地灾算法

1. 地质灾害危险性现状评估

以定性分析为主，定量为辅的评估方法，按“技术要求”规定，根据评估区地质环境条件和已有取得资料，采用地质历史分析法、工程地质类比法和稳定状态，按大、中等、小三级（表5-14）对各类地质灾害危险性现状进行评估。

表5-14 地质灾害危险性分级表

（一）崩塌（危岩）

首先对其稳定性进行评价，之后结合危害对象进行灾害（危害）程度分级评价，在此基础上进行危险性分级，如稳定性好，危害程度轻，则危险性小，相反即为危险性大，介于二者之间为危险性中等。

1.稳定性评价

根据崩塌体所处的地质环境条件，重点依据变形迹象，并与以往同类崩塌发生条件进行类比，综合分析后判定其稳定性。评估区内崩塌大部分稳定性为较差至差，其中差的有19处，较差的有72处，好的有14处。差和较差者存在有再次滑塌的可能。

2.灾害（危害）程度分级评价

根据调查，区内已发生崩塌灾情均为一般级。现依据“基本要求”对崩塌危害程度进行分级评价，其中属于重的有1处，编号b117，位于清水县土门乡老坟村（天水支线38km附近）；该危岩体为黄土及下伏新近系泥岩组成的陡坡，由于人为开挖削坡形成，方量1.2×10⁴m³，坡下学校被危及，管道也在下方通过。中等的有5处，其余99处均为轻度危害。主要危害对象为农田和简易公路，少数危害居民、学校，同时为泥石流提供了松散固体物质。

3.危险性评价

结合稳定性和灾害（危害）程度结果，评价得出危险性大的有3处，分别位于张家川木河（b80）、清水县土门（b117）、北道区北部（b120）；中等的有 10处，主要分布于皋兰山、清水金集—北道等地；其余92处均为危险性小的。危险性大的前2处距管线较近。

（二）滑坡

对稳定性和危险性分别进行评价。

1.稳定性评价

按滑坡稳定性判别表（表5-15）进行评价，其中稳定性差的有7处，分别位于通渭碧玉、张家川木河、清水金集—北道；较差的有28处，分别位于兰州范家坪、马营—通渭、静宁仁大—秦安莲花、清水土门—天水北道等地；稳定性好的有23处。

现将2处典型滑坡的特征分析一下。

（1）下河里滑坡（h28）

位于张家川木河乡下河里村东侧。滑坡发育在木河上游北岸，沟谷较窄，谷地宽约 100～180m，呈“U”型，发育有一级阶地，高出河床3～5m，沟谷两侧为黄土丘陵，相对高差为80～100m。出露地层为新近系砂质泥岩并夹有灰绿色泥岩条带，出露段表层风化强烈，其上为马兰黄土，厚约30～50m，坡体有细小冲蚀沟槽和零星落水洞。

表5-15 滑坡稳定性判别表

该滑坡为黄土—泥岩滑坡，滑坡体长500m，宽300～350m，平均土体厚20m，约40×10⁴m³。滑距约100m，为一老滑坡，滑体下陡、上缓，坡度25°～40°，成因是地表水流侧蚀形成。目前该滑坡前缘因修路削坡，形成一定的临空面，局部已出现崩塌和浆砌护坡鼓胀开裂，极可能导致开挖段部分滑体复活。现场调查，推断复活体长约50～60m，宽约100～150m，推测滑体厚度5～10m。现状主要威胁对象为公路和农田，有再次发生的可能（图5-5）。管线滑坡体下方，距其前缘剪出口约40m。

图5-5 下河里滑坡示意剖面图

1.黄土 2.泥岩及砂质泥岩 3.黄土状土 4.滑坡堆积物 5.滑床及滑向 6.推测复活体滑床及滑向

（2）莲花城—郭家河滑坡群

位于清水河河谷北岸，共有5处，由巨型和大型老滑坡组成（图5-6），自西向东编号依次为：h127、h128、h129、h130、h131。相应的管道里程桩号283km～288km。该段相对高差120～180m，平均坡度30～35°，出露地层为新近系泥岩、第四系黄土、黄土状土，黄土厚约40～60m，披覆于谷坡及顶部，落水洞及冲蚀沟发育。

图5-6 莲花城—郭家河滑坡群平面分布图

5处滑坡均为黄土—泥岩滑坡，上覆第四系马兰黄土，下伏新近系泥岩夹砂质泥岩。滑坡后壁高约10～30m，滑坡形态清晰，坡体长300～500m不等，宽500～800m，推测平均厚度30～40m，主滑方向垂直清水河流向。由于本段所发育的滑坡全是老滑坡，滑坡体受水流冲蚀切割强烈，坡体表面树枝状冲沟十分发育，切割较深的冲沟两侧小型崩塌发育，部分滑坡后壁在黄土与泥岩接触处有泉水出露。滑坡群整体稳定，但组成物较松散，现状前缘受河流侧蚀和开挖削坡的影响，局部出现掉块和崩塌等轻微的变形迹象，可能导致前缘较陡段复活。目前受威胁的对象为村庄、公路。管线在该5处滑坡下方通过（图5-7）。

图5-7 h131滑坡示意剖面图

1.黄土 2.黄土状土及砂砾石 3.泥岩及砂质泥岩 4.滑坡堆积物 5.滑床及滑向 6.泉

2.危险性评价

据调查结果，区内已发生滑坡灾情从一般级到特大级都存在。危害程度严重的有3处，主要位于通渭碧玉等地；危害程度中等的有6处，主要位于秦安莲花、天水北道等地；其余49处属于危害程度轻的。主要危害农田、公路、零星住户，同时构成泥石流的松散补给物质。

根据滑坡稳定性和危害程度评判结果，评估区危险性大的滑坡有4处，分别位于范家坪—彭家大山（h3、h5）、通渭碧玉峡口（h49）、张家川木河（h28）；中等的有30处，分别位于兰州范家坪、静宁仁大—秦安莲花、清水土门～天水北道等地；危险性小的24处。

（三）泥石流

分泥石流灾情和现状危险性评估两部分。

1.泥石流灾情评估

区内已发生过多次灾害性泥石流，按表5-16分级标准进行灾情评估与分级，经调查后初步认为，评估区灾害程度中和轻的较多，特重程度的泥石流一般很少发生。由于无法取得准确的资料，只能从简单的走访中了解。

表5-16 地质灾害灾情与危害程度分级标准

2.泥石流现状危险性评估

按泥石流规模、易发性以及危害情况综合评估危险性。

（1）泥石流规模。

本次按一次最大冲出量划分（表5-17），计算方法采用径流折算法概算，经验公式为：

W_H=1000K·H.a.F.

式中：

W_H——一次最大冲出量（10⁴m³）;

K——系数，取0.1～0.5;

H——小时最大降水量（mm）;

a——系数，取0.73;

F——流域汇水面积（km²）；

——增流系数。

根据公式

＝（γ_c-10)/(y_h-y_c）计算求得，其中γ_。为泥石流重度（k N/m³），根据泥石流数量化评分直接查得，γ_h为泥沙颗粒重度（k N/m³），取26.5k N/m³。

计算得出区内一次最大冲出量介于0.1×10⁴m³～7.5×10⁴m³之间，其中属于小一型的16条，小二型的47条。

（2）泥石流易发性

主要依据已经作过的《县（市）地质灾害调查与区划》成果进行易发程度分区评价。在没有作过此项工作的地区，首先按表5-18进行泥石流易发程度分级评价，其中易发程度（严重程度）按表5-19进行量化。

区内共有泥石流沟57条，中易发性泥石流沟有21条，低易发32条，不易发者4条。

表5-17 评估区泥石流规模划分标准表

表5-18 泥石流易发程度分级表

（3）泥石流危害程度及危险性

评估区泥石流沟多属深切沟谷，而村庄一般均座落于沟谷较高地段，泥石流危害相对较轻，仅对靠近沟口的村庄、农田以及公路有轻微危害，但在城镇附近和人口集中的地方泥石流危害最大，往往对沟谷两侧及沟口设施形成大的威胁和危害，并诱发一些崩塌和滑坡发生，如通渭碧玉、秦安莲花城、张家川韩家硖等地。区内泥石流危害程度轻的有24条，危害程度中等的有33条。

表5-19 泥石流易发程度（严重程度）数量化表

根据泥石流的易发性、规模和危害程度，区内危险性大的泥石流沟有2条，位于燕麦庄（N8）和高崖（N9）；危险性中等的泥石流沟有31条，分别位于兰州小坪子、马营镇、莲花城、阎家店等地；危险性小的泥石流沟有24条。2条危险性大的泥石流沟距管线有一定距离，影响小。

（四）洪水冲蚀

洪水冲蚀强度东部大于西部，相应的危害性和威胁性也较大。通渭以西年降水量较低，属中易发区，除少数河沟外，主要对农田、道路的威胁大，危害程度较小～中等。通渭以东，年降水量较多，特别是局地性阵雨及暴雨突发频率较高，汛期洪峰流量大，来势猛，对居民区和道路构成威胁，危害程度中等。除上述危害外，由于水流的不断冲刷、浸泡和侧蚀作用，常引起沟岸坍塌，加剧了水土流失，据有关部门资料和本次调查情况，通渭以西侵蚀模数500～2000t/(km²·a），强侧蚀段坍岸速度0.1～0.5m/a，危害程度轻。通渭以东侵蚀模数小于2000～5000t/(km²·a），局部大于5000 t/(km²·a），危害程度中等。

依据调查成果，对评估区内洪水冲蚀灾情和危险性分别给予评估。

灾情评估依据表5-16分级标准进行，评价结果：属于轻度灾害的有4次，中等灾害的有5次，重灾害有2次（表5-20），表明本区洪水冲蚀危害一般为轻和中等，当遇降水多的年份或遇暴雨很可能造成较大的灾害损失。

表5-20 已发生主要洪水冲蚀灾害灾情一览表

易发性根据实地调查结果，并结合沟谷已发生洪水频次和降水量分布情况确定。评价结果：高易发1处、中易发者1处，低易发10处（表5-21）。

根据洪水冲蚀灾情和易发性结果，区内洪水冲蚀危险性小的有8处，中等的有4处（见表5-21）。

表5-21 评估区区洪水冲蚀沟现状危险性评估一览表

（五）地面塌陷

根据野外调查，评估区采空区目前仅有兰州西固人防工程、地下水位上升引起的地面塌陷，人防工程与管线距离＞1.5km，黄土丘陵区开挖窑洞引起的地面塌陷很少，其他地段不存在地面塌陷现象。所以评估区内地面塌陷危害小，危险性小。

