（地图学与地理信息系统专业论文）区域滑坡灾害危险性评价信息图谱研究.pdf

摘要 莆田是一个滑坡多发的山区城市，由于经济的不断发展，人口数 量的不断增加，地质环境不断恶化。如何快速、有效地进行滑坡灾害 危险性分析与评价，进而为滑坡的预测、预报及风险管理服务是一个 亟待解决的问题。地学信息图谱借助g i s 技术并与数学模型相结合， 以二维或多维图来形象直观的表现客观世界，为区域滑坡危险性评价 找到了一种图形化的思维方式。 本文首次尝试将地学信息图谱方法应用到滑坡灾害危险性评价 中，对区域滑坡灾害危险性评价信息图谱的概念、构建方法及研究思 路进行了总结，并以莆田市为研究区，对区域滑坡灾害危险性评价信 息图谱进行了实例研究。研究工作首先利用m a p g i s 软件建立了莆田 市滑坡空间数据库，通过对滑坡与地质环境关系的分析，确定高程、 坡度、坡向、岩性为滑坡影响因子，对每个影响因子进行分析与归纳， 从而建立各影响因子的谱系，在此基础上利用m a p g i s 软件构建莆田 市滑坡影响因子信息图谱。对所有的影响因子信息图谱进行空间叠加 分析，以提取滑坡危险性评价的信息图谱单元，将叠加的结果转成数 字矩阵并输入s p s s 统计软件，对每个信息图谱单元进行逻辑回归分 析，再将得到的分析结果转到m a p g i s 中，经过进一步的分类合并得 到滑坡灾害危险性评价结果信息图谱。以一系列的图谱形象直观的反 映了莆田市滑坡发生的规律和空间危险性分布现状，为滑坡灾害预测 提供了矢量化的图形信息，有一定的实际应用价值。 由评价结果来看，极高危险区和高危险区主要分布在该区的中 部，呈带状向北东方向展布；中危险区分布于极高危险区和高危险区 的两侧以及研究区的西南部；低危险区则主要集中在研究区的东南部 并向北西方向展布。该分区基本反映了莆田市地质灾害发育的现状。 关键词：地学信息图谱，地理信息系统，滑坡，危险性评价，影响 因子信息图谱 a bs t r a c t p u t i a ni sam o u n t a i n o u sc i t yw h e r em a n yl a n d s l i d e so c c u r w i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n c r e a s eo fp o p u l a t i o nq u a n t i t y , g e o l o g i c a le n v i r o n m e n th a sb e c o m ed e t e r i o r a t e d i ti sa nu r g e n tn e e dt o f a s ta n de f f e c t i v e l ye v a l u a t el a n d s l i d e sh a z a r df o rl a n d s l i d e sp r e d i c ta n d m a n a g e m e n t w i t hg i s t e c h n o l o g y a n dm a t h e m a t i c a l m o d e l ， g e o i n f o r m a t i o nt u p uu s e st w o d i m e n s i o no rm u l t i d i m e n s i o ng r a p ht o s h o wt h eo b je c t i v ew o r l da n di to p e n su pag r a p h i c a lw a yo ft h i n k i n gf o r r e g i o n a ll a n d s l i d e sh a z a r de v a l u a t i o n t h i sp a p e ra p p l i e sg e o i n f o r m a t i o nt u p ui m ol a n d s l i d e sh a z a r d e v a l u a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e t h ec o n c e p t ，c o n s t r u c t i n gm e t h o da n d r e s e a r c hi d e ao fr e g i o n a l1 a n d s l i d e sh a z a r de v a l u a t i o ni n f o r m a t i o nt u p u a r es u m m a r i z e d t h e n ，t a k i n gp u t i a nc i t ya sa ne x a m p l e ，t h ep a p e rm a k e s ac a s es t u d yo fr e g i o n a ll a n d s l i d e sh a z a r de v a l u a t i o ni n f o r m a t i o nt u p u f i r s t l y ，l