3S技术在地质灾害调查中的新应用

倪恒　刘翔宇　谢谟文

摘 要：随着计算机技术的不断发展，3S技术也迎来了飞速发展时期。各行各业也都引入3S技术以推动本领域的技术变革。地质灾害调查是工程设计、地质灾害防治规划等工作的基础，文章针对地质灾害调查中遇到的问题，引入了3S（RS、GIS、GPS）技术，并且提出了一种基于3S技术的综合解决方案，发挥3S的各自优势，让现场作业人员时刻知道“我”当前在什么位置，“我”周围的环境是怎样的，以及回到办公室整理资料时能快速知道“我”在哪个地方，记录了什么以及“我”拍摄照片的位置，目的是为地质灾害调查现场工作和地质灾害调查后的室内工作提供支持和便利。

关键词：3S；地质灾害调查；GPS照片；三维GIS；地理信息系统

遥感（RS，Remote Sensing）技术是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，远距离不直接接触物体而识别、测量并分析目标物性质的技术，可在全球层面揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律。遥感技术让大面积的同步观测成为现实，可以在短时间内对同一地区进行重复监测，其数据具有很强的综合性、可比性和经济性。

20世纪90年代以来，遥感技术已深入到环境评价与监测、地球资源勘探及动态监测、城乡规划、土地管理、农业生产条件研究及作物估产、水灾和火灾监测、森林和作物病虫害研究以及军事侦察等诸多领域，从室内的工业测量到大范围的陆地、海洋、大气信息的采集以至全球范围环境变化的监测。经过半个世纪的探索和尝试，现在已经在实用化的方向上迈出重要的一步。近年来遥感技术越来越受到各国的普遍重视，世界遥感技术面临着突飞猛进的发展，新的传感器将使遥感技术应用的领域进一步拓宽，监测精度不断提高，新的遥感处理软件将使科技人员的工作效率大大提高，综合使用各种遥感资料变成可能，人们对遥感技术的重视加密后进一步提高，遥感技术将得到更加广泛的应用。

地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS）产生于70年代中期。随着其自身的不断发展和应用的日趋广泛，GIS的定义也各种各样，其中比较准确且被广泛接受的表述为：GIS是一个能用于进行有效的搜集、储存、更新、处理、分析和显示所有形式之地理信息的计算机硬件、软件、地理数据和有关人员（用户）的有机集合。由此定义可知，GIS是一种工具，但不仅仅是一个制作地图的工具，而且它可以按不同的比例尺、用不同的颜色绘制地图。在GIS中，计算机硬件部分是骨架，没有硬件，其它部分就无从依附；GIS的软件部分是其精髓，没有软件，就不成其为GIS；地理数据则如血液一样，没有了地理数据，地理信息系统就成了空壳。我国GPS技术研究起步于80年代，进入90年代以后，GPS技术研究、开发和应用取得了长足进展。GPS具有定位的高度灵活性和高精度、快速度、提供三维坐标、全天候作业、操作简便以及全球连续覆盖等特点，已成为获取现实空间数据的重要手段，也广泛的应用到了地质工作中。它作为野外定位的最佳工具正逐步成为现代测量的主要手段，大幅度地提高了野外工作效率。

在地质调查方面，地质调查是一项综合性的地质工作，是各项地质工作的先行步骤，是运用地质理论和各种技术手段在一定区域内系统的进行综合性调查工作在地质填图中的应用，利用GPS手持仪方便进行地质填图的数据采集，可以减少野外工作量，缩短成图周期，克服了传统方法中的一些缺点。增强了数据的共享性，有利于数据的二次开发与利用。GPS的单点绝对定位精度能够满足平原、山区、高山区等遮挡少的地区的地质填图及地质工程测量在小比例尺地质测量工作，用手持式GPS单点绝对定位技术测定地质点，减少了控制测量环节，降低了成本，大大提高了工作效率和减轻了地质、测绘人员的劳动强度。

