、標准化、假彩色合成、條紋去除、過濾、主成分分析、模糊矩陣分析等操作。

2.5.4圖形圖像庫空間檢索模塊

該模塊為京津唐地質災害圖形圖像庫的檢索查詢系統。進入本模塊後，在圖上京、津、唐、秦及全區圖形位置任一點上用滑鼠進行相應地區的圖形圖像庫信息查詢。

2.5.5系統指南與幫助模塊

幫助模塊是用戶學習使用本系統的方便工具。本模塊和各模塊中的幫助功能構成GH-MIAS的幫助支持體系，可以使使用者在初步接觸時、操作使用過程中、達到熟練程度後各階段都能得到相應的幫助，解決使用過程中需要了解的疑難問題，獲得有關數據結構、文件結構等方面的信息等。

3GHMIAS系統在天津地面沉降空間分析中的應用

3.1水位變化的時間－空間統計與評價

已有的研究表明，導致天津市地面沉降加速的主要原因是「地下水超采使地下水位持續下降」，經過天津市地質工作者和各方面的努力，在80年代壓縮地下水開采量之後，地面沉降得到有效控制。

作為產生地面沉降的直接誘導因素，過去對地下水位的變化情況已經做了許多分析和研究，但通常採用的是觀測數據直接統計分析的方法，也就是對離散數據的分析；但現實世界信息的特點卻是在空間和時間上連續變化的。利用GHMIAS空間分析原理，就可以實現對這類信息的准確的空間統計（盡管我們對現實世界信息的採集是不連續的和離散的，但在GHMIAS系統的支持下，可以利用離散插值或等值線插值的方法，由離散信息生成模擬連續空間表面，以「准真實」的形式反映信息的空間特性）。這就從分析能力和精確性方面超過了以前的分析形式，從而容易取得對決策過程更有價值的支持依據。

對天津市水位變化情況的空間分析是以天津市第二、第三含水組1980、1985、1988年的水位觀測數據為基礎進行的，分析過程見圖2。

圖2天津市地面沉降的時間－空間圖形分析基本過程（以水位分析為例）

由屬性資料庫提取的水位觀測信息，經過GHMIAS系統離散數據插值表面的處理，生成各時段的地下水位表面圖形（圖略），再利用GHMIAS系統的柵格空間分析工具進行圖形覆蓋——常量運算，取得不同時段間隔的水位變化空間分布特徵圖形，再利用空間統計，結合空間面積、體積統計，對1980、1985、1988年各年度水位狀態和1980～1985、1985～1988以及1980～1988年時段間隔的水位變化特徵取得了一系列分析成果（圖略）。

從空間分析的統計結果（表1）可以看出，天津市區80年代地下水位的變化，無論是第二含水組還是第三含水組，其水位下降的趨勢都在減弱，就第二含水組而言，無論是水位變化的空間絕對特徵值（最大、最小、均值），還是下降區面積與上升區面積之比，或是水位變化反映在含水空間的體積變化等方面，都在向水位上升的方向發展，80年代末與80年代初相比，水位上升的總量已經超過水位下降的總量，經歷了80年代初的水位下降為主導到80年

表1天津市區及近郊80年代地下水位空間升降特徵值

＊負值為水位相對下降值，正值為水位相對上升值。代末的水位上升為主導的過程。第三含水組的情況與第二含水組類似，但變化幅度不如第二含水組明顯，致使其在總體上水位下降減弱的趨勢下，80年代初與80年代末的水位總體變化仍然呈現出水位下降佔主導（空間統計的均值為下降值），水位下降的總量仍然超過水位上升的總量（含水空間體積變化平衡值為體積減少）。這說明對第三含水組的控制開采措施不及第二含水組有力。

3.2地面沉降量變化的空間分析與評價

圖3天津市區1985～1992年地面沉降空間體積變化

表21985～1992年沉降量分布的數值統計

＊負值為回彈量。

用與水位空間分析同樣的原理（見圖2），對天津市1985、1988、1990、1992年地面沉降觀測信息進行了空間特徵分析。對空間分析結果的統計（圖3、4，表2）表明，天津市地面沉降控制行動在1988年前後取得顯著成果，地面沉降造成的土體體積壓縮量明顯下降，1988年以後，進入一個相對穩定的時期，在1990年前後沉降增速達到最小，但到1992年前後，地面沉降的體積又略有回升，可能意味著限制二層含水層開採的控沉效用已經發揮得差不多了，而新的致沉降因素造成的沉降加速作用還未得到很好的控制。

圖41985～1992年地面沉降量分級分布面積空間統計值的分布負號表示反彈

從沉降回彈量的空間分布的變化情況看，也具有一致的結果，即1988年前後控制沉降帶動的地面回彈達到最大，而後開始回落，1992年與1990年相比地面回彈體積又有明顯減小。同樣說明進入90年代後，天津市區地面沉降的形勢仍然不容樂觀，如果不抓緊進一步實施控沉措施，地面沉降將再次加劇。

1988年以來，天津市區地面沉降減速區的面積不斷縮小，從1985～1988年的549.34km²，到1988～1990年間的418.00km²，到1990～1992年間則下降為283.11km²；而地面沉降加速區的面積卻呈增加趨勢，從1985～1988年間的2.75km²，發展到1988～1990年間的134.09km²,1990～1992年間則達到268.98km²，說明從總體上看，1988年以後的地面沉降形勢沒有再向良化方向發展，而是趨向於增強（圖5）。

其時段區間年沉降量變化值分布的絕對統計值（表3）也表明，1988年以後回彈在減少，沉降在增加。1992年全區（研究區包括市區及近郊）地面沉降量的分布與1990年相比，平均沉降量增加了2.46mm。

表3年際間沉降量變化幅度統計

＊負值為沉降減速，正值為沉降加速。

圖5不同時段區間年沉降量變化值分級空間統計值的分布負號表示反彈

從空間分布上看，不同時期的地面沉降中心和不同時段地面沉降量變化值的分布也有較大變化。1988年與1985年相比，研究區地面沉降速度全面減弱，其中減弱幅度最大的中心區分布於市中心區東側的工人新村、方新莊、香料廠一帶；1990年與1988年相比，大部分地區沉降量變化不大，其中，市中心區大部及研究區東北部李明庄—歡坨一帶等區域沉降量略有增加，其它區域沉降量繼續減弱；1992年與1990年相比，大部分地區繼續保持基本平穩的沉降速度，其中市中心區及研究區東北、西北部沉降量略有減弱，研究區西南角華莊子一帶沉降量則有明顯增加。

3.3地面沉降形勢的灰色空間模型預測

由於我們掌握的與地面沉降有關的因素的空間分布與時間演化信息不夠系統，很難建立地面沉降預測的精確型空間分析模型，但GHMIAS系統管理的地面沉降觀測序列信息包括1985、1988、1990、1992年四個時段，基本上可以利用這些信息的空間分布特徵，利用GH-MIAS系統特別提供的灰色空間圖形預測模型分析工具，進行示範性預測分析。