a n d s l i d e ss p a t i a ld a t a b a s eo fp u t i a nc i t yi s b u i l tu s i n gm a p g i s s o f t w a r e a f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n d s l i d e sa n d g e o e n v i r o n m e n t ，l a n d s l i d e si m p a c tf a c t o r s ：e l e v a t i o n ，s l o p e ，a s p e c ta n d l i t h o l o g ya n dp e d i g r e eo fe a c hi m p a c tf a c t o ra r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e n l a n d s l i d e si m p a c tf a t o ri n f o r m a t i o nt u p ui sb u l i l tb ym a p g i s l a n d s l i d e s e v a l u a t i o ni n f o r m a t i o nt u p uu n i ta r ee x t r a c t e dt h r o u g hs p a t i a lo v e r l a y a n a l y s i so na l li m p a c tf a c t o ri n f o r m a t i o nt u p u t h eo v e r l a yr e s u l t i s t r a n s f o r m e di n t od i g i t a lm a t r i x t h e n ，t h ed i g i t a lm a t r i xi si m p o r t e di n t o s p s ss o f t w a r et oa n a l y z ee a c hi n f o r m a t i o nt u p uu n i tb yl o g i cr e g r e s s i o n m o d e l t h ea n a l y z i n gr e s u l ti st r a n s f o r m e di n t om a p g i sa n df i n a l l y l a n d s l i d e sh a z a r de v a l u a t i o ni n f o r m a t i o nt u p ui sb u i l tt h r o u g hs o r t i n g a n dm e r g i n go nt h ea n a l y z i n gr e s u l t t h es e r i e so ft u p uv i s u a l l ys h o wt h e l a n d s l i d e so c c u r r e n c er e g u l a r i t ya n dr i s ks p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp u t i a nc i t y a n dp r o v i d ev e c t o rg r a p hd a t af o rl a n d s l i d e sp r e d i c t ，w h i c hh a sc e r t a i n a p p l i c a t i o nv a l u e t h ee v a l u a t i o nr e s u l ts h o w st h a te x t r e m e l yh i g hr i s ka r e aa n dh i g h r i s ka r e aa r eb a s i c a l l y1 0 c a t e di nt h ec e n t r a lo fp u t i a nc i t ya n dp r e s e n ta sa b e l td i s t r i b u t i n gt o w a r dn o r t h e a s t ，t h em i d d l er i s ka r e ai sl o c a t e di nb o t h s i d e so fe x t r e m e l yh i g hr i s ka r e aa n dh i g hr i s ka r e aa n ds o u t h - w e s to f p u t i a nc i t y , t h el o wr i s ka r e ai s m a i n l yl o c a t e di n s o u t h e a s ta n d d i s t r i b u t e st o w a r dn o r t h w e s t t h er