（六）特殊岩土灾害

1.黄土湿陷和潜蚀

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》，对黄土的湿陷类型及等级作了初步评价。丘陵区黄土为Ⅱ－Ⅳ级自重湿陷性土，属中等—很严重等级，河谷区黄土状土多为Ⅰ—Ⅱ级非自重湿陷性土，仅黄河、渭河二级阶地局部地段为Ⅱ级自重湿陷性土，属轻微—中等级。

黄土湿陷和潜蚀现象主要表现为陷穴、陷坑、落水洞和竖井等。多零星分布于地形低洼地带和陡岸处，规模均较小，落水洞一般深2～5m，洞口直径0.5～2.5m。目前主要危害公路、渠道和农田，另外，引起崩塌、滑坡和水土流失发生。在黄土丘陵和河谷地带对乡间公路危害较大，危险性中等，其余地段危害小，危险性小。

2.盐渍土的盐胀和腐蚀

盐渍土以硫酸—氯化物型为主，经收集资料分析，通渭以西0.0～1.0m段土壤平均含盐量为3.4%，最大可达 8%～15%左右，表层有弱胀缩性和腐蚀性；该类土现状分布面积很小，对农田等不具危害性，因此危害小，危险性小。对建筑基础工程有一定影响，但危害小，危险性小。

高矿度水分布区，矿化度1.7～3.2g/L,p H值1～8，氯离子和硫酸根离子含量大于500mg/L,对混凝土和钢结构有一定的腐蚀性，按《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）指标对比评价，评价区高矿化度水对混凝土具弱—中等结晶性侵蚀，小面积强腐蚀区位于黄河二级阶地后缘和葫芦河、牛谷河及关川河等地；对钢材的腐蚀性均为中等（表5-22）。

3.膨胀岩的胀缩

根据岩样分析结果，白垩系泥岩自由膨胀率（Fs）为20%～60%，蒙脱石含量8.17%～19.09%；页岩自由膨胀率（F_s）为40%～54.3%，蒙脱石含量8.94%～15.59%。

新近系泥岩自由膨胀率（F_s）为11%～59%，膨胀力（P_s)(4～25)k Pa，饱和吸水率（Wsa)9.9%～34.9%。

依据《岩土工程勘察规范》，按自由膨胀率（F_s）分类（表5-23）评价，本区膨胀岩在大部分地段具胀缩性，但均属弱膨胀潜势，主要危害是剥落、掉块造成农田、道路和水利设施等的掩埋，致灾现状轻微，危险性小。此外黄土自由膨胀率变化较大，现状危害轻微，危险性小。

表5-22 高矿化水对混凝土和钢结构腐蚀性评价结果表

表5-23 膨胀岩的膨胀潜势分类表

2. 什么是摔倒监测预警系统包括哪些内容

目前市面上的跌倒监测设备有各种各样的，常见的有红外、摄像头和毫米波，红外准确度稍差，摄像头侵犯隐私，而毫米波则解决了两者的问题，在准确度和隐私保护上都有很大的提升，这是目前技术的方向。

跌倒监测模拟场景，自动报警

3. 地质灾害监测仪器设备研发

一、内容概述

从近10年在地质灾害监测仪器领域取得的成果中选择了以下几种作为代表。

1.地质灾害多参数采集传输仪

地质灾害多参数采集传输仪是针对国内地质灾害监测行业的现状，参考了国内外广泛应用于地质灾害监测领域的多种工作模式的优缺点，以此为基础研制完成的，可以连接的传感器有拉杆式位移传感器、拉绳式位移传感器、磁致伸缩位移传感器、地声传感器、雨量传感器、含水率传感器、水位传感器、泥位传感器、倾斜传感器等。通过对这些传感器的组合搭配，可分别应用于监测滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降等领域；采集的数据通过中国移动的GPRS网络以TCP/IP模式传输到后端的数据监控中心服务器显示存储，如果现场没有GPRS信号，可以通过北斗卫星以短报文模式进行数据传输，系统框图见图1，实物见图2。

图1 地质灾害多参数采集传输仪框图

主要技术指标：

1）采样方式：定时采集，可远程设置采集时间；

2）模拟输入通道：4路；

3）A/D分辨率：等效16位；

4）数字输入输出通道：雨量开关量输入及报警开关输出；

5）工作温度：-30～50℃；

6）传输模式：中国移动GPRS或北斗卫星短报文；

7）供电电压：直流12V，交直流两用供电。

图2 地质灾害多参数采集传输仪主机及配套传感器

2.滑坡预警伸缩仪和裂缝报警器

这两种仪器主要是监测裂缝变化，在达到预设的报警阈值时发出避险警报，可以替代人工的巡视巡查，应用于滑坡、崩塌的地面或房屋裂缝的监测。滑坡预警伸缩仪的工作原理见图3，裂缝报警器的工作原理见图4，实物见图5。

图3 滑坡预警伸缩仪原理框图

主要技术指标：

1）监测范围：滑坡预警伸缩仪为0～1000mm，裂缝报警器为0～100mm；

2）监测精度：都是1mm；

3）A/D分辨率：等效于16位；

4）报警声压：滑坡预警伸缩仪为105dB，裂缝报警器为100dB；

5）供电电压：滑坡预警伸缩仪为12V碱性电池，裂缝报警器为3V碱性电池。

滑坡预警伸缩仪在利用报警器报警的基础上，又增加了利用无线开关量模块进行远程报警的功能，在居民点布设的主机可以接收多个滑坡预警伸缩仪发来的报警信号，实物见图6。

图4 裂缝报警器原理框图

图5 滑坡预警伸缩仪和裂缝报警器

3.分布式电导率地质灾害监测装置

分布式电导率地质灾害监测装置主要应用于海水入侵监测，通过对海水入侵观测井内不同深度井液的电导率数值的采集，利用水的电导率与含盐量呈线性关系，根据电导率数值与电极所在的井深，确定咸淡水的分界情况，方便、快捷、准确地完成对海水入侵这类地质灾害状况的监控。

分布式电导率地质灾害监测装置由主机、电缆、分布式测量电极组成。在一个观测井内布设30个测量电极，电极间距1m，每一个电极通过继电器连接在主机的数字输出引脚上。主机在定时时间到后控制30个继电器按顺序分时通断30个电极，通过AD采集的数据存入主机的存储器，在后续处理中以曲线形式表达监测效果，系统框图见图7，工作示意见图8，实物见图9。

图6 具有无线报警功能的滑坡预警伸缩仪

图7 分布式电导率地质灾害监测装置框图

图8 分布式电导率地质灾害监测装置工作示意图

图9 分布式电导率地质灾害监测装置

主要技术指标：

1）电导率监测范围：500μs/cm～0.3s/m；

2）测量精度：1%；

3）供电电源：直流12V，交直流两用供电；

4）工作环境温度：-5～＋40℃；

5）电极最大控制范围：24m。

4.泥石流监测分析预警装置

图10 泥石流监测分析预警装置框图

图11 泥石流监测分析预警装置

开展泥石流预警研究，获取准确可靠的数据是关键。泥石流监测分析预警装置是根据泥石流特征的主要参数设计的，泥石流地声信号具有较低的频率，而且其信号卓越频率较其他频率成分（环境噪音）高出许多，为我们检测识别信号提供了有利条件。泥石流地声信号的强度（幅值）与泥石流规模成正比，可以通过泥石流地声数据的采集分析来确定规模，根据规模程度进行预警。通过对泥石流地声的强度、频率范围和延续时间三要素的采集分析能初步摸清泥石流地声的活动特征、分布规律、发展趋势，提供有效的预防和预警技术方案，促进泥石流防灾能力的提高，为地质灾害监测预警提供技术方法支持。系统框图见图10，实物见图11。

主要技术指标：

1）A/D分辨率：等效12位；

2）采样间隔：10～50μs；

3）频带：1～500 Hz；

4）程控放大器增益：5～1000倍程控可调；

5）通道数：3路传感器信号，采用MSD-BUS协议；

6）工作环境温度：0～＋40℃；

7）供电电源：直流8～28V，交直流两用供电。

5.分布式地质灾害监测采集传输仪

目前研制并应用的地质灾害监测仪器主要是通过线缆连接前端的传感器，主要缺点是架线比较困难、连接的传感器数量有限，不适合地形复杂、要求监测点多的监测环境。分布式地质灾害监测采集传输仪在物理层和MAC层采用了IEEE802.15.4协议，在网络层采用了ZigBee协议，进行了降低功耗和简化路由算法的工作，有效地增加了传感器数量，相对于有线方式具有很大的优越性。仪器系统框图见图12，实物见图13。

图12 分布式地质灾害监测采集传输仪框图

主要技术指标：

1）A/D分辨率：等效16位；

2）组网规模：1个主机和10个采集器；

3）无线协议：780MHz，符合ZigBee规范的网状网拓扑结构；

图13 分布式地质灾害监测采集传输仪

4）采集器供电：3.6V电池；

5）主机供电：直流12V，交直流两用供电；

6）工作环境温度：-20～＋40℃。

6.地质灾害群测群防预警信息管理系统

地质灾害群测群防预警信息管理系统包括单机版、B/S版、宣传网站、C/S（三维）版。单机版系统是基于VB＋MapObject组件的开发模式研发的，地图格式为shp格式，主要用于群测群防基本信息的录入和管理，软件见图14。

图14 地质灾害群测群防预警信息管理系统单机版软件

B/S版系统是基于网络开发的，应用了超图公司SuperMap is.net平台的二次开发功能，通过网络实现了监测数据实时查询、群测群防体系管理、根据权限进行数据录入、群测群防两卡一表录入查询等管理功能，极大地方便了地方管理人员对于灾害点和群测群防点的管理，软件见图15。

地质灾害群测群防监测信息网是为了群测群防监测技术研发与示范项目的成果展示和仪器宣传而开发的网站。网站通过新闻、项目概况、仪器介绍、科普等栏目对项目的主要成果和地质灾害监测的重要性进行宣传。计划在未来实现对地质灾害监测类工作的统一宣传工作，软件见图16。

图15 地质灾害群测群防预警信息管理系统B/S 版软件

图16 地质灾害群测群防预警信息管理系统网站软件

C/S版（三维）是在之前的B/S版本的工作基础上研发的，系统基于iTelluro三维地理信息组件，在三维环境下实现了地质灾害、预警预案、群测群防、监测信息的一体化管理，基于插件式二次开发接口，可快速实现防治决策、综合管理等定制业务，软件见图17。