3.3.1對1994年地面沉降基本特徵的灰色預測

利用前面空間統計分析的結果，可以對一些今後沉降變化的特徵值進行灰色預測，預測過程的理論方法和資料利用技術參見關於空間分析模塊演算法原理的有關描述。預測的結果見表4。

表4預測1994、1996年沉降特徵值及1992～1994年間地面沉降量變化的特徵值

根據預測結果，1994年天津市區地面沉降體積約為5409538m³，預測地面回彈體積將下降為6757.4m³。預測1994年地面沉降量空間分布的最小值為－1.8mm（地面回彈1.8mm），最大值為沉降72.32mm，均值為19.38mm，地面沉降速度增加的分布面積將增長到484.39km²，而沉降減速的分布面積將減少為191.63km²。這一預測結果表明，如果不採取更有力的控沉措施，今後地面沉降的趨勢將向加速方向發展。由於資料的時間序列偏短，模型校正能力有限，該預測結果的偏差范圍較大，但從實際值與預測模型計算值的對比看，擬合情況較理想，說明從發展趨勢上看，有一定的可靠性，並且與前面的統計分析結果是一致的，因而有一定的參考價值。

3.3.21994、1996年地面沉降態勢的空間預測與分布分析

分析過程如下：

（1）從屬性資料庫中提取1985、1988、1990、1992年地面沉降觀測數據；

（2）利用GHMIAS系統的離散點數據插值表面功能，建立四個時段的沉降特徵表面（圖略）；

（3）運行GHMIAS系統柵格空間分析工具中的灰色空間圖形預測分析選項，選擇已生成表面的四個時段圖形參與分析，生成預測1994、1996年的地面沉降空間特徵表面（圖略）；

（4）對殘差的空間區間進行分析，確定模型預測的可信區間，對模型預測的精度和可靠性進行評價；

（5）利用GHMIAS系統的柵格圖形分析功能，進行預測結果圖形的統計分析和分級提取、面積和體積計算，對統計計算結果進行分析。

對1994、1996年天津市區地面沉降進行灰色空間圖形預測分析結果的總體評價為：

（1）與1992年相比，天津市區的地面沉降形勢將呈總體上基本平穩的形勢，而近郊的沉降量將有所增加，致使全區總沉降水平略有上升。1994年地面沉降量分布的均值為19.77mm,1996年為24.09mm，因此需要加強控制地面沉降措施。

（2）沉降加速的中心位置將進一步轉移到研究區西南角的華莊子一帶，1996年時研究區東南部沉降量也可能有所增長。

（3）與前面直接對地面沉降分布特徵值的灰色預測相對比，基本上可以認為，利用SGM模型進行空間預測的結果因為時間序列長度有限，存在向極值增強的現象，即預測空間分布的最大、最小值可能比實際值偏離較大，但總體上其平均沉降水平與特徵分析結果比較一致，沉降分布的均值1994年為19.77mm,1996年為24.09mm，這分別與直接對特徵值的灰色預測結果，（1994年19.38mm,1996年22.76mm）基本吻合，說明預測結果有一定的可信性。

參考文獻

[1]Shi Jiansheng.Spatial analysis on the relationship between active fault and Karst surface collapse in Tangshan city of China.The Chinese Journal of geological hazard and Control,1996,7（3）:87～91.

[2]Wu Lun et al..A Guide Book to GIS.Beijing university Press,1994,1～5.

[3]J.T.Coppock et al..Methods of spatial analysis in GIS.International Journal of Geographical Information Systems,1990,4（3）.

[4]Michael F.Good child,Karen K.Kemp.Introction to GIS.NCGIA Core Curriculum,1991.

[5]Hu Huimin et al..The development of ground subsidence in main cities of North China.The Chinese journal of Geological Hazard and Control,1991,2（4）:1～9.

[6]Cui Xiaodong et al..A mathematical model of land subsidence in Tianjin and its numerical computation.Geological Hazards,Proceedings of Beijing International Symposium,1991,310～312.

[7]Jin Dongxi,Niu Xiujun.Land subsidence in Tianjin city and the countermeasures.Geological Hazards,Proceedings of Beijing International Symposium,1991,313～318.

[8]Li Minglang.The main geo-environmental problems in Tianjin city.The Chinese Journal of geological Hazard and Control,1994,5（3）.

[9]Deng Julong.Gray Control System.Central China university of technology press,1985.

5. 顯式統計預警模型方法

應用地質災害顯式統計預警的基本原理，根據5.4節中南山地丘陵區試運算工作實踐，並對5.4節中相關權重計算等問題進行進一步的思考和修正，逐步摸索了一條地質災害預警預報的實現途徑。主要包括如下幾個步驟:

1)地質環境條件的定量化表達(潛勢度計算);

2)地質災害與地質環境、降雨資料統計分析參數選擇;

3)顯式統計預警模型選取;

4)地質災害預警指數計算;

5)地質災害預警產品生成等。

5.5.1 地質災害「潛勢度」計算方法

地質災害潛勢度是指區域地質災害發生的潛在條件組合的評價指標，具體反映一個地區是否具備發生地質災害的地質環境背景條件。

一般採用綜合指數模型進行評價:

中國地質災害區域預警方法與應用

式中:Q_n為第i個單元的潛勢度指數;j為評價因子;a_i為第j個評價因子在第i個評價單元中的賦值;b_j為第j個評價因子的權重。

因此，地質災害潛勢度計算結果的合理與否，主要取決於兩個方面:一是評價因子選取與定量化;二是評價因子權重的確定。5.5.1.1評價因子定量化

採用廣泛使用的確定性系數模型(CF)進行因子圖層的量化。基本假定是地質環境的優劣可以根據過去地質災害(滑坡)的易發程度來確定。即過去地質災害多發的地方，地質環境條件也較差。

確定性系數模型(CF)最早由Shortliffe和Buchanan(1975)提出，由Heckerman(1986)進行了改進，表示為下式:

中國地質災害區域預警方法與應用

式中:PP_a為滑坡在數據類a中發生的條件概率，應用時為數據類a中存在的滑坡個數與數據類a面積的比值;PP_s為滑坡在整個研究區A中發生的先驗概率，可以表示為整個研究區的滑坡的個數與研究區面積的比值。

將各因子圖層分別按公式計算，CF的變化區間為［－1，1］。正值代表事件發生確定性的增長，即滑坡發生的確定性高，地質環境條件差;負值代表確定性的降低，即滑坡發生的確定性低，地質環境條件好;CF值接近於0，說明確定性居中，不能確定地質環境的優劣。