e s u l tb a s i c a l l yr e f l e c t st h ep r e s e n t s i t u a t i o no fp u t i a ng e o l o g i c a lh a z a r d k e y w o r d sg e o i n f o r m a t i o nt u p u ，g i s ，l a n d s l i d e s ，h a z a r de v a l u a t i o n ， i m p a c tf a c t o ri n f o r m a t i o nt u p u m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：三翠 嗍畔年上月幽 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名：姆新签蝴期子一生日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题依据与研究意义 第一章绪论 改革开放以来，我国经济飞速发展，各种工程活动的规模和范围迅速增大， 人口数量急剧增加，由此带来了人类活动的空间、范围和复杂程度的迅速扩张， 近几十年来，由于人类过度开采、乱砍滥伐以及进行各种工程经济活动的影响， 地质环境不断恶化，地质灾害频繁发生，给人民的生命财产安全带来了巨大的损 失。据统计，在我国由地质灾害造成的损失约占整个自然灾害损失的3 0 。而这 其中，崩塌、滑坡、泥石流及人类工程活动诱发的浅表生地质灾害所造成的损失 约占5 5 。这些灾害的一次性规模虽小于地震，但其发生频度和总的涉及范围则 远远高于和广于地震。 滑坡是仅次于地震的第二大全球性地质灾害，它的发生严重危害生态环境和 工程建设，往往造成重大的生命和财产损失瞻1 。滑坡具有分布地区广、发生频率 高、运动速度快、灾害损失严重等特点，不仅给人类带来威胁，而且对环境、资 源、财产等均具有破坏性，尤其在人口稠密的地区。因此，加强滑坡灾害的防治 与预测，最大程度地降低滑坡灾害所造成的损失成为迫切需要研究的课题口1 。目 前滑坡预测与治理已受到国家的高度重视，各级政府部门都加大了对滑坡预测与 治理的经济投入，许多学者也都在不断地研究针对滑坡预测与治理的新方法。近 几年来，随着计算机技术、遥感与对地观测技术、数据库技术、地理信息系统和 网络信息等技术的不断发展，为滑坡灾害的预测与治理带来了先进的技术手段， 提高了所得结果的客观性、准确性与科学性。但如何做到既客观又准确，同时又 以图这种形象、直观的方式来实时动态分析滑坡灾害的危险性，能够反演过去， 虚拟未来，以了解滑坡的发生发展趋势，为滑坡的预测提供科学依据。地学信息 图谱理论的诞生正是迎合这一目标的有效方法之一。地学信息图谱是由遥感、地 图数据库与地理信息系统( 或数字地球) 的大量地球信息，经过图形思维与抽象概 括，并以计算机多维动态可视化技术显示地球系统及各要素和现象的宏观、中观 与微观的时空变化规律。同时经过空间模型与地学认知的深入分析研究，进行推 理、反演与预测，形成对事物和现象更深层次的认识，并有可能总结出重要的科 学规律。在此基础上为经济与社会可持续发展的宏观规划决策与环境治理、防灾 减灾对策的制定，提供重要科学依据与明确的具体结论。因此地学信息图谱的研 究具有十分重要的理论意义与实际应用价值。 本文以2 0 0 8 年福建省教育厅a 类科技项目“区域地质灾害评价信息图谱研 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 究 j a 0 8 2 0 5 为背景，首次尝试将地学信息图谱理论应用到滑坡灾害危险性评 价中，根据地学信息图谱的理论，对区域滑坡灾害危险性评价信息图谱的概念， 研究思路及构建方法进行了总结，并以莆田市为例进行了实例研究，为滑坡灾害 危险性评价找到了一种基于g i s 的图形化的思维方式。将地学信息图谱理论引入 到滑坡灾害危险性评价研究中，进一步拓宽了地学信息图谱的应用领域，同时也 丰富了其理论体系。 1 2 国内外相关领域研究现状 1 2 1 地学信息图谱的研究现状 1 9 9 7 年陈述彭院士在马俊如院士的启发后提出了“地学信息图谱 这一概 念。当时马俊如院士提出质疑：“生命科学研究“基因图谱 、“动物图谱 、“植 物图谱 ，化学界早有“元素周期表 ，你们地理科学能不能给复杂的地学问题提 出简单的表达? 研究一下地学领域的图谱问题。自1 9 9 8 年开始，在陈述彭院士 的带领下，地学信息图谱的研究就一直在持续不断地进行着，作为一个新的科学 命题，其定义、内涵和实质已经被不少学者做过界定和阐述，同时其理论基础和 标准化模式也在一些学术论著中得到较为广泛地讨论，目前已经发展到对功能、 作用等深层次问题的挖掘，并向着实际应用阶段迈进。 陈述彭院士在地学信息图谱刍议 1 9 9 8 地学信息图谱的研究与应用 2 0 0 0 ，历史轨迹与知识创新e 2 0 0 1 ，地学信息图谱探索研究 陈述彭主 编，2 0 0 1 中阐述了地学图谱的方法，地学信息图谱的概念、基本理论及研究方 法，同时结合水文图谱、城镇图谱、景观图谱等实例揭示了如何在大型空间数据 库支持下开展地学信息图谱的构建及其应用h 一】。 