图17 地质灾害群测群防预警信息管理系统C/S 版软件

二、应用范围及应用实例

1.示范区应用情况

图18 水富县火车站安装的地质灾害多参数采集传输仪

图19 大关县职业中学安装的分布式地质灾害监测采集传输仪

以上研制的仪器均已在云南昭通市示范区内得到应用，在水富县布置了3套地质灾害多参数采集传输仪，用于监测雨量、位移、含水率参数（图18）；在水富县、盐津县、大关县安装了滑坡预警伸缩仪150个、裂缝报警器300个、泥石流监测分析预警装置3套；在大关县职业中学安装分布式地质灾害监测采集传输仪一套（图19）；分布式电导率地质灾害监测装置在河北南戴河及山东昌邑的海水入侵观测孔进行了监测（图20）；地质灾害群测群防预警信息管理系统在云南省昭通市进行了示范应用，对云南省昭通市主要县区的地形图及影像图进行了编辑处理，已录入灾害点882个、专业监测点8个。

图20 河北南戴河安装的分布式电导率地质灾害监测装置

2.推广情况及效果

1）在2008年的汶川震后重建工作中，为汶川灾区生产滑坡预警伸缩仪5000套、裂缝报警器85000套（图21）；在青海玉树震后重建工作中，安装了滑坡预警伸缩仪40套；在四川安县、云南昭通市成功预警预报4次（图22）。

图21 为汶川灾区生产组装了9万套裂缝报警器、滑坡预警伸缩仪及配套设备

图22 报警材料

2）地质灾害多参数采集传输仪，在四川康定地区安装了7台（图23），四川中江县冯店垮梁子滑坡安装了2 台（图24），舟曲灾后恢复重建防治规划区地质灾害监测预警（二期）安装了73台（图25），重要地质灾害隐患监测示范（辽宁）16台（图26），目前均工作正常。

3）泥石流监测分析预警装置在北京怀柔幽谷深潭及门头沟矿区安装了6套（图27），在四川康定地区安装了9套（图28），目前均工作正常。

3.应用前景

地质灾害的破坏力巨大，对人类的生命财产及人类赖以生存和发展的资源与环境造成危害和破坏。这些仪器的推广不仅能使开发单位产生良好的经济效益，更重要的是通过应用，对地质灾害进行及时预警，可最大程度地减轻人民群众生命财产的损失和对环境的破坏，这个价值是无法用经济指标估量的。按照这种运行模式可以使有限的资金发挥最大的社会经济效益。

图23 四川康定现场

图24 四川冯店垮梁子现场

图25 甘肃舟曲现场

图26 辽宁现场

图27 北京怀柔现场

图28 四川康定现场

三、推广转化方式

1.申请专利保护知识产权

泥石流监测分析预警装置已经获得发明专利，见图29；地质灾害多参数采集传输仪、滑坡预警伸缩仪和裂缝报警器已经获得实用新型专利，见图30至图32；地质灾害群测群防预警信息管理系统已经获得计算机软件着作权，见图33；分布式电导率地质灾害监测装置和分布式地质灾害监测采集传输仪的发明专利已经通过了初审。

图29 泥石流监测分析预警装置发明专利证书

图30 地质灾害多参数采集传输仪实用新型专利证书

2.培训、宣传与交流

在汶川震后重建工作中，进行了大量的现场培训指导工作（图34）；群测群防项目所研发的9项技术设备和软件在2008年科技部发布的《南方地区雨雪冰冻灾后重建实用技术手册》和国家减灾委及科技部抗震救灾专家组编《地震次生灾害应急实用技术手册》中列为代表国土资源部的9个地质灾害防治实用技术；2009年3月，全国地质环境工作会议上做了宣传报告对群测群防监测预警仪器展览；2009年5月，云南地质灾害防治工作会议上做了宣传报告并对仪器安装维护应用进行了培训；2009年7月，全国地质灾害汛期防治会议上发放了群测群防仪器宣传材料；2009年7月，协办昭通市地质灾害群测群防交流培训会，编写了群测群防知识宣传手册和群测群防监测预警系列仪器的使用说明书、录制了群测群防知识宣传视频节目；2009年9月，河北省地质灾害防治会议上做了宣传报告，对仪器安装使用维护进行了培训；2009年10月，全国地质灾害应急防治会议（长沙）上做了专题报告及仪器展示；2009年11月，国土资源部开展了黄石地质灾害应急演练，这些仪器参加了演练；2009年12月，东南亚国际滑坡会议上做了多媒体报告、仪器展示、并发表论文“低成本监测报警系统在中国的应用”。

图31 滑坡预警伸缩仪实用新型专利证书

图32 裂缝报警器实用新型专利证书

图33 地质灾害群测群防预警信息管理系统计算机软件着作权证书

图34 灾区安装培训指导

技术依托单位：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心

联系人：张青曹修定

通讯地址：河北保定七一中路1305号

邮政编码：071051

联系电话：0312-5908718

电子邮件：[email protected]

4. 地质灾害图形图像分析系统开发及其在天津地面沉降分析中的应用

石建省张凤斌程彦培等

（地质矿产部水文地质工程地质研究所，河北正定050803）

摘要地质灾害的分布和发生发展过程具有空间特性，其影响因素具有自身的特点和复杂性。作者开发的GHMIAS——地质灾害图形图像分析系统是以典型地质灾害为主要对象、以空间信息管理和分析为主要功能的应用性地理信息系统，该系统有独特的空间分析模型扩充，融矢量、栅格和Windows图形用户对象为一体，支持多种数据格式相互转换，具有丰富的制图功能和高质量的制图输出，可以快速生成灾害专题图件。利用GHMIAS系统对京津唐区域地质灾害的分布规律、发生机理、影响因素、发展趋势等进行了大量的应用分析，对天津市区地面沉降过程及未来发展趋势等研究取得了有益的成果，体现出GHMIAS系统在解决地质灾害空间分布特征、发生发展规律、演化趋势预测等方面能发挥重要的辅助作用。

关键词GIS空间分析地质灾害预测

1引言

地质灾害是危害人类生存的严重自然灾害，其分布和发生发展过程具有空间特性，其影响因素具有自身的特点和复杂性，但目前适合地质灾害专题空间信息管理和分析的图形软件系统尚不多见。在国家“八五”科技攻关项目中专门立题开展的地质灾害图形图像辅助分析系统的研究，目的在于通过吸收和消化国内外地理信息系统（GIS）和其它图形分析系统之特长，开发具有图形－图像输入、存储、处理、显示、分析、输出等功能的软件系统（GHMIAS），并应用于京津唐地质灾害评价中作为示范。

地质灾害总是与一定的空间区域相联系的，我们所看到的地质灾害作用空间是由各种复杂的因素共同作用的结果，其中蕴含着十分复杂的自然和人为因素的相互联系。地理信息系统方法为我们提供了一种系统分析各种因素的空间相互联系及其作用结果的可能性，该系统的开发就是以地理信息系统分析方法为基础，建立能够进行地质灾害问题空间信息管理与分析的实用系统，为地质灾害问题的预测防治和决策服务。

针对地质灾害问题的特点，GIS除应具有空间信息和属性数据采集、存储、空间分析、输出等常规功能外，还应提供面向特定地质灾害问题的空间评价预测能力、地质灾害问题计算机图形表达技术、图例图式系统及相应符号库、专门图件生成和处理等功能，同时，在图形数据结构和数据库系统设计中也要体现专业信息的分布特点，尽可能做到最大限度和最高效率地利用专门信息。

在示范性应用分析上，要通过对相应空间信息的采集、存储、空间分析，试图从空间统计、空间复合、空间模型预测的角度为专门地质灾害问题的评价预测提供决策依据，为其它精确数学模型分析提供基础参数信息。

2GHMIAS系统开发

2.1支持环境

硬件：PC386以上（推荐奔腾586机型）；内存至少4MB（推荐8MB以上）；硬盘至少有40MB字节剩余空间；可被Windows系统支持的输入输出设备。

软件：Dos5.0以上；中文Windows3.1以上，或中文Win95。

2.2GHMIAS系统构成

GHMIAS系统由以下主要功能模块组成：图形输入编辑、图形整饰输出、图库空间查询、图形空间分析（包括图形统计、图形复合、空间模型等子模块）、图像处理（图1），以及系统帮助、系统功能演示等辅助模块。

图1GHMIAS系统结构略图

2.3GHMIAS系统的主要特征

作为以地质灾害为主要对象的分析型GIS系统，GHMIAS具有如下特性：

（1）GHMIAS具有图形输入、编辑管理、查询显示、分析处理、图形输出等一般GIS基本功能；

（2）GHMIAS具有专门设计的图形覆盖分析、图形序列空间灰色建模预测等多种空间分析模型，在图形图像分析系统中应用空间灰色预测模型的方法尚属首次，这是对一维非线性灰色预测在空间上的延伸，对拓宽空间分析模型类型、丰富图形图像系统的分析能力有重要意义，适于地质灾害空间分析建模需求；

（3）数据结构先进合理，融矢量、栅格和Windows图形用户对象为一体，采用结构紧缩和数据压缩技术，具有拓扑/直接矢量格式共存与互补互转机制，支持多种数据格式相互转换，可以与ARC/INFO、IDRISI、SPACEMAN等国内外主要GIS系统共享数据；

（4）GHMIAS采用微机＋中文Windows平台模式，界面直观，操作简便，符合软件开发流行趋势和普及化推广应用需求。

2.4层次结构数据模型

数据模型和数据结构是地理信息系统的核心，是完整和灵活地实现其功能的关键。地质灾害信息系统所处理的对象是具有一定空间特征和复杂属性联系的信息体，其数据模型和数据结构设计的目的是通过对专业信息的数据结构抽象，建立面向专业问题的数据结构，从而为实现高度专业化的地理信息系统目标奠定基础。

2.4.1项目（Project）

项目是在特定信息领域为特定目标建立的信息管理的最顶层对象，它是与特定领域和目标有关的信息库的集合。也就是说，一个项目（Project）管理和控制一个以上库（Database）的操作。

一个应用任务建立一个项目，建立项目的同时将初步建立项目环境和分库方案。在后面的操作中可以按分层管理的方法对项目的下面层次逐级进行修改和扩展。

2.4.2库（Database）

库是在项目控制之下由以不同存储方式记录的不同类型信息文件组成的集合。一个库（Database）由一个以上信息文件（File）组成。

一个项目可以由一个或若干个库组成，其数量取决于对对象系统信息属性分析后确定的合理的库划分方案。

2.4.3文件（File）

它是计算机中操作系统对用户信息体管理的基本单位，在本系统的数据结构中，数据文件是由一个以上图层（Layer）组成的信息体。

一个图形库可由多个图形文件组成，其数量的限制是操作系统支持的目录中最大文件个数。

2.4.4图层（Layer）

一个图形信息文件由不同属性的信息组成，为便于区分信息的属性并对各属性进行独立操作，有必要对一个图形文件中的不同属性类型进行分层次管理，这就是图层的概念。

一个图形文件可以由多达256个图层构成。在对图形文件操作时，通过设定图层显示属性，确定显示的图层范围。

2.4.5图元（Element）

图元是图形信息的最小单位，在Windows环境下开发GIS系统可以比较好地实现矢量、栅格及Windows标准图元相结合的信息记录体系。其中，用户信息一般以点、线、多边形等形式表示，具矢量特征；空间影像、照片、其它扫描图形则以栅格形式表示；Windows系统提供的矩形、椭圆形等规则图形体则可用于符号注记、图面整饰等。实现三类图元共存能使GIS系统的可操作性、输出简易性和图形表达效果大大增强。

