（地质工程专业论文）基于gis的地质信息管理和地质灾害评价系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 工程地质勘察的目的，是为工程设计人员提供必需的基础工程地质资 料信息和设计依据，地质灾害评价是工程建设的重要参考依据。随着g i s 技术的迅速发展，将在勘察中所获得的工程地质资料成果进行信息化的管 理已成为趋势。 作者在深入学习g i s 开发技术和在查阅大量相关参考文献的基础上， 通过了解工程设计部门对地质资料管理的实际需求，将工作中所收集到的 大量地质勘察资料作为基础源数据，在m a p g i s 的开发平台上，开发出 了实用型的g i s 管理系统，实现了对众多庞大的工程地质资料进行信息化 管理。 本文以归连线为研究对象，在调查和收集归连线地质环境数据后， 从理论与实践的角度，综合分析了影响归连线地质灾害的主要控制因素， 在总结前人研究经验的基础上，根据地质灾害评价的特点，选取灰色聚类 评价模型和模糊综合评判模型，首先采用优先关系排序法以及主成分分析 法对各评价指标进行了筛选与优化，确定了归连线地质灾害评价的指标体 系，选取了地形坡度、地层岩性、岩溶发育等级、断裂、地基承载力和人 类工程活动6 个因素作为评价因子，建立了针对归连线地质灾害特点的分 级标准，对于定性指标，主要采用专家经验法进行指标量化；对于定量指 标，依据评价分级标准，采用隶属度函数进行取值，分别运用灰色理论计 算及层次分析法确定了评价指标的权重，用c + + b u i l d e r 6 0 开发了评价分 析模块，通过两种不同分析模块的计算，得出归连线地质灾害评价分级， 并且对评价结果进行对比分析。 以脚g i s 为平台，将g i s 分别应用到归连线地质资料信息化管理 和地质灾害的评价，实现了对地质图件、文档、照片、实验数据表格等地 质资料信息进行方便而有效地查询、统计、浏览的功能和地质灾害评价分 级，作者只作了初步的尝试与探索，也为今后在这方面的工作提供了可以 参考和借鉴的思路与方法。 关键词：地理信息系统；地质灾害评价：工程地质；灰色聚类；模糊综合 评判 堕重窒堂堕主竺窒竺堂垡笙窒 篁! ! 夏 a bs t r a c t 1n ep u r p o s eo fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le x p l o r a t i o n i st op r o v i d ep r o j e c t p j 锄e 鹤t h eb a s i ce n g i n e e r i n gg e o l o g i c a li n f o r m a t i o na n dp l 锄i 1 1 9 b a s e s t h e g e o l 0 9 1 c a lh a z a r da p p r a i s a li so n eo fm o s t i m p o r t a n tp a r to fe n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fg i st e c h n i q u e ，m a n a g e m e n to f m n l m gg e o l o g i c a le x p l o r a t i o nd a t ai n t oi n f o r m a t i o nb e c o m e s at r e n d 1 h ea u t h o ro ft h i sp a p e rr e s e a r c h e dg i s e x p l o i t a t i o nt e c h n i q u ea i l dr e a d p l e n t yo fc o 盯e l a t i v e r e f e r e n c e s ，t h ea u t h o rr e a l i z e dt h a t g e o l o g i c a ld a t a m a n a 唔e m e n 1 so fp r a c t i c a lv a l u et o e n g i n e e r i n gp r o j e c td e p a m n e n t n u s ， t h a n k st ot h o 鸵p r o f o u n dd a t aa c c u m u l a t e d d u r i n gp r e v i o u se x p l o r a t i o n s t h e a u t n o rd e v e l o p e dap r a c t i c a lg i s s y s t e mb a s e do ne x p l o i t a t i o n 丑a tr o o f m a p 9 1 s t h es y s t e mc a n m a n a g eat h r o n go f e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ld a t a i nt h l s p a p e r , t h i n k h a gg u i l i a nr a i l w a ya sr e s e a r c h o b j e c t a r e r m v e s 玎g a t i n g a n d a c c u m u l a t i n gt h eg e o e n v i r o n m e n t d a t a ，t h ep a p e rh a s a i l a l y z e dm a r ec o n t r o lf a c t o r si n f l u e n c i n gt h er a i l w a y s g e o