廖克研究员在中国自然景观综合信息图谱的建立原则与方法 2 0 0 1 、地 球信息图谱与数字地球 2 0 0 1 、地学信息图谱的探讨与展望 2 0 0 2 、生态 环境综合信息图谱的初步研究 2 0 0 5 等文献中论述了图谱的基本概念、分类、 地学信息图谱与数字地球之间的相互关系、地学信息图谱建立的基本过程与步 骤、以及中国自然景观综合信息图谱与和生态环境综合信息图谱建立的方法和步 骤阡1 洲1 。 齐清文博士在地学信息图谱的理论与方法 2 0 0 1 、地学信息图谱的最 新进展 2 0 0 4 中论述了地学信息图谱的理论基础和标准化模式，研究了图谱归 纳和提炼的一般步骤，并对地学信息图谱中的几个关键因子进行了透彻分析，阐 述了地学信息图谱的自动半自动归纳和提炼方法和技术方面的最新成果，以及 2 中南大学硕上学位论文第一章绪论 地学信息图谱参数设计、地学基本单元的三维表达与虚拟重组等方法和技术。以 黄土高原地貌形态信息图谱、中国水网信息图谱和综合景观信息图谱为例总结了 地学信息图谱的研究进展，分析了它在地学中的应用前景n 幻。 张百平研究员在数字山地垂直带谱及其体系的探索 2 0 0 2 、中国山地 垂直带信息图谱的探讨 2 0 0 3 中构建了山地垂直带谱的数据结构，并实现了垂 直带谱数字化与可视化，提出了垂直带谱的体系及生态类型n 钔。 叶庆华博士在基于g i s 的时空复合体一土地利用变化图谱模型研究方法 2 0 0 2 ，黄河三角洲新生湿地土地利用变化图谱 2 0 0 4 ，黄河三角洲东营市 土地利用“涨势图谱的时空特征分析 2 0 0 3 ，黄河三角洲土地利用时空复 合变化图谱分析 2 0 0 4 等文献中利用地学信息图谱方法建立了土地利用变化时 空复合模型，提出了土地利用变化图谱的研究方法，构架了空间属性过程一 体化图谱单元，并提取了黄河三角洲近4 0 年来土地利用变化的涨势系列图谱 1 5 - - 1 6 - - | 7 - 1 8 o 地学信息图谱方面其它的论文和著作还有地球空间信息图谱初步探讨 周 成虎等，1 9 9 8 n 。1 、流域结构信息图谱研究 阎国年等，1 9 9 8 、长江下游河 道演变图谱研究 黄家柱，1 9 9 9 圆1 、澳门城市遥感信息图谱 唐中实等，2 0 0 1 心、区域可持续发展集成模型的分析与应用研究一以黄河三角洲地区为例 岳 天祥，2 0 0 1 乜引、土地利用演化信息图谱的研究一以北京顺义县为例 李小英 等，2 0 0 1 1 、 1 9 4 9 - 1 9 9 8 年中国水灾县域分布图谱分析与格局动态 黄晓霞 等，2 0 0 1 乜钔、城镇交通网络信息图谱研究刍议 周江评等，2 0 0 1 心引、地面 滑坡信息图谱的浅析 李军，2 0 0 1 啪1 、地学信息图谱与区域可持续发展虚拟 励惠国等，2 0 0 1 乜引、小城镇信息图谱初探 周俊等，2 0 0 2 c 2 8 、浅议遥感本 底值及生态环境征兆图谱 沙晋明等，2 0 0 3 汹1 、区域生态系统的资料整合研 究 刘劲松等，2 0 0 4 啪1 、复合生态系统信息图谱的研制 石建平，2 0 0 4 口、 地学信息图谱及其在生态环境质量评价中的应用研究以兰州市生态环境 质量评价为例 许兆霞，2 0 0 5 出引、生态环境综合信息图谱的研究以福建 省为例 陈菁，2 0 0 6 、地学信息图谱的应用探讨以福州市为例 李慧 珍，2 0 0 6 c 3 4 、福建省生态环境时空格局信息图谱研究 武国胜，2 0 0 6 3 副、基 于遥感影像的城市景观信息图谱及其模型系统研究 芮建勋，2 0 0 6 啪1 秦皇岛 市生态环境信息图谱模型及生态安全研究 田静毅，2 0 0 7 口7 1 、生态环境综合 信息图谱的空间信息模型及其可视化分析 张明锋，2 0 0 7 嘲。 1 2 2 基于g l s 的滑坡灾害危险性评价研究现状 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 近1 0 多年来，g i s 技术迅速发展，强大的空间分析、制图功能和可视化的 特点，使g i s 技术在滑坡危险性评价研究方面得到了快速发展，以g i s 软件为技 术平台的滑坡灾害危险性评价研究成为该领域未来研究的发展方向。 目前，g i s 技术在滑坡灾害危险性评价中研究应用的成果大量涌现。国外具 有代表性的工作有意大利学者c a r r a r a 在1 9 8 3 年系统地总结了近年来滑坡( 含泥 石流) 灾害制图的技术方法和存在的问题口引。c a r r a r a 教授指出由于计算机软硬 件技术能力的不断增长，电子地理数据j 下成为一个普遍广泛使用的研究工具。目 前滑坡灾害评价工作关键在于g i s 专家、统计专家和地学工作者共同对相关空间 的数据获取、处理和分析，开发可靠性强的评价模型。1 9 8 4 年美国的b r a b b 给 出一种基于出现滑坡地质单元百分比和坡度权重的滑坡危险性分析方法，以坡度 为权重，计算了多个滑坡与个因子的百分比，最后确立了地质、土壤和坡度是影 响滑坡稳定性的主要原因h 引。