地质灾害是指在地球的发展演化过程中，由自然地质作用和人类活动所形成的灾害性地质事件，主要有崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、岩溶塌陷及地面沉降等。各类地质灾害体在时间和空间上的分布及变化规模，既受制于自然地形地质环境，又与人类活动密切相关，即各类地质灾害的发生、发展，有其特定的地形、地质因素，且必然影响到工程建设及居民的正常生活。

地质灾害调查的目的就是为了调查清楚调查区域内的地质灾害情况，从而为工程设计、地质灾害防治规划等提供依据。以传统的工作方法进行地质调查时，因调查路线、调查范围及个人经验的局域性和时限性，一些被自然或人类活动改造过的地质灾害遗迹，尤其是一些规模较大的地质灾害体，在常规路线调查中也往往不易发现，使部分重要的地质信息被遗漏的现象不可避免，尤其当勘察工作周期短、人员紧张时，此种现象尤为突出。因此，在地质调查及测绘工作中，如何以最省时的工作、最省力的办法，以获取最多的地质信息、达到最理想的调查效果，历来为广大工程地质人员所重视。

地质灾害调查现场工作的过程中，由于是野外工作，工作中充满了危险因素，加上天气等因素的影响，从而使野外调查工作进展缓慢。由于工程人员对现场环境不熟悉，导致调研出现盲区，而即使对现场环境十分熟悉，由于人的本身能力的限制，在大自然中仍然是十分的渺小，视野不能无限开阔，视角不能任意选择，从而导致现场地质调查是一项十分艰苦的工作。现场拍摄一系列照片的过程中，要逐一记录下拍摄照片的位置，记录的过程无疑又消耗了宝贵的现场调研时间。即使目前市面上已经出现GPS数码相机，由于它的原理是向照片的元数据信息中加入了坐标信息，但是由于有泄密的隐患，故此未能快速普及。

目前地质灾害调查工作已经引入了部分3S技术，比如借助手持GPS定位仪进行定位，遥感图纸的应用等。但是目前还没有一套完整的系统来整合这些资源，为地质灾害调查工作进行全面的技术升级、进行提速。

1 总体方案设计

本方案结合地质灾害调查的实际情况而提出的总体设计方案共分为硬件部分、软件部分、数据处理三大部分，如图1所示。

图1 系统组成图

1.1 硬件部分

硬件部分主要有三部分组成：野外笔记本、GPS模块、数码相机。野外笔记本主要承载总体方案的软件运行部分；GPS模块主要给系统提供GPS坐标，便于系统显示和记录当前的坐标信息；数码相机主要是拍摄调查现场实际情况的照片。

1.2 数据及处理部分

该部分主要是GIS数据和RS数据的整理、转换并制作成三维GIS系统数据库的过程。

1.3 软件部分

软件部分主要有三部分组成：数据显示部分、GPS数据处理部分和数据库部分。

数据显示部分主要是显示调查现场的一些基础数据（比如居民点、道路、河流、行政区划等）、GPS数据（当前坐标和已经走过的路径）和RS数据等，以及现场照片的拍摄地点和时间等；GPS数据处理部分主要包括GPS数据解析、数据库的读写、现场路径的更新、现场照片的自动加入等部分；数据库主要是负责记录现场的路径。

1.4 系统功能

系统的主要由如下功能组成：

（1）实现基本的点线面的创建与编辑操作，便于现场的灾害点的描述和记录；

（2）三维场景的任意角度和距离的视角和全屏功能，方便现场参考；

（3）实现GPS当前点的实时显示功能，让现场作业人员知道自己的位置；

（4）实现路径记录功能，便于现场调整调研计划等；

（5）现场照片自动配置到场景的功能，便于后期资料的整理、报告和会议讨论；

（6）数据库操作功能，方便记录现场的信息。

2 总体方案的实现

系统的总体方案的实现如图2所示。

2.1 硬件部分

当前市面上的笔记本理论上都可以用于本系统，但是由于是野外现场工作，选择的时候需要考虑电池的续航问题和野外光线强的问题。因此易选用续航时间长的笔记本，必要时备用一块电池，笔记本屏幕的明流度也是一个主要标准，野外光线强如果是明流度低的话，系统在强日光下很难看清楚。