图元的表示采取“图元头”＋“图元体”的方式，图元头通过与有关属性表格的联系，记录图元的标识、显示属性、充填属性、所在图层、用户属性联系等信息，图元体则记录图元的空间位置关系。

这样，我们就建立了从“项目→库→文件→图层→图元”的信息结构链，通过这样一种链式结构，对用户而言，只要从建立项目开始，就可以在系统的引导下逐步构筑起复杂的信息框架和结构，构成完整的信息系统网络；对系统而言，一旦实现这种框架，这种层次结构可满足用户对任一层次上信息进行更新和编辑的要求。

2.5系统模块和功能

2.5.1矢量图形输入编辑模块

用多文档界面处理图形，主要包含下列功能。

文档：新建、打开、关闭、保存、转入、转出、数字化、数据联系、打印、退出；

编辑：选择、复制、删除、移动、旋转、改变形状、修改属性、放缩图元、修改图形文件头等；

视图：充满窗口、放大、缩小、重绘、显示控制；

绘制：文本、点、线、多边形、矩形、正方形、圆形、椭圆形等；

设置：页尺寸、图层、标尺、文本特性、线特性、充填特性、点类型、改变调色板等；

输出：支持矢量图形和栅格图形的图面整饰及合并输出，可以在多种输出设备（从普通针式打印机、激光打印机，到大型笔式绘图仪、大型彩色喷墨绘图仪等）上使用，其输出质量已达到较高的水平。

帮助：索引、定题帮助、术语、关于本模块的信息。

2.5.2栅格图形分析模块

在吸收国内外相关软件优点的基础上，开发的本模块具有下列主要功能。

文档：新图、打开、关闭、扫描等；

编辑：修改、复制、删除等；

绘制：与矢量子系统基本相同，但以栅格格式存储；

操作：矢量栅格转换、图形属性查询、修改图像文件头、图形赋值、属性提取、图形重分类、放大、缩小、转置、拼接、开窗、过滤等；

图形统计：直方图分析、交叉列表、回归分析、自相关分析、趋势分析、随机图像生成等；

图形代数：图形覆盖、常量运算、面积计算、周长计算等；

空间模型：灰色预测模型、距离模型、费用表面、最佳路径、挖填方分析、归类处理、表面分析、视点分析、分水岭分析等。

2.5.3图像处理模块

以吸收其它系统的功能为主，支持图像识别、分类、标准化、假彩色合成、条纹去除、过滤、主成分分析、模糊矩阵分析等操作。

2.5.4图形图像库空间检索模块

该模块为京津唐地质灾害图形图像库的检索查询系统。进入本模块后，在图上京、津、唐、秦及全区图形位置任一点上用鼠标进行相应地区的图形图像库信息查询。

2.5.5系统指南与帮助模块

帮助模块是用户学习使用本系统的方便工具。本模块和各模块中的帮助功能构成GH-MIAS的帮助支持体系，可以使使用者在初步接触时、操作使用过程中、达到熟练程度后各阶段都能得到相应的帮助，解决使用过程中需要了解的疑难问题，获得有关数据结构、文件结构等方面的信息等。

3GHMIAS系统在天津地面沉降空间分析中的应用

3.1水位变化的时间－空间统计与评价

已有的研究表明，导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续下降”，经过天津市地质工作者和各方面的努力，在80年代压缩地下水开采量之后，地面沉降得到有效控制。

作为产生地面沉降的直接诱导因素，过去对地下水位的变化情况已经做了许多分析和研究，但通常采用的是观测数据直接统计分析的方法，也就是对离散数据的分析；但现实世界信息的特点却是在空间和时间上连续变化的。利用GHMIAS空间分析原理，就可以实现对这类信息的准确的空间统计（尽管我们对现实世界信息的采集是不连续的和离散的，但在GHMIAS系统的支持下，可以利用离散插值或等值线插值的方法，由离散信息生成模拟连续空间表面，以“准真实”的形式反映信息的空间特性）。这就从分析能力和精确性方面超过了以前的分析形式，从而容易取得对决策过程更有价值的支持依据。

对天津市水位变化情况的空间分析是以天津市第二、第三含水组1980、1985、1988年的水位观测数据为基础进行的，分析过程见图2。

图2天津市地面沉降的时间－空间图形分析基本过程（以水位分析为例）

由属性数据库提取的水位观测信息，经过GHMIAS系统离散数据插值表面的处理，生成各时段的地下水位表面图形（图略），再利用GHMIAS系统的栅格空间分析工具进行图形覆盖——常量运算，取得不同时段间隔的水位变化空间分布特征图形，再利用空间统计，结合空间面积、体积统计，对1980、1985、1988年各年度水位状态和1980～1985、1985～1988以及1980～1988年时段间隔的水位变化特征取得了一系列分析成果（图略）。

从空间分析的统计结果（表1）可以看出，天津市区80年代地下水位的变化，无论是第二含水组还是第三含水组，其水位下降的趋势都在减弱，就第二含水组而言，无论是水位变化的空间绝对特征值（最大、最小、均值），还是下降区面积与上升区面积之比，或是水位变化反映在含水空间的体积变化等方面，都在向水位上升的方向发展，80年代末与80年代初相比，水位上升的总量已经超过水位下降的总量，经历了80年代初的水位下降为主导到80年

表1天津市区及近郊80年代地下水位空间升降特征值

＊负值为水位相对下降值，正值为水位相对上升值。代末的水位上升为主导的过程。第三含水组的情况与第二含水组类似，但变化幅度不如第二含水组明显，致使其在总体上水位下降减弱的趋势下，80年代初与80年代末的水位总体变化仍然呈现出水位下降占主导（空间统计的均值为下降值），水位下降的总量仍然超过水位上升的总量（含水空间体积变化平衡值为体积减少）。这说明对第三含水组的控制开采措施不及第二含水组有力。

3.2地面沉降量变化的空间分析与评价

图3天津市区1985～1992年地面沉降空间体积变化

表21985～1992年沉降量分布的数值统计

＊负值为回弹量。

用与水位空间分析同样的原理（见图2），对天津市1985、1988、1990、1992年地面沉降观测信息进行了空间特征分析。对空间分析结果的统计（图3、4，表2）表明，天津市地面沉降控制行动在1988年前后取得显着成果，地面沉降造成的土体体积压缩量明显下降，1988年以后，进入一个相对稳定的时期，在1990年前后沉降增速达到最小，但到1992年前后，地面沉降的体积又略有回升，可能意味着限制二层含水层开采的控沉效用已经发挥得差不多了，而新的致沉降因素造成的沉降加速作用还未得到很好的控制。

图41985～1992年地面沉降量分级分布面积空间统计值的分布负号表示反弹

从沉降回弹量的空间分布的变化情况看，也具有一致的结果，即1988年前后控制沉降带动的地面回弹达到最大，而后开始回落，1992年与1990年相比地面回弹体积又有明显减小。同样说明进入90年代后，天津市区地面沉降的形势仍然不容乐观，如果不抓紧进一步实施控沉措施，地面沉降将再次加剧。

1988年以来，天津市区地面沉降减速区的面积不断缩小，从1985～1988年的549.34km²，到1988～1990年间的418.00km²，到1990～1992年间则下降为283.11km²；而地面沉降加速区的面积却呈增加趋势，从1985～1988年间的2.75km²，发展到1988～1990年间的134.09km²,1990～1992年间则达到268.98km²，说明从总体上看，1988年以后的地面沉降形势没有再向良化方向发展，而是趋向于增强（图5）。

其时段区间年沉降量变化值分布的绝对统计值（表3）也表明，1988年以后回弹在减少，沉降在增加。1992年全区（研究区包括市区及近郊）地面沉降量的分布与1990年相比，平均沉降量增加了2.46mm。

表3年际间沉降量变化幅度统计

＊负值为沉降减速，正值为沉降加速。

图5不同时段区间年沉降量变化值分级空间统计值的分布负号表示反弹

从空间分布上看，不同时期的地面沉降中心和不同时段地面沉降量变化值的分布也有较大变化。1988年与1985年相比，研究区地面沉降速度全面减弱，其中减弱幅度最大的中心区分布于市中心区东侧的工人新村、方新庄、香料厂一带；1990年与1988年相比，大部分地区沉降量变化不大，其中，市中心区大部及研究区东北部李明庄—欢坨一带等区域沉降量略有增加，其它区域沉降量继续减弱；1992年与1990年相比，大部分地区继续保持基本平稳的沉降速度，其中市中心区及研究区东北、西北部沉降量略有减弱，研究区西南角华庄子一带沉降量则有明显增加。

3.3地面沉降形势的灰色空间模型预测

由于我们掌握的与地面沉降有关的因素的空间分布与时间演化信息不够系统，很难建立地面沉降预测的精确型空间分析模型，但GHMIAS系统管理的地面沉降观测序列信息包括1985、1988、1990、1992年四个时段，基本上可以利用这些信息的空间分布特征，利用GH-MIAS系统特别提供的灰色空间图形预测模型分析工具，进行示范性预测分析。

3.3.1对1994年地面沉降基本特征的灰色预测

利用前面空间统计分析的结果，可以对一些今后沉降变化的特征值进行灰色预测，预测过程的理论方法和资料利用技术参见关于空间分析模块算法原理的有关描述。预测的结果见表4。

表4预测1994、1996年沉降特征值及1992～1994年间地面沉降量变化的特征值

根据预测结果，1994年天津市区地面沉降体积约为5409538m³，预测地面回弹体积将下降为6757.4m³。预测1994年地面沉降量空间分布的最小值为－1.8mm（地面回弹1.8mm），最大值为沉降72.32mm，均值为19.38mm，地面沉降速度增加的分布面积将增长到484.39km²，而沉降减速的分布面积将减少为191.63km²。这一预测结果表明，如果不采取更有力的控沉措施，今后地面沉降的趋势将向加速方向发展。由于资料的时间序列偏短，模型校正能力有限，该预测结果的偏差范围较大，但从实际值与预测模型计算值的对比看，拟合情况较理想，说明从发展趋势上看，有一定的可靠性，并且与前面的统计分析结果是一致的，因而有一定的参考价值。

