摘要：在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估中，地形起伏度和坡度、坡向不僅可以定量描述地形地貌特征，同時(shí)和滑坡災(zāi)害的發(fā)育存在很大相關(guān)性。需要對(duì)評(píng)估區(qū)域的地形進(jìn)行空間分析，從而得到所需要的地形分析數(shù)據(jù)。將GIS技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害空間分析中，可以較好地解決地形空間分析的問題。本文以陜西省府谷縣新區(qū)為例，介紹GIS技術(shù)在府谷新區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估進(jìn)行空間分析的應(yīng)用，能夠很好地獲取所需要的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果，滿足地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估在空間分析方面的需求。
關(guān)鍵字：GIS；地質(zhì)災(zāi)害；空間分析；坡度；坡向
引言
地理信息系統(tǒng) (GIS) 是有效表達(dá)、處理以及分析與地理分布有關(guān)的專業(yè)數(shù)據(jù)的一種技術(shù)，它為人們提供了一種快速展示有關(guān)地理信息和分析信息的新的手段和平臺(tái)[1]。 從20 世80 年代以來，GIS在災(zāi)害管理中得到逐步深入的應(yīng)用：從簡(jiǎn)單的災(zāi)害數(shù)據(jù)管理、多源數(shù)據(jù)集數(shù)字化輸入和繪圖輸出，到DTM和DEM模型的建立和使用；從GIS結(jié)合災(zāi)害評(píng)價(jià)模型的擴(kuò)展分析；到GIS與決策支持系統(tǒng)的集成；再到WebGIS。GIS的核心是空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，由空間數(shù)據(jù)處理和空間數(shù)據(jù)分析構(gòu)成。運(yùn)用GIS所具有的數(shù)據(jù)采集和提取、轉(zhuǎn)換與編輯、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)的重構(gòu)與轉(zhuǎn)換、查詢與檢索、空間操作與分析、空間顯示和成果輸出及數(shù)據(jù)更新等功能，我們可以根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的需要，建立以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的、用于地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的空間分析模型，評(píng)價(jià)結(jié)果可以圖層的形式顯示或者報(bào)表、表格形式輸出，為專業(yè)部門或決策部門提供災(zāi)害管理和決策依據(jù)。本文主要研究利用GIS的相關(guān)空間分析功能實(shí)現(xiàn)在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估地形分析方面的應(yīng)用。
1 研究區(qū)概況
府谷縣位于陜西省最北部，北緯38度42分至39度35分，東經(jīng)110度22分至111度14分。地處陜、晉、蒙三省（區(qū)）交界處。東與山西保德、河曲兩縣相望，北與內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗、伊金霍洛旗接壤，西、南與神木縣緊鄰，全縣總面積3229平方公里，總?cè)丝?2.4萬，轄12鎮(zhèn)8鄉(xiāng)。總的地勢(shì)是西北高、東南低，海拔高度在780米至1426.5米之間。
府谷新區(qū)位于縣城西郊，瀕臨母親河黃河，北靠營(yíng)盤山，神朔鐵路線、府店公路、沿黃公路穿境而過，高速公路近在咫尺。規(guī)劃范圍北起高石崖石嘴頭、水地灣、花石峁、營(yíng)盤梁、大灣、廟洼一線，地形起伏較大，西至崇塔，南至黃河，東依孤山川，包括賈家灣、高家灣、張家塔、花石峁、水地灣、陰塔六個(gè)行政村，總規(guī)劃面積16平方公里，總用地面積8平方公里，建筑面積300萬平方米，綠地率38%，建設(shè)總投資約150億元，可容納8萬人居住[2]。礦產(chǎn)資源豐富，特別是煤炭資源豐富，全縣含煤面積1359平方公里，探明儲(chǔ)量136.32億噸，均屬優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤和化工用煤。水資源總量5.9億立方米，居全市各縣區(qū)之首，就水近煤，資源組合配置好，開發(fā)建設(shè)的條件十分優(yōu)越。是國(guó)家規(guī)劃的陜北能源化工基地和榆林“兩區(qū)六園”的重要組成部分，也是陜西省規(guī)劃的煤電化載能工業(yè)園區(qū)。
2 研究方法
2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
本研究采用 1∶3萬的野外實(shí)測(cè)CAD數(shù)據(jù)，提取CAD數(shù)據(jù)中的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)為dat文件。將該dat文件作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，后面所有的應(yīng)用分析都是基于該數(shù)據(jù)進(jìn)行。此外，該項(xiàng)目主要采用武漢中地公司的MapGIS6.7軟件進(jìn)行分析應(yīng)用。
2.2構(gòu)建格網(wǎng)數(shù)字高程模型
數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作為地理數(shù)據(jù)庫(kù)中最為重要的空間信息資料和賴以進(jìn)行地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)[3]，不僅可以提取地形起伏度、坡度和坡向等地形參數(shù)，同時(shí)能夠成為定量分析地形地貌和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。
