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。
2 GHMIAS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。
2.2 GHMIAS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1 GHMIAS系统结构略图
2.3 GHMIAS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。
3 GHMIAS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2 1985～1992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年前后取得显著成果，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4 1985～1992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。
3.3.2 1994、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。
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