選取各因子圖層量化結果(CF值)作為評價因子的賦值(公式中a_i值)參加計算。5.5.1.2評價因子權重的確定

根據中南山地丘陵區試運算情況，對權重計算方法做了相應的改進。首先採用上節計算所得的各因子CF值進行變換來計算各因子的權重，具體計算權重的方法為本項目的一個創新的方法。具體計算方法如下:

(1)所有因子圖層CF值合並計算

首先將各因子圖層全部合並計算。假定要合並兩個因子圖層的CF值分別為x和y，合並後的結果為Z，則合並公式如下式:

中國地質災害區域預警方法與應用

先選定岩土體類型因子，根據上式逐步疊加合並各因子圖層。為使合並結果易於解釋，將合並的圖層的CF值進行分類，分為5個級別，合並後各級別的百分比用Z_all－i(i=1，2，…，5)表示(表5.9)。

表5.9 CF級別劃分

(2)某因子圖層CF值的貢獻計算

當計算某因子圖層的CF值的貢獻時，首先計算除該因子圖層外，其他所有圖層疊加合並的Z值分段百分比，得到Z_{某圖層－i}(i=1，2，…，5);然後根據式(5.8)計算該圖層的CF值貢獻。

中國地質災害區域預警方法與應用

式中:△Z_{某圖層－i}為某圖層CF分段貢獻值;Z_all－i為所有圖層CF合並分段結果值;Z_{某圖層－i}為除該圖層其他所有圖層CF合並分段結果值;i為CF分段級別，i=1，2，…，5。

(3)計算各因子圖層權重

根據式(5.9)，計算每個因子圖層的相對貢獻大小，經歸一化後得到各因子的權重。即

中國地質災害區域預警方法與應用

式中:T為某因子圖層的權重;△Z_－i為某圖層CF分段貢獻值，即△Z_{某圖層－i};i為CF分段級別，i=1，2，…，5。

5.5.2 地質災害顯式統計預警模型選取

5.5.2.1 模型選取原則

在統計模型的選擇上，選定兩種模型進行對比分析計算。一是多元線性回歸模型，該模型是傳統的數學統計的代表方法，具備簡單直觀的特點;二是神經網路模型，該模型是黑箱模型模仿推理計算的代表方法。兩種代表性的方法可以進行相互校驗。

5.5.2.2 多元線性回歸模型

多元線性回歸模型反映一種結果與另外多種原因的依存關系，即是另外多種因素共同對一種結果產生影響，作為影響其分布與發展的重要因素。

設變數Y與變數X₁，X₂，…，X_m存在著線性回歸關系，它的m個樣本觀測值為Y，X₁，X₂，…，X_m，於是多元線性回歸的數學模型可以寫為

中國地質災害區域預警方法與應用

可採用最小二乘法對上式中的待定回歸系數β₀，β₁，…，β_m進行估計，求得β值後，即可利用多元線性回歸模型進行預測了。

計算了多元線性回歸方程之後，為了將它用於解決實際預測問題，還必須進行數學檢驗。多元線性回歸分析的數學檢驗，包括回歸方程和回歸系數的顯著性檢驗。

回歸方程的顯著性檢驗，採用統計量:

中國地質災害區域預警方法與應用

式中: ，為回歸平方和，其自由度為m; ，為剩餘平方和，其自由度為(n－m－1)。

利用上式計算出F值後，再利用F分布表進行檢驗。給定顯著性水平α，在F分布表中查出自由度為m和(n－m－1)的值F_α，如果F≥F_α，則說明Y與X₁，X₂，…，X_m的線性相關密切;反之，則說明兩者線性關系不密切。

回歸系數的顯著性檢驗，採用統計量:

中國地質災害區域預警方法與應用

對於給定的置信水平α，查F分布表得F_α(n－m－1)，若計算值F_i≥F_α，則拒絕原假設，即認為X_i是重要變數，反之，則認為X_i變數可以剔除。

多元線性回歸模型的精度，可以利用剩餘標准差(S)來衡量。S越小，則用回歸方程預測Y越精確;反之亦然。

中國地質災害區域預警方法與應用

5.5.2.3 BP神經網路

人工神經網路(ArtificialNeuralNetwork，簡稱ANN)是基於模仿大腦神經網路結構和功能而建立的一種信息處理系統。BP神經網路是目前應用最廣泛也是發展最成熟的一種神經網路模型。BP神經網路也即誤差逆傳播網路(Back-PropagationNeuralNetwork)，由Rumelhart和Mclland等1985年提出。它為神經網路的一種重要方法，它由三部分組成:感知單元組成的輸入層、一層或者多層的計算節點為隱藏層和一層計算節點的輸出層(圖5.19)。

BP神經網路計算步驟:

1)首先初始化，給各連接權{W_ij}、{V_jt}及前置值{Q_j}、{R_t}，並賦予(－1，+1)間的隨機值。

2)隨機選取一模式對A_k=(a₁^k，a₂^k，…，a_n^k)，y_k=(y₁^k，y₂^k，…，y_n^k)提供給網路，(k=1，2，…，m)。

3)用輸入模式A_k=(a₁^k，a₂^k，…，a_n^k)，連接權{W_ij}和前置值{Q_j}計算中間層各單元的輸入s_j;然後用{s_j}通過Sigmoid函數f(s_j)計算中間層各單元的輸出{b_j}。

中國地質災害區域預警方法與應用

圖5.19 BP神經網路結構示意圖

4)用中間層的輸出{b_j}，連接權{V_jt}和前置值{R_t}計算輸出層各單元的輸入{L_t}，然後用{L_t}通過Sigmoid函數計算輸出層各單元的響應{C_t}:

中國地質災害區域預警方法與應用

5)用希望輸出模式y_k=(y₁^k，y₂^k，…，y_n^k)，網路實際輸出層各單元的一般誤差{d_t}:

中國地質災害區域預警方法與應用

6)用連接權{V_jt}、輸出層一般化誤差{d_t}、中間層輸出{b_j}計算中間層單元的一般化誤差{e_j}:

中國地質災害區域預警方法與應用

7)用輸出層各單元的一般化誤差{d_t}、中間層各單元的輸出{b_j}修正連接權{V_jt}和前置值{R_t}:

中國地質災害區域預警方法與應用

8)用中間層各單元的一般化誤差{e_j}、輸入層各單元的輸入A_k=(a₁^k，a₂^k，…，a_n^k)修正連接權{W_ij}和前置值{Q_j}:

中國地質災害區域預警方法與應用

9)隨機選取下一個學習模式對提供給網路，返回到步驟3，直到m個模式對訓練完畢。最後使網路全局誤差函數E小於預先設定的一個極小值ε。

中國地質災害區域預警方法與應用

誤差反向傳播演算法是基於誤差修正學習規則的。誤差反向傳播學習由兩次經過網路不同層的通過組成:一次前向通過和一次反向通過。在前向通過中，一個活動模式(輸入向量)作用於網路感知節點，它的影響經過網路一層接一層傳播。最後，產生一個輸出作為網路的實際響應。在前向通過中網路突觸權值是固定的，而在反向通過中，突觸權值全部根據網路誤差修正規則來調整。網路誤差為目標期望響應減去網路實際響應。當突觸權值被調整到從統計意義上實際響應接近目標期望響應時，網路已經訓練成功。用訓練好的網路就能夠預測未知的目標響應。