格網(wǎng)數(shù)字高程模型，即格網(wǎng)DEM，它是把DEM覆蓋區(qū)劃分成規(guī)則格網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)格大小和形狀都相同，用相應(yīng)矩陣元素的行列號(hào)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)的二維地理空間定位，第三維為特性值，可以是高程和屬性。在本項(xiàng)目中，主要采用MapGIS軟件生成格網(wǎng)DEM。在MapGIS工作平臺(tái)下，利用該軟件的強(qiáng)大地形分析功能模塊DTM分析模塊，采用采用離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，離散化方法主要采用距離冪函數(shù)反比加權(quán)網(wǎng)格化方法，網(wǎng)格間距應(yīng)選擇10m左右，生成GRD地形數(shù)據(jù)。值得注意的是應(yīng)選擇合適的格網(wǎng)間距，間距過大不能反映地形的準(zhǔn)確程度，間距過小則數(shù)據(jù)量過大，影響處理速度。實(shí)驗(yàn)證明，10m左右能夠較好的反映地形起伏情況。
2.3地形因子的提取
DEM是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型的一個(gè)分支，其它各種地形特征值均可由此派生。DEM是DTM的一種特例，是對(duì)地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)。DEM是地理信息系統(tǒng)進(jìn)行地形分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用1：3萬數(shù)字等高線數(shù)據(jù)建構(gòu)10m空間分辨率格網(wǎng)DEM，并基于DEM進(jìn)行空間分析，提取坡度、坡向等空間信息，進(jìn)行地形分析，比較準(zhǔn)確地表達(dá)了研究區(qū)的總體地形特征，為該區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等提供了地形方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
地形因子的提取只要是指研究區(qū)坡度與坡向的提取[3]。坡度是指GRID中像素高程值的變化率，計(jì)算結(jié)果以度、小數(shù)或百分?jǐn)?shù)的形式存放在像素屬性中，分別用0~90度來表示，每一定的度數(shù)間隔采用不同的顏色表示，坡向亦是如此；坡向是指GRID中每個(gè)像素面的朝向，范圍為0～360度，其中0度代表北，90度代表東等。迄今為止，坡度和坡向的計(jì)算方法可歸納為五種：四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。前三種方法是解求平均坡度而設(shè)計(jì)的, 后兩種方法是解求地面最大坡度而采用的。經(jīng)證明，擬合曲面法是求解坡度的最佳方法，擬合曲面法一般采用二次曲面 (湯國(guó)安等，2005)。對(duì)地面模型的坡度、坡向進(jìn)行分析時(shí)，先對(duì)原始稀疏數(shù)據(jù)加密，然后計(jì)算各單元的坡度、坡向，并將結(jié)果數(shù)據(jù)以“.BMP”或“.GRD”（其高程信息為高程點(diǎn)的坡度、坡向或粗糙度）格式保存到用戶指定的文件中，供制圖或分析時(shí)使用。如果想繪制坡度圖，可以先用此功能產(chǎn)生坡度GRD文件，然后運(yùn)用“平面等值線圖繪制”功能就可以出坡度圖了。以格網(wǎng)DEM為基礎(chǔ)，利用MapGIS的GRID模塊的地形分析功能生成坡度圖、坡向圖，利用該圖的“.GRD”格式生成平面等值線方式的坡度圖、坡向圖。
3 GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估空間分析過程中的應(yīng)用
地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評(píng)估是指對(duì)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)程度及破壞損失情況進(jìn)行評(píng)定估算的工作。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的基本方法和主要內(nèi)容是調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)規(guī)模,統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人口、財(cái)產(chǎn)以及資源、環(huán)境的破壞程度,核算地質(zhì)災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失與問接經(jīng)濟(jì)損失,評(píng)定地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)。對(duì)于有發(fā)生可能但尚未發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估是預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的可能程度,對(duì)此有人稱之為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。其基本內(nèi)容和步驟是：首先分析評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)的危險(xiǎn)程度和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)受災(zāi)體的可能破壞程度,即地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和災(zāi)害區(qū)的易損性評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)期損失,即進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的破壞損失評(píng)價(jià)。地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的基本目的是通過單項(xiàng)指標(biāo)或綜合指標(biāo)定量化反映地質(zhì)災(zāi)害的主要特點(diǎn)和破壞損失程度,為規(guī)劃、部署和實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供依據(jù)。
