3S集成在地质灾害防治中的应用

3S集成在地质灾害防治中的应用

田旭光刘苏珍

浙江省工程物探勘察院310005

摘要：文章主要对3S技术在地质灾害防治中的积极作用进行了阐述，探讨了空间信息技术对地质灾害防治的重要性。

关键词：3S集成；地质灾害；防治；应用

0.引言

"3S"技术是英文遥感（RS，RemoteSensing）、全球导航卫星系统（GNSS，GlobalNavigationSatelliteSystem）、地理信息系统（GIS，GeographicalInformationSystem）这三种技术名词中最后一个单词字头的统称。

遥感，通常指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，通过对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。

当前遥感形成了一个从地面到空间，从数据获取、处理到解译和应用，能够对全球进行全方位观测的体系，成为获取地球资源与环境信息观察的主要手段。特别是近20年来，由陆地卫星、海洋卫星、气象卫星等系列遥感卫星及地面各类地球观测数据收集平台等所组成的对地观测系统不断完善，对地观测技术、计算机信息处理技术和信息传输技术的不断发展，遥感技术已经越来越普及化与实用化，目前已经广泛应用于资源普查和气象观测以及灾害监测中。

1.遥感技术应用

我国利用遥感技术开展地质灾害调查起步较晚，但进展较快。我国地质灾害遥感调查是在为山区大型工程建设或为大江大河洪涝灾害防治服务中逐渐发展起来的。80年代初，湖南省率先利用遥感技术在洞庭湖地区开展了水利工程的地质环境及地质灾害调查工作。有关单位先后在雅砻江二滩电站、红水河龙滩电站、长江三峡工程等库区开展了大规模的区域性滑坡、泥石流遥感调查；从80年代中期起，又分别在宝成、宝天、成昆铁路等沿线进行了大规模的航空摄影，为调查地质灾害分布及其危害提供了信息源。90年代起，在主干公路及铁路选线，如京九铁路沿线等也使用了地质灾害遥感调查技术。90年代末期在全国范围内开展的“省级国土资源遥感综合调查”工作中，各省（区）都设立了专门的中小比例尺“地质灾害遥感综合调查”课题，主要是识别地质灾害微地貌类型及活动性，评价地质灾害对大型工程施工及运行的影响等。例如在5.12汶川地震中，遥感影像在灾情信息获取、救灾决策和灾害重建中发挥了重要作用。玉树地震发生后，通过卫星遥感获得了玉树地震受灾情况的遥感影像，结合玉树地图资料，提出切合实际的救援路线、方案，并依托遥感技术对泥石流、滑坡等次生灾害趋势进行实时监测，为灾害预防提供处理依据。遥感技术的常规应用包括：基础地理数据重要获取手段，遥感影像是地球表面的“相片”，真实地展现了地球表面物体的形状、大小、颜色等信息。这比传统的地图更容易被大众接受，影像地图已经成为重要的地图种类之一；获取地球资源信息的最佳手段，遥感影像上具有丰富的信息，多光谱数据的波谱分辨率越来越高，可以获取红边波段、黄边波段等。高光谱传感器也发展迅速，我国的环境小卫星也搭载了高光谱传感器。从遥感影像上可以获取包括植被信息、土壤墒情、水质参数、地表温度、海水温度等丰富的信息。这些地球资源信息能在农业、林业、水利、海洋、生态环境等领域发挥重要作用。此外，针对地质灾害领域，遥感技术的典型应用包括：

1.1地灾发育调查与研究

研究表明，地质灾害的发育主要有如下8种因子：①累积降水量；②多年平均降水量；③地面坡度；④松散堆积物的厚度及分布；⑤构造发育程度（控制岩石破碎程度和稳定性）；⑥植被发育状况；⑦岩土体结构（反映岩土体抗侵蚀、破碎的能力）；⑧人类工程活动程度。

上述8种因子中，其中①、②两项因子可以通过地面监测完成，其他因子都可以通过陆地资源卫星数据通过遥感解译并结合地质调查数据查明。通过遥感技术调查孕灾背景是灾害调查中最为基础重要的工作。