綜合上述，有監督學習的神經網路應用於模式識別問題中，主要包括兩個階段，即網路訓練階段和工作階段。網路訓練階段主要任務是調整網路權值減小網路的誤差;網路工作階段，將網路調整好的權值固定不變，對實驗數據或者實際數據進行預測識別，達到分類預報目的。

6. 　地質災害受災體價值分析

地質災害災情評估的核心目標是定量化評價地質災害的破壞損失程度。要實現這個目標，不僅要反映各種受災體遭受破壞的數量和程度，更重要的是將各種受災體的破壞效應轉化成貨幣形式的經濟損失。要完成這項工作，除了調查分析評價區受災體類型和分布情況外，還必須在此基礎上統計分析受災體的價值及其分布情況，根據它們遭受災害損失的機會核算價值損失。因此，地質災害受災體價值分析是研究社會經濟易損性的重要內容。

地質災害受災體價值分析的中心工作就是調查統計受災體的分布情況，核算受災體的價值，並以單元價值額或價值密度等為指標，反映評價區受災體價值分布。

一、地質災害受災體價值核算方法

以上劃分的14類地質災害受災體，雖然它們的功能各異，但除了人的生命健康、風險觀念難以用貨幣價值衡量外，其它類受災體都可以用貨幣形式反映它們的價值。這些受災體的價值類型可以歸結為兩類：房屋、鐵路、公路、橋梁、設備、室內財產等，是人類勞動創造的有形財富，屬於資產價值；土地、地下水等是人類生存與發展的基礎，屬於資源價值。

（一）資產價值核算

資產價值可採用資產評估方法進行核算。在各種資產類受災體中，除個別受災體需考慮效益價值外，大部分受災體價值為成本價值或成本價值疊加利潤價值，即市場價值。核算的基本途徑有兩種：對固定資產實行統一財會管理的部門和單位，可根據賬面反應的固定資產凈值確定固定資產價值；對於沒有會計核算的固定資產，可根據資產項目的實際性狀評估價值，或者根據資產項目原值、使用年限及相應折舊率核算資產凈值。

資產實際性狀主要指資產外觀、結構、整體完整性和穩定性、性能完好程度等。不同資產的具體表現不同。例如評估房屋價值時，主要依據為：房屋結構——地基基礎、承重構件、非承重構件性狀；裝飾部分——門窗、頂棚等完好程度；設備部分——上下水設備、衛生設備、照明設備等的完好程度。從而評定其新舊成數，進一步核算房屋的價值（表6-1、6—2、6-3）。

除現場調查評估外，可根據資產實際使用年限與壽命年限的比值大致估算資產凈值。表6-4、6-5、6-6給出了房屋、部分構築物和通用設備的壽命參考值，供評估使用。

資產原值指新置資產的價值。由於受災資產的購制時間不同，受物價因素影響，同幣額資產實際價值不同，所以應根據價格指數將評價區所有受災資產價值折算成同一年份的可比價值。

因資產購制時間久遠或其它原因，難以確定資產原值時，可根據評價區當年物價水平，採用重置成本方法或市場價值類比方法核算資產現值。所謂重置價值是指在現實技術設備、工藝水平和材料價格、人工費用條件下，重新建造或製造與評估對象相同結構、質量、性狀的建築物、構築物、設備、工具、儀器、儀表等物品所需的費用。所謂市場價格類比方法是以市場上類似的資產交易價格為參照物確定評估對象的資產價值。如果考慮受災體的折舊和災後的殘值，評估對象的現值按下式核算：

表6-1鋼筋混凝土結構房屋新舊程度參考標准

據呂發欽，1993。

表6-2磚結構房屋新舊程度參考標准

據呂發欽，1993。

表6-5部分構築物壽命年限

據呂發欽，1993。

表6-6主要通用設備壽命年限

據呂發欽，1993。

受災體現值＝重置價格×[（1－殘值率）×成新度＋殘值率]

殘值率是指建築物及其它受災體遭受災害破壞後所剩餘的殘留價值與受災體造價的比值。不同受災體的殘值率不同。我國對建築物等的殘值率已有技術規定，如鋼結構建築為0%，磚混結構為27%等。沒有專門規定的可比照同類物體確定殘值率。成新度指的是評估對象的新舊程度，其中房屋可參照表6-1、6-2、6-3取值，其它受災體可參照國家標准或比照同類物體標准確定成新度。

遭受地質災害危害的資產種類十分繁多，其中大部分資產可採用上述通用方法核算價值，但還有一些具有特殊性質的資產，採用上述方法評估其價值時需要進行適當的變通，甚至採用其它一些方法進行價值核算。對於在建（在制）工程，不存在原值與凈值以及折舊的核算問題，其資產價值為已經形成的建製成本。對於庫存原材料、燃料、低值易耗品、在產品、產成品、半成品等資產價值，可根據不同情況採用歷史成本法、現時重置成本法、清理變現價值法核算價值；其中清理變現價值法是按庫存物資目前可變現凈值估算其價值。對於企業的大型、精密稀有設備，可根據國家物資部門或工業主管部門的相應價值目錄（如《機電產品價格目錄》、《紡織機械行業出廠基準價目錄》等）核算其價值。對於某些難以找到可靠依據的特殊資產，可採用定性分析與定量分析相結合的方法，即以相近似資產價值為參考，並徵求有關技術經濟專業人員意見，然後核算其價值。

（二）資源價值核算

1.自然資源的基本屬性與價值核算的基本方法

地質災害對自然資源具有多方面破壞作用，但最主要的是破壞土地資源和地下水資源。因此，在災情評估的易損性評價中，主要分析這兩種資源價值核算方法。

自然資源是人類生活資料和生產資料的基本來源，是人類賴以生存和發展的基礎。自然資源是一種物質，它和其它物質一樣對人類具有兩種屬性：一是實物屬性，供人類各種活動的物質消耗；二是環境屬性，各種自然資源與人類結合在一起，營造了人類生存發展的環境。因此，自然資源在社會經濟中也具有兩方面作用：一是為人類提供物質原料；二是影響人類的環境質量。

自然資源可以分為有限資源和無限資源。有限資源可進一步分為可再生資源和不可再生資源。對於有限資源來說，無論是不可再生資源還是可再生資源，它們都不是取之不絕用之不盡的。特別是隨著地球人口數量的迅速增長和經濟活動的持續發展，人類對各種資源的需求數量和開發程度不斷提高，有限資源的「有限」性特徵越來越鮮明。土地資源和地下水資源是對人類有直接關系的重要資源。它們雖然都屬於可再生資源，但它們遭受破壞以後的再生恢復過程不但需要一定的自然環境和不同方式的人為良化再造，而且需要一定的時間周期。因此，土地資源和地下水資源的破壞，不但降低或者喪失了它們的利用價值，而且在恢復中還需要投入必要的再造成本。