1 9 8 7 年，m a t u l a 等利用g i s 的空间分析功能与预 测模型的结合完成了滑坡预测因素的空间叠加，进行了滑坡危险性预测，得出了 相应的预测分区图和滑坡敏感图；1 9 9 0 年，g u p t a 等将地理信息系统技术应用在 喜马拉雅山麓r u m g a n a 流域滑坡灾害危险性评价中，选择了滑坡发育的控制因 素，给出了一个滑坡危险性评价因子，将滑坡灾害风险分为低、中、高三个等级。 通过地理信息系统的叠加分类模型功能，将各因子依权重进行叠加，勾绘了滑坡 危险性分区图，从而奠定基于g i s 技术的滑坡灾害危险性定量评价的基础h ； 1 9 9 0 年a u r o m e i h ya n dm r m a h d a v i f a r 用滑坡灾害分区图评价滑坡灾害的潜 在风险，考虑了各种致灾因子，用模糊集理论计算各单元的潜在危害性指标值， 以此来绘制滑坡灾害分区图h 引；1 9 9 2 年加拿大的a f c h u n g 和a g f a b b r i 等结合g i s 和统计分析方法在获取地形参数的基础上，进行了滑坡灾害分区的多 因素综合分析；1 9 9 7 年v a nw e s t e n 和c j 等人分析了在不同尺度条件下滑坡危 险性评价中的应用，将与统计模型结合划分滑坡灾害区域h 引：1 9 9 8 年，a t k i n s o n 和m a s s a r i 将研究区己发生和未发生滑坡的所有像元作为两类统计样本，采用逻 辑回归模型进行滑坡危险性评价h 4 1 ；2 0 0 0 年s a r ol e e 和y u n g d u c km i n 等人用 g i s 的空间数据管理功能和空间分析能力结合遥感数据分析了韩国y o n g i n 地区 滑坡敏感性h 5 1 ；2 0 0 3 年，美国g r e g o r y 等使用多重罗吉斯回归和g i s 技术对堪 萨斯东北的滑坡进行了预测m 1 ；2 0 0 5 年，f o r s t e r 等以为南威尔士煤田的土地利 用提供指南为目的，利用g i s 技术对当地的滑坡灾害进行了危险性评价研究h 力； 2 0 0 6 年，w o o t e n 等基于g i s 技术对北卡罗来纳进行了危险性评价及制图研究h 町。 国内应用g i s 技术开展地质灾害评价工作起步较晚，研究程度相对较低。 1 9 9 9 年，戴福初和李军呻1 在“地理信息系统在滑坡灾害研究中的应用 一文中 提出了g i s 与滑坡专业模型的集成、g i s 与r s 的集成；2 0 0 0 年，唐川等嘞1 应用 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 n e w m a r k 提出的静态胁迫安全系数模型，结合g i s 的空间分析功能对云南区域斜 坡稳定性进行了评价；2 0 0 1 年朱良峰等陆利用g i s 系统中a p i 函数的开发模式 开发了信息量模型，建立了基于g i s 技术的区域地质灾害信息分析系统，进而对 区域斜坡地质灾害进行了分析；2 0 0 2 年单新建等啼2 3 使用定量因子分析模型建立 g i s 计算模块对香港大屿山岛中部进行了区域滑坡危险性预测；2 0 0 3 年，邢秋菊， 赵纯勇，高克昌等人酬利用g i s 的分析功能，结合逻辑回归分析方法对重庆万州 区滑坡危险性进行了定量评价，得出了危险性区划图；2 0 0 4 年，高克昌，崔鹏 等嘲1 在g i s 技术支持下，利用信息量模型对重庆市万州区进行了滑坡地质灾害危 险性评价；2 0 0 5 年，侯敏，贾韶辉，郭兆成嘶1 在r s 和g i s 技术支持下，采用层 次分析法对四川省宣汉天台乡进行了滑坡危险性评价；2 0 0 6 年，白世彪，王建， 阊国年等人在g i s 技术支持下，采用双变量分析模型对长江三峡库区忠县一石 柱河段滑坡灾害进行了危险度定量评价；2 0 0 7 年，陈晓利，祁生文，叶洪剐利 用层次分析和模糊理论分析法结合g i s 技术对云南省龙陵、潞西一带的地震滑坡 灾害危险性进行了危险性分区定量评价。 目前在滑坡危险性评价方面的研究己经取得了一些阶段性的成果，根据以往 的研究成果与结论，可以将滑坡危险性评价研究的发展趋势概括为：从历史与现 状的分析转向预测与研究相结合；从个性分析转向个性与区域研究相结合；从定 性地分析转向定量化评价；从单要素分析转向综合要素评价；从传统的调查统计 和手工制图转向基于g i s 技术的模型化评价与计算机制图，并开始向网络技术 化方向发展。 