3.3.21994、1996年地面沉降态势的空间预测与分布分析

分析过程如下：

（1）从属性数据库中提取1985、1988、1990、1992年地面沉降观测数据；

（2）利用GHMIAS系统的离散点数据插值表面功能，建立四个时段的沉降特征表面（图略）；

（3）运行GHMIAS系统栅格空间分析工具中的灰色空间图形预测分析选项，选择已生成表面的四个时段图形参与分析，生成预测1994、1996年的地面沉降空间特征表面（图略）；

（4）对残差的空间区间进行分析，确定模型预测的可信区间，对模型预测的精度和可靠性进行评价；

（5）利用GHMIAS系统的栅格图形分析功能，进行预测结果图形的统计分析和分级提取、面积和体积计算，对统计计算结果进行分析。

对1994、1996年天津市区地面沉降进行灰色空间图形预测分析结果的总体评价为：

（1）与1992年相比，天津市区的地面沉降形势将呈总体上基本平稳的形势，而近郊的沉降量将有所增加，致使全区总沉降水平略有上升。1994年地面沉降量分布的均值为19.77mm,1996年为24.09mm，因此需要加强控制地面沉降措施。

（2）沉降加速的中心位置将进一步转移到研究区西南角的华庄子一带，1996年时研究区东南部沉降量也可能有所增长。

（3）与前面直接对地面沉降分布特征值的灰色预测相对比，基本上可以认为，利用SGM模型进行空间预测的结果因为时间序列长度有限，存在向极值增强的现象，即预测空间分布的最大、最小值可能比实际值偏离较大，但总体上其平均沉降水平与特征分析结果比较一致，沉降分布的均值1994年为19.77mm,1996年为24.09mm，这分别与直接对特征值的灰色预测结果，（1994年19.38mm,1996年22.76mm）基本吻合，说明预测结果有一定的可信性。

参考文献

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

5. 显式统计预警模型方法

应用地质灾害显式统计预警的基本原理，根据5.4节中南山地丘陵区试运算工作实践，并对5.4节中相关权重计算等问题进行进一步的思考和修正，逐步摸索了一条地质灾害预警预报的实现途径。主要包括如下几个步骤:

1)地质环境条件的定量化表达(潜势度计算);

2)地质灾害与地质环境、降雨资料统计分析参数选择;

3)显式统计预警模型选取;

4)地质灾害预警指数计算;

5)地质灾害预警产品生成等。

5.5.1 地质灾害“潜势度”计算方法

地质灾害潜势度是指区域地质灾害发生的潜在条件组合的评价指标，具体反映一个地区是否具备发生地质灾害的地质环境背景条件。

一般采用综合指数模型进行评价:

中国地质灾害区域预警方法与应用

式中:Q_n为第i个单元的潜势度指数;j为评价因子;a_i为第j个评价因子在第i个评价单元中的赋值;b_j为第j个评价因子的权重。

因此，地质灾害潜势度计算结果的合理与否，主要取决于两个方面:一是评价因子选取与定量化;二是评价因子权重的确定。5.5.1.1评价因子定量化

采用广泛使用的确定性系数模型(CF)进行因子图层的量化。基本假定是地质环境的优劣可以根据过去地质灾害(滑坡)的易发程度来确定。即过去地质灾害多发的地方，地质环境条件也较差。

确定性系数模型(CF)最早由Shortliffe和Buchanan(1975)提出，由Heckerman(1986)进行了改进，表示为下式:

中国地质灾害区域预警方法与应用

式中:PP_a为滑坡在数据类a中发生的条件概率，应用时为数据类a中存在的滑坡个数与数据类a面积的比值;PP_s为滑坡在整个研究区A中发生的先验概率，可以表示为整个研究区的滑坡的个数与研究区面积的比值。

将各因子图层分别按公式计算，CF的变化区间为［－1，1］。正值代表事件发生确定性的增长，即滑坡发生的确定性高，地质环境条件差;负值代表确定性的降低，即滑坡发生的确定性低，地质环境条件好;CF值接近于0，说明确定性居中，不能确定地质环境的优劣。

选取各因子图层量化结果(CF值)作为评价因子的赋值(公式中a_i值)参加计算。5.5.1.2评价因子权重的确定

根据中南山地丘陵区试运算情况，对权重计算方法做了相应的改进。首先采用上节计算所得的各因子CF值进行变换来计算各因子的权重，具体计算权重的方法为本项目的一个创新的方法。具体计算方法如下:

(1)所有因子图层CF值合并计算

首先将各因子图层全部合并计算。假定要合并两个因子图层的CF值分别为x和y，合并后的结果为Z，则合并公式如下式:

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先选定岩土体类型因子，根据上式逐步叠加合并各因子图层。为使合并结果易于解释，将合并的图层的CF值进行分类，分为5个级别，合并后各级别的百分比用Z_all－i(i=1，2，…，5)表示(表5.9)。

表5.9 CF级别划分

(2)某因子图层CF值的贡献计算

当计算某因子图层的CF值的贡献时，首先计算除该因子图层外，其他所有图层叠加合并的Z值分段百分比，得到Z_{某图层－i}(i=1，2，…，5);然后根据式(5.8)计算该图层的CF值贡献。

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式中:△Z_{某图层－i}为某图层CF分段贡献值;Z_all－i为所有图层CF合并分段结果值;Z_{某图层－i}为除该图层其他所有图层CF合并分段结果值;i为CF分段级别，i=1，2，…，5。

(3)计算各因子图层权重

根据式(5.9)，计算每个因子图层的相对贡献大小，经归一化后得到各因子的权重。即

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式中:T为某因子图层的权重;△Z_－i为某图层CF分段贡献值，即△Z_{某图层－i};i为CF分段级别，i=1，2，…，5。

5.5.2 地质灾害显式统计预警模型选取

5.5.2.1 模型选取原则

在统计模型的选择上，选定两种模型进行对比分析计算。一是多元线性回归模型，该模型是传统的数学统计的代表方法，具备简单直观的特点;二是神经网络模型，该模型是黑箱模型模仿推理计算的代表方法。两种代表性的方法可以进行相互校验。

5.5.2.2 多元线性回归模型

多元线性回归模型反映一种结果与另外多种原因的依存关系，即是另外多种因素共同对一种结果产生影响，作为影响其分布与发展的重要因素。

设变量Y与变量X₁，X₂，…，X_m存在着线性回归关系，它的m个样本观测值为Y，X₁，X₂，…，X_m，于是多元线性回归的数学模型可以写为

中国地质灾害区域预警方法与应用

可采用最小二乘法对上式中的待定回归系数β₀，β₁，…，β_m进行估计，求得β值后，即可利用多元线性回归模型进行预测了。

计算了多元线性回归方程之后，为了将它用于解决实际预测问题，还必须进行数学检验。多元线性回归分析的数学检验，包括回归方程和回归系数的显着性检验。

回归方程的显着性检验，采用统计量:

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式中: ，为回归平方和，其自由度为m; ，为剩余平方和，其自由度为(n－m－1)。

利用上式计算出F值后，再利用F分布表进行检验。给定显着性水平α，在F分布表中查出自由度为m和(n－m－1)的值F_α，如果F≥F_α，则说明Y与X₁，X₂，…，X_m的线性相关密切;反之，则说明两者线性关系不密切。

回归系数的显着性检验，采用统计量:

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对于给定的置信水平α，查F分布表得F_α(n－m－1)，若计算值F_i≥F_α，则拒绝原假设，即认为X_i是重要变量，反之，则认为X_i变量可以剔除。

多元线性回归模型的精度，可以利用剩余标准差(S)来衡量。S越小，则用回归方程预测Y越精确;反之亦然。

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5.5.2.3 BP神经网络

人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork，简称ANN)是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统。BP神经网络是目前应用最广泛也是发展最成熟的一种神经网络模型。BP神经网络也即误差逆传播网络(Back-PropagationNeuralNetwork)，由Rumelhart和Mclland等1985年提出。它为神经网络的一种重要方法，它由三部分组成:感知单元组成的输入层、一层或者多层的计算节点为隐藏层和一层计算节点的输出层(图5.19)。

BP神经网络计算步骤:

1)首先初始化，给各连接权{W_ij}、{V_jt}及前置值{Q_j}、{R_t}，并赋予(－1，+1)间的随机值。

2)随机选取一模式对A_k=(a₁^k，a₂^k，…，a_n^k)，y_k=(y₁^k，y₂^k，…，y_n^k)提供给网络，(k=1，2，…，m)。

3)用输入模式A_k=(a₁^k，a₂^k，…，a_n^k)，连接权{W_ij}和前置值{Q_j}计算中间层各单元的输入s_j;然后用{s_j}通过Sigmoid函数f(s_j)计算中间层各单元的输出{b_j}。

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图5.19 BP神经网络结构示意图

4)用中间层的输出{b_j}，连接权{V_jt}和前置值{R_t}计算输出层各单元的输入{L_t}，然后用{L_t}通过Sigmoid函数计算输出层各单元的响应{C_t}:

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5)用希望输出模式y_k=(y₁^k，y₂^k，…，y_n^k)，网络实际输出层各单元的一般误差{d_t}:

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6)用连接权{V_jt}、输出层一般化误差{d_t}、中间层输出{b_j}计算中间层单元的一般化误差{e_j}:

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7)用输出层各单元的一般化误差{d_t}、中间层各单元的输出{b_j}修正连接权{V_jt}和前置值{R_t}:

中国地质灾害区域预警方法与应用

8)用中间层各单元的一般化误差{e_j}、输入层各单元的输入A_k=(a₁^k，a₂^k，…，a_n^k)修正连接权{W_ij}和前置值{Q_j}:

中国地质灾害区域预警方法与应用

9)随机选取下一个学习模式对提供给网络，返回到步骤3，直到m个模式对训练完毕。最后使网络全局误差函数E小于预先设定的一个极小值ε。

中国地质灾害区域预警方法与应用

误差反向传播算法是基于误差修正学习规则的。误差反向传播学习由两次经过网络不同层的通过组成:一次前向通过和一次反向通过。在前向通过中，一个活动模式(输入向量)作用于网络感知节点，它的影响经过网络一层接一层传播。最后，产生一个输出作为网络的实际响应。在前向通过中网络突触权值是固定的，而在反向通过中，突触权值全部根据网络误差修正规则来调整。网络误差为目标期望响应减去网络实际响应。当突触权值被调整到从统计意义上实际响应接近目标期望响应时，网络已经训练成功。用训练好的网络就能够预测未知的目标响应。

综合上述，有监督学习的神经网络应用于模式识别问题中，主要包括两个阶段，即网络训练阶段和工作阶段。网络训练阶段主要任务是调整网络权值减小网络的误差;网络工作阶段，将网络调整好的权值固定不变，对实验数据或者实际数据进行预测识别，达到分类预报目的。