自然資源的可利用性決定了自然資源是有價值的。由於自然資源的價值表現十分復雜，所以，目前國內外對自然資源價值的認識還很不完全。特別是在我國，長期以來片面強調只有人類勞動創造的成果才具有價值，忽視自然資源的價值屬性。不但在有關研究領域基本處於空白，而且在社會生活中基本上是無償地佔有和使用各種自然資源，所以普遍缺乏資源價值觀念，更沒有資源價值核算方法。

從一般意義上說，自然資源價值的高低主要取決於三個方面，即：資源與人類的相關程度或可利用程度；資源的豐度或稀缺程度；資源開發利用條件和再生恢復的難易程度。根據上述特點，自然資源價值主要包括兩部分：一是自然資源本身的價值，它是資源所固有的，具有「潛在」性質的價值，故暫稱為潛在價值或固有價值；二是人類為開發利用自然資源所投入的人力、物力、財力成本，它是非自然的，具有「成本」性質的價值，故暫稱為成本價值。對兩種價值分析的基礎也不完全相同：前者可根據地租理論進行研究核算；後者可根據生產價格理論進行研究核算。研究中可參考國際上比較流行的市場定價法、凈價法（逆演算法）、成本法等進行分析評價。

自然資源價值核算實質上是對自然資源定價。自然資源定價可根據自然資源再生產過程中的價值構成進行定性分析和定量計算。如上所述，為人類開發利用的自然資源的再生產過程是自然再生產過程和社會再生產過程的結合。按照生產價值理論，在對自然資源定價時，必須考慮自然資源價值的這兩方面構成，即按完全生產價格等於地租加成本再加利潤的原則來確定資源價格。基於這種認識，在考慮地租、社會投入、平均利潤、資源稀缺程度（供求關系）、資金時間價值等因素基礎上，建立了確定自然資源價值（價格）的基本理論公式：

地質災害災情評估理論與實踐

或者

地質災害災情評估理論與實踐

式中：R₀——自然資源基本租金或基本地租；

α——代表自然資源豐度和開發利用條件，即地區差別、品種差別和質量差別的等級系數；

A——支付在該自然資源上的人財物投入總額（折成資金）；

Q——受益自然資源總量；

N——受益年限；

P——平均利潤率；

Q_d——自然資源需求量；

Q_s——自然資源供給量；

E_d——需求彈性系數，

即需求量變化率與價格變化率的比值；

E_s——供給彈性系數，

即供給量變化率與價格變化率的比值；

i——平均利息率或貼現率；

P_i——自然資源第t年的價值（或價格），設P為現值，其關系是P_t=P（1+i）^t；

（C+V+m）——該自然資源每年因社會投入所產生的價值，它相當於

可以認為，（1）、（2）這兩個自然資源的基本價值（價格）公式，包含了決定自然資源價值（或價格）的幾項主要因素，其他有關影響因素，均可在這兩個公式的基礎上加以考慮，對公式進行擴展。

當然，要將這兩個公式付諸實際應用，需根據統計數據、實際經驗，或通過實驗確定有關參數，如a、R₀、Q_s、Q_d、E_s、E_d等。這些都是可以做到的。

2.土地資源價值核算

上面給出的基本公式可應用於土地資源價值（價格）核算。應該說明的是，無論是點評估、面評估還是區域評估，土地類型不同，土地資源價值不一。因此，首先要根據評價區實際情況，劃分土地類型，或者將評價區先分成若干評價單元，並使每個單元內的土地類型和價值相對一致。在此基礎上，確定參數，進行計算；亦可根據實際情況，對公式進行修改，增刪要素項目，然後進行計算。

需要說明的是，應用理論公式雖然能夠核算土地資源價值，但公式中不少參數不容易准確地確定，所以應用時難免有一定困難。目前我國資源經濟研究剛剛起步，對這些參數的定義和取值范圍還缺少相應的標准和參考數值，因此應用於實際仍然是一種探索性的實踐。鑒於這種情況，除了採用理論公式計算土地價值外，還可以根據評價區現行土地使用費或土地出讓價，直接確定土地資源價格。當前這不失是一種簡便而又實用的方法。

近些年來，隨著我國改革開放的日益深入，地產業逐漸興起發展。在城鎮和許多經濟技術開發區，對於行政劃撥土地實行逐年收取土地使用費或土地使用稅，對外資企業劃撥土地實行收取場地使用費或一次性收取土地開發費的辦法。為此全國有數百個城鎮對土地進行了分等定級，並結合土地估價試點和土地管理需要，評估了當地的基準地價和標定地價修正系數。這些城鎮包括北京、上海、天津、廣州、南京、合肥、青島、西安、重慶等大城市或特大城市，還包括泰安（山東）、德州（山東）、廈門（福建）、永安（福建）、營口（遼寧）、錦州（遼寧）、廣漢（四川）等中小城市和一些縣城、鄉鎮。此外，自1987年下半年深圳率先採取協議、招標、拍賣方式出讓國有土地使用權以來，我國土地使用權制度改革又有了新的進展。目前，以國有土地使用權出讓、轉讓、出租、抵押和以土地使用權入股參與聯建聯營等為主要形式的地產經營活動日益活躍，土地的市場價格開始逐漸形成。在哈爾濱、長春、沈陽、大連、天津、秦皇島、上海、煙台、青島、南通、連雲港、寧波、廈門、汕頭、海南、重慶等一批城市和少量鄉鎮，以不同形式陸續成交了土地出讓或轉讓交易。所有這些為城鎮土地價格提供了最直接的依據。在城鎮土地管理使用辦法改革的同時，農村土地以及荒原、荒山、沙漠等土地管理使用辦法也出現了重大改革。在一些地區開始試行長期有償使用、轉讓、出租，因此也開始萌發了土地市場，形成了相應價格，從而為確定非城鎮土地價格提供了最直接的依據。

在地質災害災情評估的易損性分析中，如果評價區內各類土地已有政府部門制定的地價標准，可直接用於土地價格核算；如果評價區內的土地沒有地價標准，可通過與其它地區同類土地地價標准類比核算土地價格；如果在類比中土地資源條件不完全相同，可根據土地資源條件採用修正系數進行調整。城鎮土地資源條件主要包括區位條件與社會環境、交通環境、供水系統、動力系統、景觀環境等（表6-7）。農村和山區土地資源條件主要包括自然地理環境（海拔高度、地形高差、氣候等）、交通環境、資源條件、地區經濟水平與產業發展前景等。修正調整土地價格的一般模型是：