1 3 论文的研究内容和技术路线 本文的技术路线： 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 野外调查li资料收集、整理i 基础图件矢量化 地质灾害空间数据库 滑坡与等高线地 形图关系分析 滑坡与地层岩性 图关系分析 影响因子确定及图谱构建 图谱信息单元提取 逻辑回归模型建立 危险性评价及图谱生成 信息图谱分析及发展趋势探讨 图i - 1 论文的技术路线 本文的研究内容： 本文以区域滑坡灾害危险性评价信息图谱为研究对象，首次系统地将地学信 息图谱理论应用到滑坡灾害危险性评价中，研究内容包括： 第一章：介绍了论文的选题依据与研究意义，在此基础上，提出了本文的研 究内容和技术路线； 第二章：介绍了地学信息图谱的产生、发展、概念内涵、特征与创新等，对 地学信息图谱这一新理论进行了系统全面地阐述； 第三章：介绍了地学信息图谱方法在区域滑坡灾害危险性评价中应用的探索 性研究，阐述了区域滑坡灾害危险性评价信息图谱的理论基础，对区域滑坡灾害 危险性评价信息图谱的概念、构建方法、评价思路及地学信息图谱较其他评价方 法的优势进行了总结； 第四章：介绍了研究区自然地理与环境地质条件，利用m a p g i s 软件建立了 研究区空间数据库，通过分析滑坡与等高线地形图、地层岩性图的关系，确定了 滑坡影响因子，经进一步分析与归纳，得出了各影响因子谱系，利用m a p g i s 软 件强大的空间数据处理和分析功能建立了莆田市滑坡影响因子信息图谱，在此基 础上借助s p s s 软件构建的逻辑回归分析模型对研究区进行了危险性评价，经过 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 分析归纳得出了危险性评价信息图谱； 第五章：对莆田市滑坡影响因子信息图谱及危险性评价结果图谱进行详细的 分析，阐述了莆田市滑坡发生的规律及危险性的空间分布情况，分析了莆田市滑 坡发生的时空分布规律并对滑坡危险性评价信息图谱的发展趋势做了初步探讨； 第六章：总结了本文的主要成果和结论，阐述了本文的创新点以及今后还需 深入研究的内容。 7 中南大学硕士学位论文第二章地学信息图谱概述 第二章地学信息图谱概述 2 1 地学信息图谱理论产生的基础及发展历程 2 1 1 地学信息图谱理论产生的基础 地学信息图谱是2 0 世纪9 0 年代由我国著名地理学家陈述彭院士首次提出， 是中国科学家首创的一种新概念和新方法，是中国地球信息科学领域科学家的重 大创新研究。 进入2 1 世纪以来，地球系统作为一个复杂的巨系统，随着计算机技术和“3 s 技术的迅猛发展以及互联网的迅速普及，使得人们能够采集到不同时期、不同层 次、不同尺度、不同来源、不同表现形式的海量的地学数据，但仅仅有一堆数据 并不能解决任何地理问题，需要研究这些数据表现的直接信息，蕴含其中的间接 信息、次生信息和相关信息；不仅要研究具体的地理地质体的物理特征和过程， 还要研究信息场的时空特征、分布形态、空间组合和相关信息；不仅要研究信息 的表现形式，还要研究信息的获取方法嘲。 地球系统科学和地球信息科学为地学信息图谱的发展奠定了科学与技术基 础。地球系统科学的发展，对地球表层复杂巨系统的认识，包括各圈层之间的相 互作用、物质与能量的迁移转化规律以及全球气候与环境的变化趋势等的研究和 认识不断深入，为地学信息图谱的建立提供了坚实的科学基础。地理信息系统、 多媒体、互联网技术、多维动态与虚拟现实技术、各种智能化分析应用软件、多 媒体电子地图与地图制作技术等都为地学信息图谱的建立提供了强有力的技术 方法和手段，也为地学信息图谱的建立和发展创造了条件。因此地学信息图谱的 诞生与传统地图学向现代地图学转换和发展、数字地球倡议提出、“3 s 技术进 展、地球信息科学形成与发展等大环境密不可分，是进入信息时代后，地球科学呼 唤新的方法论和理论思维模式、人类社会经济发展中急需协调信息爆炸与有用信 息稀缺矛盾过程中的产物啷3 。 2 1 2 地学信息图谱理论的发展历程 地学信息图谱继承了传统地学图谱图形思维方法，结合了遥感图像与地理信 息系统等现代技术和方法，它的发展经历了四个阶段：景观制图实验；图谱概念 中南大学硕士学位论文 第二章地学信息图谱概述 的提出；图谱方法的应用和地学信息图谱理论的形成口1 。 1 、景观制图实验 1 9 5 5 1 9 5 6 年，陈述彭等在太湖东西洞庭山进行了综合景观制图实验，将景 观综合图划分为相互补充的3 类：景观类型图、景观分区图和景观综合剖面图。 试验结果表明：“景观制图是一个有希望、有困难，然而是有办法解决的地理科 学问题。在地球化学、水文地质学、局地气候与地植物学的理论基础上，依靠野 外制图、定位观测与航摄照片判读等技术方法，是完全有可能建立起自己的理论 和方法论的体系的 。虽然由于这一时期的技术和方法的发展水平所限，还没有 提出一套完整的理论体系，但已看到了景观综合图发展的光明前途。 2 、图谱概念的形成 1 9 6 1 年，通过对地图学发展的分析，提出了图谱的概念。地图学的发展反 映了它的既属于技术科学又属于区域科学的性质。其各个发展阶段的进展和成 就，一方面反映当时测绘制印工艺的水平，另一方面也反映当时数学基础和地理 知识的范围。基于技术科学的性质，就必须密切注意国际先进理论和技术的交流； 基于区域科学的性质，又要求结合本国实际情况，自力更生进行基础工作。综合 地图集的编制要求经过严格的数量统计，并按照类型区划的方法加以分析，制定 出可以反映区域地理特征的技术指标，使地图集能够反映自然、社会经济要素和 分布现象的相互制约、相互联系及其区域历史发展的过程。通过地理分布规律和 历史发展过程两条线索，把地图贯穿、交织起来，使它们成为反映区域全貌利区 域特征的图谱。 3 、图谱方法的应用 1 9 6 4 年陈述彭对图谱方法的应用作了初步总结。