l o g i c a lh a z a 坩 a t t n e o r y 踟p r a c t i c el e v e l o nt h eb a s i s o f s u m m a r i z i n gp r e d e c e s s o r s ， e x p e n e n c e , a n dv e c t o rp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i sa n d 丘r s tr a l 矗o r d e r m e t h o dh a v eb e e na d o p t e dt os i f ta n d o p t i m i z ea s s e s s m e n ti n d e x e s t h et h e s i s h a sd e t e r m i n e dt h eg u i l i a n r a i l w a yg e o l o g i c a lh a z a r da s s e s s m e n ti n d e x s y s t e ma n d 鼯t a b l i s h e dc l a s s i f y i n gs t a n d a r d ，w h i c ha i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c o fg e o l 0 9 1 c a l h a z a r da s s e s s m e n t a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f a s s e s s m e n t m o d e l ，t h et h e s l sh a sa d o p t e dm a i n l ye x p e r t i s et oq u a n t i f yq u a l i t a t i v e i i l d e x e s w n l l eq u a n t i t a t i v ei n d e x e sg e tt h e i rv a l u et h r o u g h 龟z z y m e m b e 砷i p 血n c t i o n 0 nt h eb a s i so f c l a s s i f y i n g s t a n d a r d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e 订s t i co f g e o l 0 9 1 c a 】h 锄r da s s e s s m e n t ，t h et h e s i sh a sc h o s e nt w ok i n d so f s i m p l ea n d p m c t l c a l1 1 1 a t h e m a t i c a l m e t h o d s ，g r a y c l u s t e r i n gm e t h o da n d 如z z v c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tt oe s t a b l i s ha s s e s s m e n tm o d e l s ，h i e r a 】诎y a 王1 a l y t i c p r o c e s sh a sb e e l la p p l i e dt of i n dt h ew e i g h to fa s s e s s m e n ti n d e x e s ，a n dt h e n t n et w oa s s e s s m e n tr e s u l t sh a v ea l s ob e e nc o m p a r e d t h e a n a l y s i sm o d u l ei s _ _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 d e v e l o p e dw i t hc + + b u i l d e r 6 0s o f t w a r e b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm a p g i s ，p u t t i n gg i si n t o e n g i n e e r i n gg e o l o g ym a n a g e m e n ta n dg e o l o g i c a lh a z a r da s s e s s m e n t ，t h ep a p e r r e a l i z e dt w op u r p o s e t h eo n ei sg e o l o g yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m w h i c hh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha s e f f i c i e n t l ya n de x p e d i e n t l yi n q u i r i n g ， s t a t i n ga n ds k i m m i n gg e o l o g i c a lm a p ，d o c u m e n t s ，p h o t o s ，t e s td a t a f o r m ，a n o t h e ri st h eg e o l o g i c a lh a z a r da s s e s s m e n ts y s t e m