地質災害災情評估理論與實踐

式中：Y——評價區單位面積土地價格；

k——修正系數；

y——已有定價標準的其它地區同類土地的單價；

i——影響土地價格的因素；

Q_i——影響土地價格因素的作用權重；

P_i——評價區影響土地價格的某種因素的評判分值；

b_i——已有定價標准地區決定同類土地價格的某種因素的評判分值。

表6-7城鎮用地地價調整基本要素

據呂發欽，1993。

對於既沒有土地價格參考信息，又難以通過比擬修正確定價格的土地，可根據土地的收益大致估算土地資源的價值。這種方法是把土地可能為人類創造的經濟收益作為它的價格。土地收益由現實收益和潛在收益兩部分組成。現實收益主要指依賴這塊土地取得的各種產業收益和直接的環境收益。潛在收益主要指這塊土地未來時期進一步開發利用可能取得的收益。各種收益可按我國一般長期租讓土地的年限——40～50a核算。

3.地下水資源價值核算

地下水資源價值核算是評估海水入侵災情的重要內容。水是人類須臾不可缺少的重要資源。不同地區水資源的豐欠程度和地下水資源的開發利用條件有很大不同，所以地下水資源價值相差懸殊。

根據需求定價和全成本定價原理，水資源價值（價格）的核算公式為：

Y_w=Y_wb—Y_wl

式中：Y_w——評價區水資源價；

Y_wb——評價區水資源市場價；

Y_wl——供水成本及正常市場利潤。

這個模型雖然在理論上是成立的，但目前在我國還難以普遍應用。這是因為現在我國不但沒有形成水資源市場和相應的水資源價格體系，而且在全國范圍基本上是無償開發使用水資源。即使在實行水資源收費地區，水費價格特別低廉，遠脫離水資源的實際價值。例如根據國家統計局公布的1994年幾十個城市或地區的現行水價為0.2～0.8元/m³，平均水價僅為0.59元/m³。更多的地區至今還沒有水價標准。

基於上述實際情況，可採用目標效益法和替代水資源開發成本法核算地下水資源價值（價格）。

目標效益法是根據評價區的經濟規劃，假設將地下水資源最充分、最合理地應用於產業活動所產生的效益稱為目標效益；然後再假設評價區在沒有或失去相應的地下水資源的條件下核算產業活動的可能效益；二者的差值再減去為獲取效益增值而投入的其它方面成本，代替地下水資源價值（價格）。所謂最充分、最合理的開發利用地下水資源，是指對地下水資源進行最充分的開發，使評價區人民生活以及一產、二產、三產得到平衡發展，同時又能保障水資源環境質量基礎上的地下水開發活動。

替代水資源開發成本法是假設評價區沒有或者失去地下水資源情況下，為了保障現狀水資源條件下人民生活和產業發展需要，採用替代水資源所需要增加的開發成本以及因此造成的其它損失。所謂替代水資源包括地表水資源或異地水資源等。可作為替代水資源的基本條件必須是可保障水源，即替代水源的水量充足，水質合格。用其替代評價區的地下水資源不至影響新的假設水資源開發地區的正常生活和社會經濟發展，不會造成水資源環境惡化。

基本核算模型為：

Y_w＝（B_t-B_p）·Q_m·M_P

式中：Y_w——評價區地下水資源價；

B_t——替代水資源開發利用成本；

B_p——評價區地下水資源開發利用成本；

Q_m——評價區地下水資源開采模數；

M_P——評價區面積。

不同核算方法可因地制宜選用，亦可採用幾種方法相互補充驗證。

二、受災體密度與價值分布分析

受災體數量密度與價值密度是指單位面積（每平方公里或等面積的一個評價單元）受災體數量或受災體價值。它們是標示受災體密集程度的基本指標。

如前所述，在一般情況下，災害危害范圍內受災體越多，價值越高，災害的破壞損失越嚴重。因此，在災情評估中，不僅要統計受災體的數量和價值，而且要分析它們的分布情況。這項工作是易損性評價的基礎內容。

受災體數量採用分類方法進行調查統計。在點評估和范圍較小的面評估中，首先根據評估的精度要求，將評價區劃分成面積相等的評價單元；然後採用全面實際調查或專項調查與抽樣調查相結合的方法，統計各類受災體數量，並計算受災體密度；在此基礎上採用比較適宜的核算方法計算統計單元受災體價值或單位面積的受災體價值密度，並編制評價區受災體價值分布圖，直觀地反映受災體密度分布情況。

在范圍較大的面評估和區域災情評估中，依據社會經濟統計資料和專門性調查結果，首先進行受災體分布區劃。其具體步驟是：以行政區域經緯度將評價區劃分為若干評價單元；採用系統層次分析和灰色聚類分析等方法，確定分析指標，建立分析模型，計算單元受災體密度指數；根據評價區密度指數變化幅度，劃分指數等級，進行受災體密度區劃。在此基礎上，在不同等級單元中選取典型樣本進行抽樣調查統計，核算其價值密度，並比擬到其它同類單元，反映全評價區的價值分布。

如前所述，14種受災體可歸為人、資產、資源三大類。在災情評估中，可根據實際需要，進一步進行分類分析和綜合分析。

7. 開放式地質災害監測系統的研究

史彥新

（中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】本文介紹了一種開放式地質災害監測系統的構建方案。首先簡要敘述了開放式監測系統的概念，隨後從監測系統的形成、硬體組成和軟體設計3個方面進行了闡述，突出了監測系統開放、靈活的特點。

【關鍵詞】開放式系統地質災害監測地質災害預警

1前言

地質災害監測預警是一項復雜的系統工程，具有多學科交叉、應用性強、不斷發展變化等諸多特點，隨著高新技術和計算機網路技術的迅速發展，地質災害監測預警技術也有了很大發展，系統化、網路化的開放式地質災害監測系統成為地質災害監測發展的必然趨勢。

所謂開放式監測系統，即採用開放的結構模式，採用統一標准或協議的一種軟體或硬體的平台。在硬體方面，只要符合統一標準的模塊，都可以接入該系統；在軟體方面，運用模塊化編程技術，結合模糊數學、專家系統、人工神經網路、小波分析等先進理論，根據不同的監測模型，採取不同的演算法，並制定統一的通訊協議，實現對各監測模塊的管理、監測數據的採集、監測信息的遠程傳輸、系統通訊等功能^[1]。

最近在地質災害預警關鍵技術方法研究與示範項目中，項目組在構建地質災害監測系統時進行了大膽的嘗試，在巫山地質災害監測預警示範站建立了基於鑽孔傾斜儀深部位移監測、GPS地表變形監測、TDR滑坡位移監測、孔隙水壓力監測等手段的開放式地質災害監測系統。該監測系統可實現一天24小時連續監測，監測數據可以從現場發送到數據處理中心，及時獲得監測結果，並實時發布^[2]。