自然或经济区域综合体的 内部结构是很复杂的，既存在垂直地带谱的变化，又具有水平地带的不同形式的 组合；图谱不仅可以反映区域内部结构及其分异规律，而且可以检验和论证区域 原则和指标的准确性。例如，毛乌素沙漠的景观图对荒漠草原和典型草原的划分 有所改进：鼎湖山的景观图对热带、亚热带的存属问题有所澄清。研究认为，编 制为生产服务的综合图谱需要经过4 个阶段：第一阶段定位、定量，如实反映情 况：第二阶段找出规律，分析成因；第三阶段考虑农业生产的技术指标；第四阶 段做出综合区划和综合评价。 4 、地学信息图谱理论的形成 经过近半个世纪的探讨，终于形成了地学信息图谱理论的雏形。地学信息图 谱是在继承中国传统研究成果的基础上，运用卫星遥感、全球定位系统、地理信 息系统和信息网络等当代先进技术和现代科学理论发展起来的，它是一种地理时 空分析方法论。地学信息图谱由征兆图、诊断图和实施图组成。征兆图是信息提 9 中南大学硕士学位论文第二章地学信息图谱概述 取模型对有关数据的运行结果，可为我们进一步研究提供线索和依据；诊断图可 表达为各种基础图的不同组合，可反映资源环境的动态变化及其驱动因素；实施 图以诊断图为依据，通过改变各种边界条件，分析推理不同控制条件下的决策方 案，可为进行规划实验提供依据和预案。 图谱是一种源远流长的中国传统方式，主要运用图形语言进行时间与空间的 综合表达与分析；地学信息图谱则是应用地学分析的系列多维图解来描述现状， 并通过建立时空模型来重建过去和虚拟未来。也就是说，地学信息图谱不仅应用 于数据采集和数据开发利用，而且服务于科学预测与决策方案的虚拟。 2 2 地学信息图谱的概念与内涵 2 2 1 图谱 “图 用于反映各种专题要素在某一时刻空间分布的特征，主要是指空间信 息表现形式的地图，也包括图像、图解等其他图形表现形式。地图具有公式化、 抽象化、符号化等基本性质；具有形象直观性、地理方位性、几何精确性等基本 特点；以及地图传输、地图载负、地图模拟、地图认知等基本功能。因此地图在 经济建设、国防军事、科研教育等方面有着广泛应用。 “谱是众多同类事物或现象的系统排列，是按事物特性所建立的系统或按 时间序列所建立的体系，亦称“谱系 。例如光谱、色谱、电磁波谱、化学元素 周期表以及家族谱、脸谱、菜谱等等。 “图谱 是“图 与“谱”相结合，兼有“图形 与“谱系”双重特性，即 同时反映与揭示事物和现象空间结构特征或时空动态变化规律的图形表现形式 和分析研究手段。图谱自古有之，它是借助图形语言，经过分析、归纳和综合， 用一组图形、图表、曲线或图像以及描述性参数来同时反映与揭示事物和现象的 空间结构特征或时空序列变化规律，如基因图谱、指纹图谱、昆虫图谱等。 在地学中，虽然过去使用图谱术语较少，但也有不少是图谱或类似图谱的表 现形式。例如中国山地垂直带图谱，表示了各自然地带与不同海拔高程山地垂直 带结构的空间变化。中国自然区划图、中国地质构造体系图、中国古地理图、中 国高空气流图、中国台风频数与路径图也都具有图谱的特性。另外，不同成因的 自然景观的几何形态，也可以构成图谱n 。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章地学信息图谱概述 2 2 2 地学图谱 地学图谱是图谱在地学领域的应用与发展。图常指地图，描述山川水系、城 邑村镇、疆域四至等，是反映所研究区域的空间范围和布局特征的一种空间概念 的表达。我们用各种图，尤其是专题图来客观地描述所观察和分析的对象，展示 其空间属性，属于一种静态描述。例如，可以用土壤图、植被图、地形图等一系 列的专题要素来描述其区域自然环境条件的分布状况。图也用来描述现象的现 状，表达其有序的空间格局，因此是一种宏观规律之外部表现，都是可感知的现 象。例如，可以用地质剖面恢复历史气候之变化。谱指系统，例如家族世代繁衍、 疆域历史沿革，大都以树枝结构图表描述，便于追根溯源，反演历史演变过程。 谱可描述对象的发展方向与演化过程，展示其内在规律，表现为动态。例如，利 用不同时期的卫星影像图可反映黄河三角洲的生长与侵蚀过程，从而反演出近代 黄河三角洲之演化。因此，谱是经过推理、演化得到的，它反映内在规律。图谱 合一，则是空间与时间动态变化的统一表述。在时间演化过程的系统中，同时表 达地区( 空间) 差异的地图，都可以称为地学图谱。 图谱是客观存在的，并表现为多层次。首先，图谱是区域演化发展过程的积 淀，通过图谱反映内在规律，借助于痕迹分析反演其历史发展之过程；第二，图 谱是对现代空间格局的真实表达，反映了各要素的空间分布、相互作用与空间配 置；第三，图谱也是未来发展的起点描述，可借助于图形运算来推理和预测未来。 对地学图谱的一般性认识可归纳为以下几点：图是可感知的外部特征表 现，谱则反映内在规律；图表现静态现象特征，而谱表现动态，包括方向性、 过程性；图是可感知的现象，谱是推演得出的规律；图表现空间单元特征， 谱则表示事件发展之起点与过程；图用二维表达非线性源，谱则用一维表达规 律，实现多维分析；图描述复杂系统的初始与边界条件，而谱为运动变化规律 描述的主导方程。 简而言之，图谱主要运用图形语言，进行时间与空间的综合表达与分析。其 中“地学图谱 则是应用于地学分析的系列多维图解。它不仅用来描述现状，而 且通过建立时空模型来重建过去和虚拟未来。