t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rj u s tm a d ea ne n d e a v o ri nh o p et oo f f e rs o m ew o r t h w h i l em e t h o d sf o r r e f e r e n c ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；g e o l o g i c a lh a z a r da s s e s s m e n t ； e n g i n e e r i n gg e o l o g y ； g r a yc l u s t e r i n g m e t h o d ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ； 西南交通大学四南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编学位论文。 本论文属于 1 保密口，在年解密后适用于本授权书； 2 不保密口，适用本授权书。 学位论文作者签名：炎覆旧 日期：2 0 o 年引寻? 0e l 。雠：毙 日期：矽p 年弓月乃日 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：张覆悔 日期：三，卢年3 月1 0 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 随着人类社会的发展，人类活动的空间、规模和复杂程度都在以前所 未有的速度迅速扩展，在很大程度上改变着地球表面的形貌。人类活动已 经成为与自然地质作用并驾齐驱，甚至在某些方面已经超过自然地质作用 的表生营力，在当今全球环境变化中起着巨大的影响作用。“人一地”关 系的失调，导致人类居住的岩石圈表层灾害下降，地质灾害频繁发生，人 类生命财产蒙受重大损失。因此，自上世纪八十年代以来，以岩石圈表层 环境为主体的地质环境问题引起了各国政府的高度重视，成为环境问题研 究的一个重要组成部分。 在我国，由于地理和地质条件的复杂性和巨大的区域差异性，地质灾 害问题历来较为严重，尤其是改革开放以来，伴随着我国国民经济的飞速 发展，工程活动规模和范围的迅速增大，地质环境的恶化速度和地质灾害 的发生频率有日益加速的趋势。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，一 年总的损失约2 0 0 个亿。 地质灾害是地质环境质量低劣的表现，它的频频发生不仅反映了自 然地质环境的脆弱性，而且反映了人类工程活动与地质环境之间矛盾的激 化。要使人类工程经济活动与地质环境之间保持较为协调的关系，就必须 对地质灾害现状进行评价，以了解不同经济发展过程中区域地质环境发展 变化的基本态势，为环境保护、人类工程活动、人民防灾减灾提供重要的 依据。 实际上，上世纪八十年代发展起来的g i s 方法在这个领域大有用武 之地，我国恰恰在这方面工作非常薄弱，而国外尤其是发达国家这方面的 成果及应用已较为普遍。因此，在我国地质灾害评价领域研究推广应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 g i s 技术，对促进地质科技进步、加强地质灾害的防治与地质环境的保护 具有重要的理论和实际意义。 从对现实世界的表达和分析手段的丰富性和有效性来看，g i s 是较 传统意义上的信息系统更为高级的系统，具有更广阔的应用前景。地理 信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统，以 某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地 理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是g i s 工具软件包，如 m a p g i s 等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基本功 能。随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作日显重要。 随着g i s 技术的迅速发展，将在勘察中所获得的工程地质资料成果进 行信息化的管理已成为趋势，如何将g i s 技术应用在工程地质资料的信息 化管理上，以充分发挥g i s 的查询、分析、统计功能和空间分析功能，来 辅助工程设计者进行快速而有效地完成设计工作，从而提高工作效率，来 更好地为工程设计服务，这是本课题的研究目标之一。 1 2 国内外研究现状分析 g i s 为人类由客观世界到信息世界的认识、抽象过程以及由信息世界 返回客观世界的利用改造过程的发展和转化，创造了空前良好的条件和环 控 坑。 国际方面，西方国家( 特别是美国) 在数字地球、地理信息系统、 遥感和全球定位系统技术领域始终处于先导地位。 国内方面，我国在数字地球、地理信息系统、遥感和全球定位系统 技术领域主要是跟踪国外的先进技术，从而不断地发展和壮大自己。 数字地球、地理信息系统、遥感和全球定位系统技术最终是合为一体， 其核心是数字地球应用。满足个性化要求的应用系统将大量出现。八十年 代是g i s 发展的重要阶段。计算机价格的大幅度下降，功能较强的微型计 算机系统的普及和图形输入、输出和存储设备的快速发展，大大推动了 g i s 软件的发展，并研制了大量的微机g i s 软件系统。目前国内外已有相 当数量的研究单位和公司致力于在多种档次的计算机系统上开发地理信 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 息系统工具，推出了数以百计的商品的g i s 软件。