2監測系統的形成

目前常用的地質災害（滑坡）預報方法，多為對位移監測數據序列進行數學方法處理，作趨勢性外推，這種處理方法受監測點選擇的隨機性和多種相關因素的綜合影響，准確性較低，在實際應用中往往不能達到預期效果。為了提高地質災害預測預報的准確性，必須對災害體進行多手段、全方位的監測，對監測信息進行綜合分析處理。

隨著科學技術的發展及對地質災害機理的深入研究，國內外地質災害監測技術方法已逐漸向系統化、智能化方向發展，監測內容、方法、設備日趨多樣化，不只局限於對位移的監測，且已涉及地質災害誘發因素的監測及地溫、地聲、射氣濃度等地質災害間接因素類的監測。只有對災害體進行全方位的監測，並對監測信息進行綜合分析，才能極大地提高監測的有效性與准確性，為地質災害的預警預報提供堅實的數據基礎。

因此，為了全面了解災害體的位移變化情況及其他特徵值，如孔隙水壓力等，在巫山監測預警示範站構建了一套開放式地質災害監測系統，該系統對幾種監測儀器進行集成，從地表位移、地下位移、孔隙水壓力3個方面對災害體進行監測，完成各監測模塊的管理、監測數據的採集、傳輸，為綜合分析處理及實時發布監測結果奠定了基礎。

3監測系統的硬體組成

該監測系統在巫山監測現場安裝有4種感測儀器，4個監測模塊分別是：

（1）固定式鑽孔傾斜儀，監測鑽孔內地下形變位移；

（2)TDR滑坡位移監測儀，該儀器由自行研製，監測鑽孔內形變位置與位移；

（3）孔隙水壓力監測儀，該儀器由自行研製，監測鑽孔內土體的孔隙水壓力；

（4）高精度GPS，監測地表相對位移。

用於數據存儲、儀器管理及信息傳輸的是我們自行研製的TDR滑坡位移監測儀。該儀器既完成本模塊的監測任務，又兼當整個監測系統的數據採集裝置。其採用開放式工業控制的設計思想，以Windows作為操作系統，採用RS-232進行數據通訊，對各監測模塊進行管理，完成數據的採集、存儲，最後利用GPRS無線傳輸技術，將監測信息遠距離傳送到數據處理中心，存入上位計算機中，在數據處理中心完成監測數據的綜合分析處理，並實時發布監測結果。

該監測系統的硬體結構如圖1所示。

圖1開放式地質災害監測系統硬體結構示意圖

4監測系統軟體設計

4.1各監測感測模塊自控軟體設計

各模塊自控軟體將控制模塊的定時工作和通訊協議的建立。各模塊自控軟體相對獨立，分頭設計，根據監測對象的不同，採用不同的演算法，完成監測、採集任務，同時負責本模塊通訊協議的建立。

4.2制定標準的通訊協議和特定的數據格式

通訊協議是現場監測感測儀與數據採集裝置及數據採集裝置與數據處理中心溝通的橋梁，當數據處理中心需要查看各模塊的監測數據及設定監測參數時，均需通過數據採集裝置，按照通訊協議上傳下達。

針對地質災害監測的實際情況，採用了主從機通訊方式，將數據處理中心計算機作為主機，監測系統的數據採集裝置作為從機，實現一發一收聯機通訊。在設定協議中，制定了4個位元組的控制狀態字，其中第一個位元組是前端站點呼叫控制字，保證每個站點上數據的獨立性；第二個位元組是設備號控制字，能准確地調用各個監測模塊的監測數據；第三個位元組是讀寫控制字；第四個位元組是握手應答控制字，呼叫並握手成功後，主從機之間即能相互傳送或接收數據。傳送數據過程中，設定一個表頭文件。在表頭文件中，首先用1個位元組表示儀器設備號，再用5個位元組表示數據時間，然後用3個位元組代表點號、孔號和孔深，最後用8個位元組存放監測數據。另外在修改各監測感測模塊的參數時，可以通過主機發送一個配置文件（*.dat）到從機，從機（數據採集裝置）接到這個配置文件，就會自動地去修改儀器參數，使各監測感測模塊按設定方式採集監測數據。

通訊協議簡述如下：

當監測系統啟動通訊程序後，接收數據處理中心的命令並按以下格式進行數據字頭文件的上傳。

地質災害調查與監測技術方法論文集

當數據處理中心下傳監測參數時，以配置文件的方式進行通訊，系統接收命令後，按數據字頭文件格式下傳給各監測感測模塊。其中的第2、3項改為下次監測的啟動時間，第7項改為時間間隔，各監測感測模塊接到指令後，其自控軟體會控制監測儀按設定方式進行工作。

5結束語

以上所述的開放式地質災害監測系統已在巫山地質災害監測預警示範站項目中得以實現，運行效果良好，並且隨著示範站的建設，基於其開放式的結構模式，會有更多的監測模塊接入到該監測系統中，使其技術更加成熟，功能更加完善。

參考文獻

[1]張青，史彥新.三峽庫區地質災害監測儀器的前景展望.環境與工程地球物理國際學術會議，2004,6

[2]中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所.地質災害預警關鍵技術方法研究與示範項目設計書，2002,11

8. 國內外地質工作信息化現狀與發展趨勢

當今，人們已經廣泛地運用信息。信息技術從來沒有像今天這樣，以巨大的生命力影響著人類的發展。我們清晰地看到，信息化把人類帶進輝煌的21世紀，信息系統建設在地質工作的各個領域也起著越來越重要的作用。隨著信息技術的快速發展，西方發達國家大多已經基本完成國家基礎信息化體系的建設，並服務於政府、企業、商業等不同層面。地理信息系統、虛擬現實、海量網路數據倉庫與互操作、知識挖掘等技術的廣泛應用，迫切要求大量的基礎信息和綜合信息。而地質災害防治工作，由於涉及國民經濟建設諸多領域，其對基礎信息的需求尤為明顯。面對全球信息化的競爭格局，對於我國而言，最大限度地利用信息資源和現代信息技術，加快建設並實現數據信息化勢在必行，其意義不僅在於促進國民經濟的發展，而且還關繫到國家的安全、現代化建設和經濟全球化的戰略。在國民經濟信息化體系中，信息化工程是其中重要和不可缺少的組成部分。信息化工程對於我國21世紀的經濟發展戰略以及宏觀決策具有重要現實意義。

地質災害防治工作是一個信息高度集成、數據高速傳遞和需要綜合分析的過程。隨著工作的不斷深入，這個過程將是一個循環往復的過程。在這個循環過程中，既有大量的歷史信息匯集，也有不斷產生的新的信息。這些信息來源於調查、監測工作的各個階段和各個部門。因此，必須利用當今先進的信息技術，將地質災害數據信息進行有效的集合及合理的部署，以達到信息的二次重組，充分發揮計算機技術對信息的綜合處理能力，為地質災害信息及其各類相關信息提供海量存儲；為多源、異構信息的多目標綜合分析和管理提供分布網路操作環境；為各級政府部門及廣泛的專業單位的信息傳輸和共享提供高速有效的數據通道。