1.2地质灾害现状调查与区划

地质灾害作为一种不良地质现象，如崩、滑、流等可以通过遥感图像所呈现的影像特征判读灾害的规模、形态特征与孕育特征。因此，基于灾害体的影像和光谱特征，通过遥感解译技术，实现地质灾害体属性信息自动、半自动提取，可以对区域内地质灾害点和隐患点进行全面调查，通过分析分布规律、灾害规模、发育特点与趋势以及危害性和影响因素，进行地质灾害区划与评价。

1.3灾情实时（准实时）调查与损失评估

重大地质灾害将为自然生态和人类工程设施带来巨大破坏，如崩、滑、流、地震等将对地貌产生较大影响，利用遥感技术进行灾害调查，通过卫星或者航拍影像等，可以宏观或者微观的对工程设施或自然资源破坏情况进行调查与评估，为抗灾救灾提供时效性的科学依据。

遥感技术具有宏观性好、时效性强、信息量丰富等特点，已成为区域地质灾害及其发育环境宏观调查不可缺少的技术之一，在地震、滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和土地荒漠化等地质灾害的调查、监测和研究工作中已发挥重要作用。其应用随着空间技术发展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的发展及相互渗透，将会得到越来越广泛的应用。

2.GNSS技术应用

全球导航卫星系统GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的北斗系统。我国的北斗系统于2000年建成导航实验系统，目前已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生了显著的经济效益和社会效益，特别是在2008年汶川抗震救灾中发挥了重要作用。但目前北斗系统还未进入大规模的民用阶段，大部分成熟系统仍以GPS为主。

GPS是上世纪70年代美国军方研制的卫星导航定位系统。其主要目的是为陆海空领域提供全天候、全球性和实时的位置服务，通过24颗GPS卫星星座可实现全球98%区域的覆盖率。定位系统由空间星座、地面控制和用户设备组成，高速运动的卫星不间断的发送自身的星历参数和时间信息，用户接收后，采用空间距离后方交会的方法，经过计算求出接收机的三维位置，运动方向以及速度和时间信息。由于GPS技术所具有的全天候、全球性和高精度的特点，作为先进的测量手段，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个领域。在地质灾害领域常见应用包括：(1)精密测量，采用GPS定位技术进行精密测量，平差后控制点的平面位置精度可以达到±（1～2）mm，高程精度为±（2～3）mm。在大地测量、地壳形变监测、滑坡监测、地质工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。近年来，星载GPS接收机已装配到遥感卫星上，进而可获得遥感地面目标的自动定位，精度可达到米级。GPS的技术能力已从地球表面扩展到了航空测量和航天遥感上。(2)数据采集，通过手持GPS设备获取地表灾害体目标要素的空间坐标数据，可以方便的进行地质填图的数据采集，减少野外工作量，缩短成图周期。另外，通过在监测设备上装置GPS模块能够准确对监测设备的位置进行标定，结合GIS系统能方便基于位置对设备进行管理以及快速定位监测区域。

3.三维GIS平台应用

地理信息系统（GIS）是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科。它是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用软件系统工程和信息科学的理论，对具有空间内涵的地理数据进行综合管理和分析，以提供管理、决策等所需信息的软件系统。地理信息系统作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。

GIS不仅可以像传统的数据库管理系统（DBMS）那样管理文本或属性信息，而且还能管理空间信息，并利用空间分析方法对信息进行综合分析处理。地质灾害信息具有天然的空间属性，因此，自80年代以来，GIS在地质灾害管理中逐步得到深入应用：从简单的灾害数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到DTM和DEM模型的建立和使用；从GIS结合灾害评价模型的扩展分析，到GIS与决策支持系统的集成。