GPS模块目前市面上主要有独立GPS导航器、蓝牙GPS模块、USBGPS模块和笔记本内置模块，但是考虑到经济和易用方面，推荐采用usbGPS模块。

数码相机使用平时野外调查用的普通数码相机即可。

2.2 数据处理

数据处理部分主要是由四个任务组成，如图3所示。

从多源的等高线数据，转换为GIS的等高线矢量数据，最后转换为数字高程DEM数据；

将遥感数据进行配准、融合和调色等工作，使遥感图像色彩更接近真实；

将DEM和遥感图像进行整合处理，制作出三维GIS数据库；

将其他矢量数据（如道路、居民点、河流、行政边界等）进行整理，加入到场景中，便于现场参考。

2.3 软件部分

软件部分的开发有如下两大原则：（1）产品模块化：将产品按照功能进行拆分，拆分成多个模块，每个模块制作成一个类，拆分原则是输入参数简单明了，功能独立。（2）参数灵活化：不能将一些关键参数写死，比如GPS端口号等，方便后期扩展和调整。

软件部分主要是采用C#为开发语言，采用商用三维GIS进行二次开发，作为系统的显示部分，设计了照片加入坐标的模块、GPS当前位置实时显示部分和历史路径部分的功能

部分模块详细设计：

GPS解析模块：

输入参数：从程序目录的GPSparameters .ini读取GPS参数（数据位长度、波特率、端口号）；

输出参数：通过公共变量，返回如下参数X，Y，Z，速度，卫星数，方向，水平精度，当前时间；

public方法：GPSStart（）、GPSStop（）；

3Dlabel模块：

输入参数：GPS解析模块-GPSClass，3DGIS窗口对象，程序目录下的PictureParameters.ini文件提供Label名称，label文件名，图片缩放大小三个参数，isFoucus和isWrite2DB；

输出参数：在3DGIS窗口创建Label，时时控制label的坐标；

public方法：Start（）、Stop（）。

路径记录模块：

输入参数：时间间隔-POI2DBparameters.ini，GPS解析模块-GPSClass，Access数据库文件-自动复制模板文件；

输出参数：无，直接向数据库中插入记录；

public方法：Start（）Stop（）；

另外还有POI照片自动处理模块、数据库读写模块、基本点线面描绘模块等在此不再赘述。

软件的数据库部分，因为需要记录的资料主要是GPS采集的信息，数据结构简单，因此选用Microsoft Office Access的数据库文件（*.mdb）作为数据库来存储数据。

3 方案展示

为了方便现场的操作，系统主要以工具栏形式操作，如图4所示。系统实时路径及当前位置功能展示，如图5所示。现场照片自动加入效果展示，如图6所示。

4 结语

文章以解决地质灾害调查中遇到的实际问题为出发点，提出了一套方便现场作业人员野外调查工作和室内资料整理的3S解决方案。方案不但解决了现场调查人员频繁对照手持GPS和图纸查找自己位置的繁琐而费时的事务，而且还解决了现场“一叶障目，不见泰山”的困窘，使现场作业人员能够清楚地从三维GIS系统中看到自己所处位置周围的环境，甚至从多视角观察自己视野之外的情况，从而对现场的判定提供了有力的支持；同时提出了一种后期快速定位现场拍摄照片的方法，从而解决了室内作业中对于照片的位置辨识和定位的。因此系统以其“实时场景定位、大范围多角度视野、带坐标的现场图片及现场记录”的特点，必将在地质灾害调查中发挥巨大的作用。

参考文献

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[2] 霍志涛，张业明，金维群等.三峡库区滑坡监测中的新技术和新方法[J].华南地质与矿产，2006（04）：69-74.

[3] 王桂杰，谢谟文，邱骋等.D-INSAR技术在大范围滑坡监测中的应用[J].岩土力学，2010，（04）：1337-1344.

[4] 谢谟文，刘翔宇等.基于三维遥感系统的泥石流土石量计算及影响范围模拟[J].水文地质工程地质，2011（05）：115-119.

作者简介：倪恒（1977.02- ），男，湖北天门人，硕士，高级工程师，研究方向：核电厂及电力工程的岩土工程勘察、设计及地基处理。