6. 　地质灾害受灾体价值分析

地质灾害灾情评估的核心目标是定量化评价地质灾害的破坏损失程度。要实现这个目标，不仅要反映各种受灾体遭受破坏的数量和程度，更重要的是将各种受灾体的破坏效应转化成货币形式的经济损失。要完成这项工作，除了调查分析评价区受灾体类型和分布情况外，还必须在此基础上统计分析受灾体的价值及其分布情况，根据它们遭受灾害损失的机会核算价值损失。因此，地质灾害受灾体价值分析是研究社会经济易损性的重要内容。

地质灾害受灾体价值分析的中心工作就是调查统计受灾体的分布情况，核算受灾体的价值，并以单元价值额或价值密度等为指标，反映评价区受灾体价值分布。

一、地质灾害受灾体价值核算方法

以上划分的14类地质灾害受灾体，虽然它们的功能各异，但除了人的生命健康、风险观念难以用货币价值衡量外，其它类受灾体都可以用货币形式反映它们的价值。这些受灾体的价值类型可以归结为两类：房屋、铁路、公路、桥梁、设备、室内财产等，是人类劳动创造的有形财富，属于资产价值；土地、地下水等是人类生存与发展的基础，属于资源价值。

（一）资产价值核算

资产价值可采用资产评估方法进行核算。在各种资产类受灾体中，除个别受灾体需考虑效益价值外，大部分受灾体价值为成本价值或成本价值叠加利润价值，即市场价值。核算的基本途径有两种：对固定资产实行统一财会管理的部门和单位，可根据账面反应的固定资产净值确定固定资产价值；对于没有会计核算的固定资产，可根据资产项目的实际性状评估价值，或者根据资产项目原值、使用年限及相应折旧率核算资产净值。

资产实际性状主要指资产外观、结构、整体完整性和稳定性、性能完好程度等。不同资产的具体表现不同。例如评估房屋价值时，主要依据为：房屋结构——地基基础、承重构件、非承重构件性状；装饰部分——门窗、顶棚等完好程度；设备部分——上下水设备、卫生设备、照明设备等的完好程度。从而评定其新旧成数，进一步核算房屋的价值（表6-1、6—2、6-3）。

除现场调查评估外，可根据资产实际使用年限与寿命年限的比值大致估算资产净值。表6-4、6-5、6-6给出了房屋、部分构筑物和通用设备的寿命参考值，供评估使用。

资产原值指新置资产的价值。由于受灾资产的购制时间不同，受物价因素影响，同币额资产实际价值不同，所以应根据价格指数将评价区所有受灾资产价值折算成同一年份的可比价值。

因资产购制时间久远或其它原因，难以确定资产原值时，可根据评价区当年物价水平，采用重置成本方法或市场价值类比方法核算资产现值。所谓重置价值是指在现实技术设备、工艺水平和材料价格、人工费用条件下，重新建造或制造与评估对象相同结构、质量、性状的建筑物、构筑物、设备、工具、仪器、仪表等物品所需的费用。所谓市场价格类比方法是以市场上类似的资产交易价格为参照物确定评估对象的资产价值。如果考虑受灾体的折旧和灾后的残值，评估对象的现值按下式核算：

表6-1钢筋混凝土结构房屋新旧程度参考标准

据吕发钦，1993。

表6-2砖结构房屋新旧程度参考标准

据吕发钦，1993。

表6-5部分构筑物寿命年限

据吕发钦，1993。

表6-6主要通用设备寿命年限

据吕发钦，1993。

受灾体现值＝重置价格×[（1－残值率）×成新度＋残值率]

残值率是指建筑物及其它受灾体遭受灾害破坏后所剩余的残留价值与受灾体造价的比值。不同受灾体的残值率不同。我国对建筑物等的残值率已有技术规定，如钢结构建筑为0%，砖混结构为27%等。没有专门规定的可比照同类物体确定残值率。成新度指的是评估对象的新旧程度，其中房屋可参照表6-1、6-2、6-3取值，其它受灾体可参照国家标准或比照同类物体标准确定成新度。

遭受地质灾害危害的资产种类十分繁多，其中大部分资产可采用上述通用方法核算价值，但还有一些具有特殊性质的资产，采用上述方法评估其价值时需要进行适当的变通，甚至采用其它一些方法进行价值核算。对于在建（在制）工程，不存在原值与净值以及折旧的核算问题，其资产价值为已经形成的建制成本。对于库存原材料、燃料、低值易耗品、在产品、产成品、半成品等资产价值，可根据不同情况采用历史成本法、现时重置成本法、清理变现价值法核算价值；其中清理变现价值法是按库存物资目前可变现净值估算其价值。对于企业的大型、精密稀有设备，可根据国家物资部门或工业主管部门的相应价值目录（如《机电产品价格目录》、《纺织机械行业出厂基准价目录》等）核算其价值。对于某些难以找到可靠依据的特殊资产，可采用定性分析与定量分析相结合的方法，即以相近似资产价值为参考，并征求有关技术经济专业人员意见，然后核算其价值。

（二）资源价值核算

1.自然资源的基本属性与价值核算的基本方法

地质灾害对自然资源具有多方面破坏作用，但最主要的是破坏土地资源和地下水资源。因此，在灾情评估的易损性评价中，主要分析这两种资源价值核算方法。

自然资源是人类生活资料和生产资料的基本来源，是人类赖以生存和发展的基础。自然资源是一种物质，它和其它物质一样对人类具有两种属性：一是实物属性，供人类各种活动的物质消耗；二是环境属性，各种自然资源与人类结合在一起，营造了人类生存发展的环境。因此，自然资源在社会经济中也具有两方面作用：一是为人类提供物质原料；二是影响人类的环境质量。

自然资源可以分为有限资源和无限资源。有限资源可进一步分为可再生资源和不可再生资源。对于有限资源来说，无论是不可再生资源还是可再生资源，它们都不是取之不绝用之不尽的。特别是随着地球人口数量的迅速增长和经济活动的持续发展，人类对各种资源的需求数量和开发程度不断提高，有限资源的“有限”性特征越来越鲜明。土地资源和地下水资源是对人类有直接关系的重要资源。它们虽然都属于可再生资源，但它们遭受破坏以后的再生恢复过程不但需要一定的自然环境和不同方式的人为良化再造，而且需要一定的时间周期。因此，土地资源和地下水资源的破坏，不但降低或者丧失了它们的利用价值，而且在恢复中还需要投入必要的再造成本。

自然资源的可利用性决定了自然资源是有价值的。由于自然资源的价值表现十分复杂，所以，目前国内外对自然资源价值的认识还很不完全。特别是在我国，长期以来片面强调只有人类劳动创造的成果才具有价值，忽视自然资源的价值属性。不但在有关研究领域基本处于空白，而且在社会生活中基本上是无偿地占有和使用各种自然资源，所以普遍缺乏资源价值观念，更没有资源价值核算方法。

从一般意义上说，自然资源价值的高低主要取决于三个方面，即：资源与人类的相关程度或可利用程度；资源的丰度或稀缺程度；资源开发利用条件和再生恢复的难易程度。根据上述特点，自然资源价值主要包括两部分：一是自然资源本身的价值，它是资源所固有的，具有“潜在”性质的价值，故暂称为潜在价值或固有价值；二是人类为开发利用自然资源所投入的人力、物力、财力成本，它是非自然的，具有“成本”性质的价值，故暂称为成本价值。对两种价值分析的基础也不完全相同：前者可根据地租理论进行研究核算；后者可根据生产价格理论进行研究核算。研究中可参考国际上比较流行的市场定价法、净价法（逆算法）、成本法等进行分析评价。

自然资源价值核算实质上是对自然资源定价。自然资源定价可根据自然资源再生产过程中的价值构成进行定性分析和定量计算。如上所述，为人类开发利用的自然资源的再生产过程是自然再生产过程和社会再生产过程的结合。按照生产价值理论，在对自然资源定价时，必须考虑自然资源价值的这两方面构成，即按完全生产价格等于地租加成本再加利润的原则来确定资源价格。基于这种认识，在考虑地租、社会投入、平均利润、资源稀缺程度（供求关系）、资金时间价值等因素基础上，建立了确定自然资源价值（价格）的基本理论公式：

地质灾害灾情评估理论与实践

或者

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：R₀——自然资源基本租金或基本地租；

α——代表自然资源丰度和开发利用条件，即地区差别、品种差别和质量差别的等级系数；

A——支付在该自然资源上的人财物投入总额（折成资金）；

Q——受益自然资源总量；

N——受益年限；

P——平均利润率；

Q_d——自然资源需求量；

Q_s——自然资源供给量；

E_d——需求弹性系数，

即需求量变化率与价格变化率的比值；

E_s——供给弹性系数，

即供给量变化率与价格变化率的比值；

i——平均利息率或贴现率；

P_i——自然资源第t年的价值（或价格），设P为现值，其关系是P_t=P（1+i）^t；

（C+V+m）——该自然资源每年因社会投入所产生的价值，它相当于

可以认为，（1）、（2）这两个自然资源的基本价值（价格）公式，包含了决定自然资源价值（或价格）的几项主要因素，其他有关影响因素，均可在这两个公式的基础上加以考虑，对公式进行扩展。

当然，要将这两个公式付诸实际应用，需根据统计数据、实际经验，或通过实验确定有关参数，如a、R₀、Q_s、Q_d、E_s、E_d等。这些都是可以做到的。

2.土地资源价值核算

上面给出的基本公式可应用于土地资源价值（价格）核算。应该说明的是，无论是点评估、面评估还是区域评估，土地类型不同，土地资源价值不一。因此，首先要根据评价区实际情况，划分土地类型，或者将评价区先分成若干评价单元，并使每个单元内的土地类型和价值相对一致。在此基础上，确定参数，进行计算；亦可根据实际情况，对公式进行修改，增删要素项目，然后进行计算。

需要说明的是，应用理论公式虽然能够核算土地资源价值，但公式中不少参数不容易准确地确定，所以应用时难免有一定困难。目前我国资源经济研究刚刚起步，对这些参数的定义和取值范围还缺少相应的标准和参考数值，因此应用于实际仍然是一种探索性的实践。鉴于这种情况，除了采用理论公式计算土地价值外，还可以根据评价区现行土地使用费或土地出让价，直接确定土地资源价格。当前这不失是一种简便而又实用的方法。