11.1.1 國外地質工作信息化現狀

（1）各種信息技術已廣泛應用於地質調查全過程

掌上計算機、手寫識別技術、數字制圖技術、資料庫技術、地理信息系統技術、遙感信息處理技術等，已經在屬性數據的描述管理、地質調查成果圖件的出版、數據的一體化綜合管理、野外數據採集等方面，得到了比較充分的應用。

（2）地質信息的綜合應用已經得到比較廣泛的應用

對於多源異構數據進行一體化管理，實現跨系統、跨平台的數據交換與共享技術，基本成熟。世界上多數發達國家的信息技術應用，已經從單一的資料庫、簡單的應用系統建設，逐步過渡到分布式大型資料庫技術、大型地理信息系統技術、基於互操作的Web服務技術的綜合應用。

（3）支持數據共享和數據互操作的標准化體系已經形成

國際標准化組織ISO，為統一對地理信息的理解、促進地理信息的共享所制定的地理信息描述、處理、管理、服務等方面的標准共有25項，已經基本形成了可以支持地理信息和地球空間信息共享和互操作的標准體系。

（4）基於數據、標准、網路及管理機制的各種應用體系正在形成

目前，英國、加拿大、澳大利亞、紐西蘭、荷蘭、馬來西亞、日本、韓國等國家先後開始實施國家空間數據基礎設施（National Spatial Data Infrastructure簡稱NSDI）建設。美國聯邦數據委員會提出了空間數據框架的概念，目的是要提供一個通用的基礎，從便使各種信息可以在此基礎上進行精確的採集、配准或集成。資源工作部門和資源工作信息對建立國家空間基礎設施具有舉足輕重的作用。事實上，建立NSDI已成為領域信息化的重要內容，並已成為地質工作信息化的重要基礎。

（5）網路正在成為地質信息傳輸與獲取的重要基礎設施

隨著信息技術的發展，特別是網路技術、元數據技術的開發和應用，信息服務的方式已發生了革命性變化。網路技術，特別是Internet的發展，為在世界范圍內發布信息提供了基礎設施。元數據技術已成為在浩如煙海的信息資源中有效地尋找、存取所需信息的重要技術手段。尤其在網路上不僅僅是提供簡單的數據，而是更加註重對信息的二次開發，提供基於知識的深層次的應用。

（6）信息技術在地質災害監測、調查、防治領域得到應用

目前，國外主要發達國家（美國、加拿大、日本、法國等）已經開展了地質災害監測預警方面的工作，形成了一定規模的地質災害監測預警體系，但是覆蓋面積比較大的系統尚不多見。在部分地質災害的自動監測、無線傳輸、信息發布的全過程實現了數字化和自動化。但是，只有少數國家建立了集監測、工程信息、預測與決策的綜合性信息系統平台。在國外，這類監測系統一般都是以基於空間信息的專業資料庫為主，配合以專用的資料庫平台系統和監測系統而形成的專業監測網路。

11.1.2 國內地質工作信息化現狀

（1）基礎資料庫建設全面開展，數據資源積累大幅度提高

在幾十年的地質勘查工作中，積累了大量的地學空間數據和格式化地學文本與圖件資源。近年來，圍繞信息化建設總體目標，以地理信息系統技術、數據倉庫技術等為基礎，全面開展了地學基礎資料庫的建設工作。

（2）地質調查野外數據採集的數字化技術已經成熟

區域地質調查野外數據採集系統已經成熟，並開始推廣應用。目前，由掌上計算機、GPS、地理信息系統等信息技術集成一體化的「數字區域地質調查野外採集系統」已經建成，是具有創新性的信息技術成果，該成果已經具備實用化。

（3）國家地質調查骨幹網路系統初步形成

經過近幾年的信息化工程建設，初步形成了分布全國六大區的地質調查骨幹網路，通過2M數字通信電路，構成了地質調查Internet系統。為地質調查網路體系的全面建設奠定了基礎。

（4）制定了一批信息化工作標准

通過各項工作的部署和實施，制定了一批指導資料庫建設、網路建設及應用軟體開發的標准。已經實施應用的標准包括：地質圖空間資料庫建設工作指南，礦產地資料庫建設工作指南，固體礦產鑽孔資料庫工作指南，自然重砂資料庫建設工作指南，地質調查元數據標准等。正在制定的標准有：地質調查數字制圖技術規程，GIS在礦產資源評價中的應用指南，區域地質調查野外數據採集工作指南，國家地質調查網路系統建設技術規程，地質調查軟體開發配置管理規程，地質調查軟體開發測試管理及工作指南等。

（5）開發了一批應用軟體

配合信息化建設及信息資源的利用，開發了涉及地質調查不同領域的軟體系統，主要包括：地學常用演算法工具包，地學可視化工具，區域礦產資源評價系統，西北地下水資源評價系統，地質數據安全發布系統，人力資源管理系統，公文運轉系統等。

（6）建設資源環境空間信息共享與應用系統

配合國家「863」項目，基於空間信息柵格技術（SIG）的示範應用取得初步進展，正在構建基於SIG技術的國家地質空間數據共享服務體系。

9. 災害監測預警系統的作用有哪些

據科技部有關人士介紹，運用現代科學技術建立起來的各種預警系統在我國減災工作中發揮著重要作用。國家氣象局、區域氣象中心、省氣象台等2600個氣象台站形成了全國氣象災害監測、預報系統，利用以計算機為主要手段的實時業務系統、衛星雲圖接收處理系統、數字化天氣雷達和甚高頻電話輔助通信網等先進技術，在全國建起了一個廣泛的氣象災害監測預報服務網。
900多個綜合和單項台站組成的地震檢測網以及「各種前兆手段的大震快速響應系統」、「大區域遙測台網聯網」等的建立，提高了我國地震重點檢測防禦區的監測預報和震情信息反應能力。由國家海洋環境預報中心、四個預報區台、中心海洋站和海洋站組成的檢測預報系統，對風暴潮、海浪、海冰等海洋災害每天進行動態的監測、預報。此外，現有的3500多個水文站、1300個水位站，也建立了水文實時信息採集傳輸系統和接收處理系統，洪水預報和調度計算系統。這些系統對迅速預測1991年、1998年洪澇災情都發揮了顯著的作用。我國災害監測預警網已「網」遍全國，地震、海洋、氣象、水文等監測網每天將各種信息實時傳輸到後方處理中心。記者從中國國際減災委員會了解到，我國已建立了從中央到地方的水文、氣象、海洋、生物、地震及地質災害的監測、分析、預報系統，形成了遍布各地、相互交織的災害監測、預警網路。