传统的GIS系统，在二维层面上难以给人真实的自然环境感受，随着计算机信息技术的发展，三维GIS系统在二维GIS的基础上将地理信息实现三维可视化表达，在地质灾害评估中，地形起伏度和坡度、坡向不仅可以定量描述地形地貌特征，同时和滑坡灾害的发育存在很大相关性，正是由于这种更清晰直观的表现力，正越来越被重视并应用到地质灾害的信息管理与监测预警中。

利用地理信息系统的各种功能，建立地质灾害空间信息管理系统，管理地质灾害调查资料，显示并查询地质灾害的空间分布特征信息，评价地质灾害的危害程度，分析地质灾害和影响因素之间的关系，提出减轻和防治地质灾害的措施，对将来可能发生的地质灾害进行预测。

4.3S集成应用

3S集成技术是将全球定位系统（GNSS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）根据应用需要，有机地组合成一体化的、功能更强大的新型系统的技术和方法。3S已从各自独立发展进入相互融合、共同发展的阶段。集RS、GPS、GIS技术的功能为一体，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统，为各种应用提供科学的决策咨询，以解决用户可能提出的各种复杂问题。

遥感技术可以为GIS提供地质灾害区域相关的空间数据和属性数据，是GIS的重要数据来源；GPS通过全球定位可以为提供灾害体的位置要素信息，为GIS提供坐标数据；GIS提供对各类数据的统一管理、存储、分析处理与展示，能提供针对地理数据实现空间分析功能，并将结果进行二三维的可视化表达，为防灾救灾进行辅助的分析决策。3S集成在地质灾害领域的典型应用包括：

(1)数据获取与处理：主要包括RS数据、GPS和实测数据、野外调查数据等。依据RS技术特性可获取大范围数据，具有获取信息速度快，周期短，信息量大等特点，同时利用GPS的定位功能提供目标的详细地理坐标，而实测数据及现场勘查数据可以对RS和GPS进行补充，获得更加精确的数据，为系统提供准确的地质灾害综合信息。

(2)数据分析管理：基于GIS强大的空间查询、分析和处理功能。通过GIS平台实现数据的录入、处理和更新；空间分析和统计、图形编辑等；同时利用GIS特有的空间分析功能，结合遥感及GPS数据，可以在地质灾害监测系统中进行空间叠加分析、缓冲区分析等。可反映地质灾害的分布特征与影响范围，对防灾减灾具有指导意义。

(3)监测与预警：监测预警是地质灾害管理系统功能之一，是灾害预测预报的重要方式，将依托GPS和RS的数据更新能力，结合现场监测设备，通过监测数据的变化来反映灾情的变化，为灾害防治提供决策依据。

(4)分析决策：分析决策是地质灾害防治的重要环节，在GIS系统平台基础上，结合RS、GPS等多元数据，构建决策分析模型，并进行可视化的数据表达，能为相关部门提供科学直观的决策依据。

不局限于二维GIS的常规应用，在地质灾害领域中更希望能从三维空间来进行研究，如地形的起伏变化，坡度、坡向、流域地形等，三维GIS所具有的表现力愈来愈为大家所重视，通过在传统GIS应用的基础上叠加数字高程模型，实现具地形可视化表达功能的三维GIS，并结合遥感与全球定位技术实现数据管理与监测预警以及可视化分析，是实现防灾减灾的重要工具和手段，将在地质灾害防治中发挥越来越重要的作用。

但是，不同于常规的信息管理系统，地质灾害数据因为其本身的空间地理属性，具有空间信息的分布性、海量性与异构性，数据类型繁多，兼有多源性、时空性、多尺度、多分辨率等特点。传统的地质灾害信息管理方法往往有数据不全面、时效性差、数据无法共享、系统功能单一、缺乏统一描述标准难以实现网络访问等问题。

5.总结

介于上述问题，本文描述了一种基于地学浏览器实现3S集成，并通过客户端聚合服务实现数据和功能聚合以构建三维地质灾害信息管理平台的方法。

参考文献：

[1]李德仁.数字地球与3S技术[J].中国测绘，2003（2）：28-31.

[2]孙家摈.遥感原理与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2009.

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