近些年来，随着我国改革开放的日益深入，地产业逐渐兴起发展。在城镇和许多经济技术开发区，对于行政划拨土地实行逐年收取土地使用费或土地使用税，对外资企业划拨土地实行收取场地使用费或一次性收取土地开发费的办法。为此全国有数百个城镇对土地进行了分等定级，并结合土地估价试点和土地管理需要，评估了当地的基准地价和标定地价修正系数。这些城镇包括北京、上海、天津、广州、南京、合肥、青岛、西安、重庆等大城市或特大城市，还包括泰安（山东）、德州（山东）、厦门（福建）、永安（福建）、营口（辽宁）、锦州（辽宁）、广汉（四川）等中小城市和一些县城、乡镇。此外，自1987年下半年深圳率先采取协议、招标、拍卖方式出让国有土地使用权以来，我国土地使用权制度改革又有了新的进展。目前，以国有土地使用权出让、转让、出租、抵押和以土地使用权入股参与联建联营等为主要形式的地产经营活动日益活跃，土地的市场价格开始逐渐形成。在哈尔滨、长春、沈阳、大连、天津、秦皇岛、上海、烟台、青岛、南通、连云港、宁波、厦门、汕头、海南、重庆等一批城市和少量乡镇，以不同形式陆续成交了土地出让或转让交易。所有这些为城镇土地价格提供了最直接的依据。在城镇土地管理使用办法改革的同时，农村土地以及荒原、荒山、沙漠等土地管理使用办法也出现了重大改革。在一些地区开始试行长期有偿使用、转让、出租，因此也开始萌发了土地市场，形成了相应价格，从而为确定非城镇土地价格提供了最直接的依据。

在地质灾害灾情评估的易损性分析中，如果评价区内各类土地已有政府部门制定的地价标准，可直接用于土地价格核算；如果评价区内的土地没有地价标准，可通过与其它地区同类土地地价标准类比核算土地价格；如果在类比中土地资源条件不完全相同，可根据土地资源条件采用修正系数进行调整。城镇土地资源条件主要包括区位条件与社会环境、交通环境、供水系统、动力系统、景观环境等（表6-7）。农村和山区土地资源条件主要包括自然地理环境（海拔高度、地形高差、气候等）、交通环境、资源条件、地区经济水平与产业发展前景等。修正调整土地价格的一般模型是：

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：Y——评价区单位面积土地价格；

k——修正系数；

y——已有定价标准的其它地区同类土地的单价；

i——影响土地价格的因素；

Q_i——影响土地价格因素的作用权重；

P_i——评价区影响土地价格的某种因素的评判分值；

b_i——已有定价标准地区决定同类土地价格的某种因素的评判分值。

表6-7城镇用地地价调整基本要素

据吕发钦，1993。

对于既没有土地价格参考信息，又难以通过比拟修正确定价格的土地，可根据土地的收益大致估算土地资源的价值。这种方法是把土地可能为人类创造的经济收益作为它的价格。土地收益由现实收益和潜在收益两部分组成。现实收益主要指依赖这块土地取得的各种产业收益和直接的环境收益。潜在收益主要指这块土地未来时期进一步开发利用可能取得的收益。各种收益可按我国一般长期租让土地的年限——40～50a核算。

3.地下水资源价值核算

地下水资源价值核算是评估海水入侵灾情的重要内容。水是人类须臾不可缺少的重要资源。不同地区水资源的丰欠程度和地下水资源的开发利用条件有很大不同，所以地下水资源价值相差悬殊。

根据需求定价和全成本定价原理，水资源价值（价格）的核算公式为：

Y_w=Y_wb—Y_wl

式中：Y_w——评价区水资源价；

Y_wb——评价区水资源市场价；

Y_wl——供水成本及正常市场利润。

这个模型虽然在理论上是成立的，但目前在我国还难以普遍应用。这是因为现在我国不但没有形成水资源市场和相应的水资源价格体系，而且在全国范围基本上是无偿开发使用水资源。即使在实行水资源收费地区，水费价格特别低廉，远脱离水资源的实际价值。例如根据国家统计局公布的1994年几十个城市或地区的现行水价为0.2～0.8元/m³，平均水价仅为0.59元/m³。更多的地区至今还没有水价标准。

基于上述实际情况，可采用目标效益法和替代水资源开发成本法核算地下水资源价值（价格）。

目标效益法是根据评价区的经济规划，假设将地下水资源最充分、最合理地应用于产业活动所产生的效益称为目标效益；然后再假设评价区在没有或失去相应的地下水资源的条件下核算产业活动的可能效益；二者的差值再减去为获取效益增值而投入的其它方面成本，代替地下水资源价值（价格）。所谓最充分、最合理的开发利用地下水资源，是指对地下水资源进行最充分的开发，使评价区人民生活以及一产、二产、三产得到平衡发展，同时又能保障水资源环境质量基础上的地下水开发活动。

替代水资源开发成本法是假设评价区没有或者失去地下水资源情况下，为了保障现状水资源条件下人民生活和产业发展需要，采用替代水资源所需要增加的开发成本以及因此造成的其它损失。所谓替代水资源包括地表水资源或异地水资源等。可作为替代水资源的基本条件必须是可保障水源，即替代水源的水量充足，水质合格。用其替代评价区的地下水资源不至影响新的假设水资源开发地区的正常生活和社会经济发展，不会造成水资源环境恶化。

基本核算模型为：

Y_w＝（B_t-B_p）·Q_m·M_P

式中：Y_w——评价区地下水资源价；

B_t——替代水资源开发利用成本；

B_p——评价区地下水资源开发利用成本；

Q_m——评价区地下水资源开采模数；

M_P——评价区面积。

不同核算方法可因地制宜选用，亦可采用几种方法相互补充验证。

二、受灾体密度与价值分布分析

受灾体数量密度与价值密度是指单位面积（每平方公里或等面积的一个评价单元）受灾体数量或受灾体价值。它们是标示受灾体密集程度的基本指标。

如前所述，在一般情况下，灾害危害范围内受灾体越多，价值越高，灾害的破坏损失越严重。因此，在灾情评估中，不仅要统计受灾体的数量和价值，而且要分析它们的分布情况。这项工作是易损性评价的基础内容。

受灾体数量采用分类方法进行调查统计。在点评估和范围较小的面评估中，首先根据评估的精度要求，将评价区划分成面积相等的评价单元；然后采用全面实际调查或专项调查与抽样调查相结合的方法，统计各类受灾体数量，并计算受灾体密度；在此基础上采用比较适宜的核算方法计算统计单元受灾体价值或单位面积的受灾体价值密度，并编制评价区受灾体价值分布图，直观地反映受灾体密度分布情况。

在范围较大的面评估和区域灾情评估中，依据社会经济统计资料和专门性调查结果，首先进行受灾体分布区划。其具体步骤是：以行政区域经纬度将评价区划分为若干评价单元；采用系统层次分析和灰色聚类分析等方法，确定分析指标，建立分析模型，计算单元受灾体密度指数；根据评价区密度指数变化幅度，划分指数等级，进行受灾体密度区划。在此基础上，在不同等级单元中选取典型样本进行抽样调查统计，核算其价值密度，并比拟到其它同类单元，反映全评价区的价值分布。

如前所述，14种受灾体可归为人、资产、资源三大类。在灾情评估中，可根据实际需要，进一步进行分类分析和综合分析。

7. 开放式地质灾害监测系统的研究

史彦新

（中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】本文介绍了一种开放式地质灾害监测系统的构建方案。首先简要叙述了开放式监测系统的概念，随后从监测系统的形成、硬件组成和软件设计3个方面进行了阐述，突出了监测系统开放、灵活的特点。

【关键词】开放式系统地质灾害监测地质灾害预警

1前言

地质灾害监测预警是一项复杂的系统工程，具有多学科交叉、应用性强、不断发展变化等诸多特点，随着高新技术和计算机网络技术的迅速发展，地质灾害监测预警技术也有了很大发展，系统化、网络化的开放式地质灾害监测系统成为地质灾害监测发展的必然趋势。

所谓开放式监测系统，即采用开放的结构模式，采用统一标准或协议的一种软件或硬件的平台。在硬件方面，只要符合统一标准的模块，都可以接入该系统；在软件方面，运用模块化编程技术，结合模糊数学、专家系统、人工神经网络、小波分析等先进理论，根据不同的监测模型，采取不同的算法，并制定统一的通讯协议，实现对各监测模块的管理、监测数据的采集、监测信息的远程传输、系统通讯等功能^[1]。

最近在地质灾害预警关键技术方法研究与示范项目中，项目组在构建地质灾害监测系统时进行了大胆的尝试，在巫山地质灾害监测预警示范站建立了基于钻孔倾斜仪深部位移监测、GPS地表变形监测、TDR滑坡位移监测、孔隙水压力监测等手段的开放式地质灾害监测系统。该监测系统可实现一天24小时连续监测，监测数据可以从现场发送到数据处理中心，及时获得监测结果，并实时发布^[2]。

2监测系统的形成

目前常用的地质灾害（滑坡）预报方法，多为对位移监测数据序列进行数学方法处理，作趋势性外推，这种处理方法受监测点选择的随机性和多种相关因素的综合影响，准确性较低，在实际应用中往往不能达到预期效果。为了提高地质灾害预测预报的准确性，必须对灾害体进行多手段、全方位的监测，对监测信息进行综合分析处理。

随着科学技术的发展及对地质灾害机理的深入研究，国内外地质灾害监测技术方法已逐渐向系统化、智能化方向发展，监测内容、方法、设备日趋多样化，不只局限于对位移的监测，且已涉及地质灾害诱发因素的监测及地温、地声、射气浓度等地质灾害间接因素类的监测。只有对灾害体进行全方位的监测，并对监测信息进行综合分析，才能极大地提高监测的有效性与准确性，为地质灾害的预警预报提供坚实的数据基础。

因此，为了全面了解灾害体的位移变化情况及其他特征值，如孔隙水压力等，在巫山监测预警示范站构建了一套开放式地质灾害监测系统，该系统对几种监测仪器进行集成，从地表位移、地下位移、孔隙水压力3个方面对灾害体进行监测，完成各监测模块的管理、监测数据的采集、传输，为综合分析处理及实时发布监测结果奠定了基础。

3监测系统的硬件组成

该监测系统在巫山监测现场安装有4种传感仪器，4个监测模块分别是：

（1）固定式钻孔倾斜仪，监测钻孔内地下形变位移；

（2)TDR滑坡位移监测仪，该仪器由自行研制，监测钻孔内形变位置与位移；

（3）孔隙水压力监测仪，该仪器由自行研制，监测钻孔内土体的孔隙水压力；

（4）高精度GPS，监测地表相对位移。

用于数据存储、仪器管理及信息传输的是我们自行研制的TDR滑坡位移监测仪。该仪器既完成本模块的监测任务，又兼当整个监测系统的数据采集装置。其采用开放式工业控制的设计思想，以Windows作为操作系统，采用RS-232进行数据通讯，对各监测模块进行管理，完成数据的采集、存储，最后利用GPRS无线传输技术，将监测信息远距离传送到数据处理中心，存入上位计算机中，在数据处理中心完成监测数据的综合分析处理，并实时发布监测结果。