善于利用图谱这一研究方法，就有 可能超前发现和理解自然的法则和规律，为知识创新和预测、预报作出导向性的 贡献1 们。 2 2 3 地学信息图谱 地学信息图谱是计算机化的地学图谱。沿用“图谱”之名称，以示它们在本 中南大学硕士学位论文 第二章地学信息图谱概述 质上一脉相承，表述区域自然过程与社会经济发展的时态演进与空间分异；既再 现它的历史，又虚拟它的未来，是人们研究区域自然环境与社会发展的一种现代 化科学方法和高新技术手段，服务于国土整治、城乡规划、资源开发、环境保护 等多方面的规划、决策与管理。 地学信息图谱是由遥感、地图数据库、地理信息系统与数字地球的大量数字 信息，经过图形思维与抽象概括，并以计算机多维与动态可视化技术，显示地球 系统及各要素和现象空间形态结构与时空变化规律的一种手段与方法。同时这种 空间图形谱系经过空间模型与地学认知的深入分析，可进行推理、反演与预测， 形成对事物和现象更深层次的认识，有可能总结出重要的科学规律，在此基础上 为经济与社会可持续发展的规划决策与环境治理、防灾减灾对策的制定，提供重 要的科学依据与明确的具体结论n 0 阳。 2 2 4 图谱与地图 1 、地图主要表示事物和现象的分布及其质量特征与数量指标的区域差异， 而图谱能反映事物和现象形态结构、成因机制、组成物质、动态变化等综合性、 复杂性规律，即通过图形特征与谱系结构的不同变化反映更深层次的规律。 2 、物理、化学图谱及基因图谱主要反映物质的结构与变化，不涉及空间地 理位置。但生物与地学图谱的图形和谱系的结构与变化往往同地理空间相联系， 即需要反映其时空分布和动态变化的规律。例如植物图谱和垂直地带图谱同气候 带( 自然地带) 有密切关系，植物的种类与形态，垂直带的基带与结构随气候带而 发生变化。图谱往往以系列图形式表示时空动态变化，但也不局限于地图形式， 有时以图像( 如遥感图像) 和图解、表格形式出现，如色谱、地物光谱、动物图谱、 植物图谱等。 3 、地图表示事物和现象经过一定抽象与概括( 如居民地、道路分类分级、细 小图斑的归并) ，而图谱比地图更多综合集成与抽象概括。因此图谱的建立比编 绘地图困难得多，除了必须拥有大量资料与数据，还必须深入研究事物和现象的 形成机制、演变过程、组成物质以及影响它的各种变量，特别是更多运用空间图 形思维方法和地学认知分析，更突出反映事物和现象的时空变化规律u 们。 2 2 5 地图概括与地学信息图谱 地学信息图谱是地球信息的图形抽象表达，而地图概括正是研究地图的抽象 与概括的表现，其出发点包括比例缩小概括和目的概括。从科学的地图概括过程 1 2 中南大学硕士学位论文第二章地学信息图谱概述 分析，地图概括首先是从分析总结现象形态结构特征与空间分布规律入手，如对 自然要素和现象，要体现宏观地带规律、中观地带特点、微观基本图形；然后分 析数量指标与区域特征，划分类型，并进行区域划分，再编绘地图概括指标，最 后进行图形概括。对信息图谱的抽象概括，可以借鉴地图概括的这一原理与方法。 计算机制图概括，过去主要是二维地图概括，今后主要将是多维动态地图概 括，而各种计算机自动概括模型与方法，同样对信息图谱的抽象生成有着重要参 考价值。 因此，地球信息图谱的概括抽象与生成必定先经过地图概括过程，或必将结 合地图概括过程。当然对信息图谱的要求并不是到此为止，而需要根据图谱的性 质和要求，再进一步抽象与提炼，生成反映新认识规律或直接提出决策方案的图 道i s 旧o 2 3 地学信息图谱的特征与创新 2 3 1 地学信息图谱的特征 地学信息图谱是计算机化的图谱，它继承了图谱的图形思维方式，又进一步 发展了具有定量化和模拟分析功能。其具体的特征包括： 1 、图形思维模式：图谱仍借助于一系列的图描述现象，揭示机理，表达规 律。即利用图的形象表达能力，将大量数据进行归类合并。 “ 2 、全数字化：传统的图谱往往缺少精确的数学意义和符号系统，但地学信 息图谱的信息源、提取过程与表达方式都是以遥感、地理信息系统、全球定位系 统和因特网技术为支撑的全数字化过程，具有严格的数学基础。 3 、动态模拟分析：地理现象具有复杂性、不确定性和模糊性，很难预测。 地学信息图谱可通过图形运算对地理过程进行模拟，反演过去，模拟未来哺1 。 2 3 2 地学信息图谱的创新 地学信息图谱是在经典地学图谱的原理基础上，有所发展与创新的，也就是 说“地学信息图谱”既是继承中国的传统特色，又是超前的，独创的。其创新之 处主要表现在以下几点n 0 3 ： 1 、传统图谱信息源是以地图、遥感影像、调查统计资料为主，而地学信息 图谱具有极其丰富的数字化的信息来源。对地观测系统的建立，3 s 技术的提高， 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章地学信息图谱概述 图像与各种信息分析处理技术与软件的改进，遥感、台站网络、调查统计、电子 地图、g i s 以及数字地球建设都为地学信息图谱提供了丰富的、源源不断的各种 数字化信息，为地学信息图谱的建立创造了良好的条件。 2 、传统图谱以抽象概括的二维图形或以系列图形式表示事物和现象的动态 变化，而地学信息图谱通过计算机可视化，显示事物和现象抽象概括的三维图形 及空间动态变化，或随时间的多维图形连续序