地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的主要任務(wù)：
。1）查明工程建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理及工程概況；
。2）查明建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型、現(xiàn)狀、分布及影響因素，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)估；
（3）調(diào)查、分析評(píng)估區(qū)內(nèi)潛在的地質(zhì)災(zāi)害、工程建設(shè)可能引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害及其危險(xiǎn)性，以及工程建設(shè)和建成后可能遭受的地質(zhì)災(zāi)害及其危險(xiǎn)性，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估；
。4）對(duì)評(píng)估區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)估，劃分地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估分區(qū)，評(píng)估場(chǎng)地適宜性，并提出相應(yīng)的防治措施和建議。
3.1三維地形圖
三維地形圖，又稱三維電子沙盤，三維地理信息系統(tǒng)，它是遙感、地理信息系統(tǒng)、三維仿真等高新技術(shù)的結(jié)合。它是以三維電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，按照一定比例對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或其中一部分的一個(gè)或多個(gè)方面的三維、抽象的描述。三維地形圖主要以一種三維電子沙盤的形式反映研究區(qū)的地形起伏情況，根據(jù)高程的不同賦予不同顏色值，制作出三維地形圖，用以表達(dá)不同的地形起伏情況。研究區(qū)的三維地形圖如圖1所示：
3.2高程分析
高程分析圖主要是對(duì)由離散數(shù)據(jù)生成的“.GRD”格式數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線分析產(chǎn)生的。經(jīng)過分層設(shè)色后，不同高程的范圍值被賦予一定的高程數(shù)據(jù)，顯示不同的顏色值，來反映不同的地形起伏情況，如圖2所示每20米為一個(gè)高程范圍，從785米到1126米，共分為17個(gè)范圍，分層設(shè)色共17層。
3.3坡度分析
坡度是描述地形特征信息的重要指標(biāo)，它能夠間接表示地形的形態(tài)起伏和結(jié)構(gòu)特征，并且反映地貌坡面的傾斜程度。目前，坡度多是通過數(shù)字高程模型 (DEM)計(jì)算得到的，坡度表示地表面在某點(diǎn)傾斜程度的一個(gè)量。因此，它是一個(gè)既有大小又有方向的量，其模等于地表曲面函數(shù)在該點(diǎn)的切平面與水平面夾角的正切，其方向等于在該切平面上沿最大傾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向即坡向，它們?cè)谒哪Ｐ徒、土壤侵蝕分析、水土流失監(jiān)測(cè)、地貌形態(tài)模擬，生態(tài)環(huán)境研究等地學(xué)分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 [5]。如圖3所示，灰色代表河流，即黃河，坡度為0度；綠色代表坡度為0到15度；黃色代表坡度為15到30度；橙色代表坡度為30到60度；紅色代表坡度為60到90度。由圖可見，研究區(qū)范圍內(nèi)大部分坡度為15到30度，地形起伏較大。
3.4坡向分析
坡向是描述地貌特征的重要參數(shù)，它反映坡面所面對(duì)的方向，也是通過數(shù)字高程模型 (DEM)計(jì)算得到的。如圖4所示，坡向共360度，每45度劃分為一個(gè)范圍，用一種顏色來表示，共分為8個(gè)坡向范圍。
4 結(jié)束語(yǔ)
陜西省府谷縣的府谷新區(qū)地形復(fù)雜，存在滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的潛在危害性較大，對(duì)于該地區(qū)的氣候、農(nóng)業(yè)、 植被、交通、經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，因此，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行地形分析的意義重大。本文能夠?qū)IS技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的空間分析中，并成功進(jìn)行地形分析，制作了各種地形分析圖，給地質(zhì)工作者提供了地形分析的數(shù)據(jù)，拓寬了GIS技術(shù)的應(yīng)用渠道，對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估起到了很大的促進(jìn)作用，GIS技術(shù)的運(yùn)用能夠使地質(zhì)決策部門更好的掌握研究區(qū)可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害狀況。
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