该监测系统的硬件结构如图1所示。

图1开放式地质灾害监测系统硬件结构示意图

4监测系统软件设计

4.1各监测传感模块自控软件设计

各模块自控软件将控制模块的定时工作和通讯协议的建立。各模块自控软件相对独立，分头设计，根据监测对象的不同，采用不同的算法，完成监测、采集任务，同时负责本模块通讯协议的建立。

4.2制定标准的通讯协议和特定的数据格式

通讯协议是现场监测传感仪与数据采集装置及数据采集装置与数据处理中心沟通的桥梁，当数据处理中心需要查看各模块的监测数据及设定监测参数时，均需通过数据采集装置，按照通讯协议上传下达。

针对地质灾害监测的实际情况，采用了主从机通讯方式，将数据处理中心计算机作为主机，监测系统的数据采集装置作为从机，实现一发一收联机通讯。在设定协议中，制定了4个字节的控制状态字，其中第一个字节是前端站点呼叫控制字，保证每个站点上数据的独立性；第二个字节是设备号控制字，能准确地调用各个监测模块的监测数据；第三个字节是读写控制字；第四个字节是握手应答控制字，呼叫并握手成功后，主从机之间即能相互传送或接收数据。传送数据过程中，设定一个表头文件。在表头文件中，首先用1个字节表示仪器设备号，再用5个字节表示数据时间，然后用3个字节代表点号、孔号和孔深，最后用8个字节存放监测数据。另外在修改各监测传感模块的参数时，可以通过主机发送一个配置文件（*.dat）到从机，从机（数据采集装置）接到这个配置文件，就会自动地去修改仪器参数，使各监测传感模块按设定方式采集监测数据。

通讯协议简述如下：

当监测系统启动通讯程序后，接收数据处理中心的命令并按以下格式进行数据字头文件的上传。

地质灾害调查与监测技术方法论文集

当数据处理中心下传监测参数时，以配置文件的方式进行通讯，系统接收命令后，按数据字头文件格式下传给各监测传感模块。其中的第2、3项改为下次监测的启动时间，第7项改为时间间隔，各监测传感模块接到指令后，其自控软件会控制监测仪按设定方式进行工作。

5结束语

以上所述的开放式地质灾害监测系统已在巫山地质灾害监测预警示范站项目中得以实现，运行效果良好，并且随着示范站的建设，基于其开放式的结构模式，会有更多的监测模块接入到该监测系统中，使其技术更加成熟，功能更加完善。

参考文献

[1]张青，史彦新.三峡库区地质灾害监测仪器的前景展望.环境与工程地球物理国际学术会议，2004,6

[2]中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所.地质灾害预警关键技术方法研究与示范项目设计书，2002,11

8. 国内外地质工作信息化现状与发展趋势

当今，人们已经广泛地运用信息。信息技术从来没有像今天这样，以巨大的生命力影响着人类的发展。我们清晰地看到，信息化把人类带进辉煌的21世纪，信息系统建设在地质工作的各个领域也起着越来越重要的作用。随着信息技术的快速发展，西方发达国家大多已经基本完成国家基础信息化体系的建设，并服务于政府、企业、商业等不同层面。地理信息系统、虚拟现实、海量网络数据仓库与互操作、知识挖掘等技术的广泛应用，迫切要求大量的基础信息和综合信息。而地质灾害防治工作，由于涉及国民经济建设诸多领域，其对基础信息的需求尤为明显。面对全球信息化的竞争格局，对于我国而言，最大限度地利用信息资源和现代信息技术，加快建设并实现数据信息化势在必行，其意义不仅在于促进国民经济的发展，而且还关系到国家的安全、现代化建设和经济全球化的战略。在国民经济信息化体系中，信息化工程是其中重要和不可缺少的组成部分。信息化工程对于我国21世纪的经济发展战略以及宏观决策具有重要现实意义。

地质灾害防治工作是一个信息高度集成、数据高速传递和需要综合分析的过程。随着工作的不断深入，这个过程将是一个循环往复的过程。在这个循环过程中，既有大量的历史信息汇集，也有不断产生的新的信息。这些信息来源于调查、监测工作的各个阶段和各个部门。因此，必须利用当今先进的信息技术，将地质灾害数据信息进行有效的集合及合理的部署，以达到信息的二次重组，充分发挥计算机技术对信息的综合处理能力，为地质灾害信息及其各类相关信息提供海量存储；为多源、异构信息的多目标综合分析和管理提供分布网络操作环境；为各级政府部门及广泛的专业单位的信息传输和共享提供高速有效的数据通道。

11.1.1 国外地质工作信息化现状

（1）各种信息技术已广泛应用于地质调查全过程

掌上计算机、手写识别技术、数字制图技术、数据库技术、地理信息系统技术、遥感信息处理技术等，已经在属性数据的描述管理、地质调查成果图件的出版、数据的一体化综合管理、野外数据采集等方面，得到了比较充分的应用。

（2）地质信息的综合应用已经得到比较广泛的应用

对于多源异构数据进行一体化管理，实现跨系统、跨平台的数据交换与共享技术，基本成熟。世界上多数发达国家的信息技术应用，已经从单一的数据库、简单的应用系统建设，逐步过渡到分布式大型数据库技术、大型地理信息系统技术、基于互操作的Web服务技术的综合应用。

（3）支持数据共享和数据互操作的标准化体系已经形成

国际标准化组织ISO，为统一对地理信息的理解、促进地理信息的共享所制定的地理信息描述、处理、管理、服务等方面的标准共有25项，已经基本形成了可以支持地理信息和地球空间信息共享和互操作的标准体系。

（4）基于数据、标准、网络及管理机制的各种应用体系正在形成

目前，英国、加拿大、澳大利亚、新西兰、荷兰、马来西亚、日本、韩国等国家先后开始实施国家空间数据基础设施（National Spatial Data Infrastructure简称NSDI）建设。美国联邦数据委员会提出了空间数据框架的概念，目的是要提供一个通用的基础，从便使各种信息可以在此基础上进行精确的采集、配准或集成。资源工作部门和资源工作信息对建立国家空间基础设施具有举足轻重的作用。事实上，建立NSDI已成为领域信息化的重要内容，并已成为地质工作信息化的重要基础。

（5）网络正在成为地质信息传输与获取的重要基础设施

随着信息技术的发展，特别是网络技术、元数据技术的开发和应用，信息服务的方式已发生了革命性变化。网络技术，特别是Internet的发展，为在世界范围内发布信息提供了基础设施。元数据技术已成为在浩如烟海的信息资源中有效地寻找、存取所需信息的重要技术手段。尤其在网络上不仅仅是提供简单的数据，而是更加注重对信息的二次开发，提供基于知识的深层次的应用。

（6）信息技术在地质灾害监测、调查、防治领域得到应用

目前，国外主要发达国家（美国、加拿大、日本、法国等）已经开展了地质灾害监测预警方面的工作，形成了一定规模的地质灾害监测预警体系，但是覆盖面积比较大的系统尚不多见。在部分地质灾害的自动监测、无线传输、信息发布的全过程实现了数字化和自动化。但是，只有少数国家建立了集监测、工程信息、预测与决策的综合性信息系统平台。在国外，这类监测系统一般都是以基于空间信息的专业数据库为主，配合以专用的数据库平台系统和监测系统而形成的专业监测网络。

11.1.2 国内地质工作信息化现状

（1）基础数据库建设全面开展，数据资源积累大幅度提高

在几十年的地质勘查工作中，积累了大量的地学空间数据和格式化地学文本与图件资源。近年来，围绕信息化建设总体目标，以地理信息系统技术、数据仓库技术等为基础，全面开展了地学基础数据库的建设工作。

（2）地质调查野外数据采集的数字化技术已经成熟

区域地质调查野外数据采集系统已经成熟，并开始推广应用。目前，由掌上计算机、GPS、地理信息系统等信息技术集成一体化的“数字区域地质调查野外采集系统”已经建成，是具有创新性的信息技术成果，该成果已经具备实用化。

（3）国家地质调查骨干网络系统初步形成

经过近几年的信息化工程建设，初步形成了分布全国六大区的地质调查骨干网络，通过2M数字通信电路，构成了地质调查Internet系统。为地质调查网络体系的全面建设奠定了基础。

（4）制定了一批信息化工作标准

通过各项工作的部署和实施，制定了一批指导数据库建设、网络建设及应用软件开发的标准。已经实施应用的标准包括：地质图空间数据库建设工作指南，矿产地数据库建设工作指南，固体矿产钻孔数据库工作指南，自然重砂数据库建设工作指南，地质调查元数据标准等。正在制定的标准有：地质调查数字制图技术规程，GIS在矿产资源评价中的应用指南，区域地质调查野外数据采集工作指南，国家地质调查网络系统建设技术规程，地质调查软件开发配置管理规程，地质调查软件开发测试管理及工作指南等。

（5）开发了一批应用软件

配合信息化建设及信息资源的利用，开发了涉及地质调查不同领域的软件系统，主要包括：地学常用算法工具包，地学可视化工具，区域矿产资源评价系统，西北地下水资源评价系统，地质数据安全发布系统，人力资源管理系统，公文运转系统等。

（6）建设资源环境空间信息共享与应用系统

配合国家“863”项目，基于空间信息栅格技术（SIG）的示范应用取得初步进展，正在构建基于SIG技术的国家地质空间数据共享服务体系。

9. 灾害监测预警系统的作用有哪些

据科技部有关人士介绍，运用现代科学技术建立起来的各种预警系统在我国减灾工作中发挥着重要作用。国家气象局、区域气象中心、省气象台等2600个气象台站形成了全国气象灾害监测、预报系统，利用以计算机为主要手段的实时业务系统、卫星云图接收处理系统、数字化天气雷达和甚高频电话辅助通信网等先进技术，在全国建起了一个广泛的气象灾害监测预报服务网。
900多个综合和单项台站组成的地震检测网以及“各种前兆手段的大震快速响应系统”、“大区域遥测台网联网”等的建立，提高了我国地震重点检测防御区的监测预报和震情信息反应能力。由国家海洋环境预报中心、四个预报区台、中心海洋站和海洋站组成的检测预报系统，对风暴潮、海浪、海冰等海洋灾害每天进行动态的监测、预报。此外，现有的3500多个水文站、1300个水位站，也建立了水文实时信息采集传输系统和接收处理系统，洪水预报和调度计算系统。这些系统对迅速预测1991年、1998年洪涝灾情都发挥了显着的作用。我国灾害监测预警网已“网”遍全国，地震、海洋、气象、水文等监测网每天将各种信息实时传输到后方处理中心。记者从中国国际减灾委员会了解到，我国已建立了从中央到地方的水文、气象、海洋、生物、地震及地质灾害的监测、分析、预报系统，形成了遍布各地、相互交织的灾害监测、预警网络。