国外比较有代表性的有 a r c i n f o 系统、m a p i n f o 系统等，这些系统结构严谨，在空间数据库 管理方面具有很强的功能，可以作为一般地理信息统的良好开发工具。 国外尤其是发达国家，在g i s 应用于地质灾害研究方面做了很多工作。 如1 9 8 6 年美国的b r a b be a r le 在加利福尼亚s a nm a t e o 地区利用了g i s 的数据处理、数据管理、绘图输出等基本功能进行了地质灾害研究；1 9 8 9 年美国的f i n n e ym i c h a e la 和b a i nn a n c yr 运用g i s 技术分析了滑坡灾 害；1 9 9 0 年印度的r e c u p t a 和b c j o s h i 运用g i s 的存储、更新、网 格化、空间叠加分析和面积量算等功能对喜马拉雅山麓的r a m g a n g a c a t c h m e n t 地区进行了滑坡灾害危险性分带；1 9 9 0 年荷兰i t c 的v a n w e s t e nc j 和哥伦比亚i g a c 的a l z a t eb o n i l l aj b 利用g i s 空间定位及空 间数据库管理以及g i s 的d e m 开发了斜坡稳定性分析模型和山区落石滚 落速率计算模型；1 9 9 1 年美国的c a m p b e l lr h 等利用g i s 空间分析功能 对滑坡灾害进行了空间预测；1 9 9 1 年意大利的c a r r a r a a 等应用g i s 空间 分析技术与统计模型结合对滑坡灾害进行了评价；1 9 9 3 年加拿大的c h u n g c f 和f a b b r ia g 等基于g i s 的专业模型扩展模块，对滑坡灾害分区进行 了多因素综合分析；1 9 9 4 年美国的m a r i om e j i a n a v a r r o 和 e l l e n e w o h l 用g i s 进行地质灾害和风险评估，并进行了灾害分区； 1 9 9 5 年美国的d a n i e lj m i l l e r 将g i s 与力学模型结合对深层滑坡灾害 进行了评价；1 9 9 6 年美国的m a r i om e j i a n a v a r r o 等运用g i s 及工 程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统，并利用该系统对 克罗拉多州的g l e n w o o ds p r i n g s 地区进行了评价；1 9 9 7 年加拿大的 t r e v o rj d a v i s 和c p e t e rk e l l e 基于g i s 用模糊分类方法及可视化 技术真实再现了斜坡形态。 国内应用g i s 技术开展地质环境与地质灾害评价的工作起步较晚，研 究程度较低。姜云、王兰生1 9 9 4 年在山区城市地面岩体稳定性管理与控 制中应用了g i s ，以重庆市为典型研究对象，对地面岩体变形破坏进行了 时空预测预报；雷明堂、蒋小珍等1 9 9 4 年运用g i s 技术于岩溶塌陷评价 中，利用了g i s 的距离分析、标量分析、网格叠加分析、分级分组分析等 功能，完成了研究区塌陷危险性评价及分区；郑世书、孙亚军等1 9 9 4 年 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在煤矿地下开采工作面涌水预测及矿区岩溶水害预测中应用了g i s 技术； 曹中初、孙苏南等1 9 9 6 年在煤矿底板突水危险性预测中也应用了g i s 技 术；成都理工大学“地质灾害防治与工程地质环境保护国家专业实验室” 于1 9 9 7 年承担的“山区流域地质环境评价与地质灾害预测的g i s 系统 项目于1 9 9 9 年底完成了全部工作。并结合金沙江溪洛渡水电工程库区和 长江三峡工程库区巴东一姊归段，进行了实际预测应用，结果表明，该系 统从理论方法和技术途径上实现了基于g i s 的地质环境评价和地质灾害 预测，并具备了较强的评价预测功能和进一步扩展能力。 我国由于受现有技术、人力、物力、财力的限制，研究程度还远远落 后于发达国家。因此，需要探索出适合我国地质灾害评价和地质资料信息 化管理的g i s 技术路线和方法体系，因而把g i s 技术应用于地质灾害评 价和对工程地质资料成果进行信息化的管理将具有非常广阔的发展前景。 1 3 研究目标 本文研究的主要目标是：在充分搜集调查资料的基础上，建立合理的 地理信息管理系统和外部评价模块，将g i s 技术应用到地质资料的管理 中，能快速、准确地为工程建设提供详尽的工程地质资料信息，并对地质 灾害进行评价和分区，满足工程设计部门对地质资料快速的空间的可视化 查询与分析的要求，以辅助工程设计工作，提高设计效率。 1 4 技术路线 本项工作在资料搜集、整理与分析的基础上，进行系统设计，开展地 理信息管理与地质灾害评价系统研究工作，其遵循的研究技术路线是：从 实际出发一提出理论方法一建立理论体系一解释实际问题一实际验证理 论方法体系。具体内容为： 1 。资料搜集：选择新建地方铁路归连线为研究对象，通过现场调查 和实地地质填图，全面搜集有关的地质环境资料，并将资料进行整理、分 类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 、地理管理信息系统的建立：选用m a p g i s 二次开发平台，利用v i s u a l c + + 开发工具软件来进行二次开发。实现对众多庞大的工程地质资料进行 信息化管理，达到对地质图件、文档、照片、数据表格等地质资料信息进 行方便而有效的查询、统计、浏览等g i s 的基本功能， 3 评价指标体系的建立：根据获得的资料及总结前人经验，并咨询 有关专家，建立区域地质灾害评价指标体系及分级标准，对指标进行筛选 与优化；根据评价模型的特点，选择合理的指标量化方法以及指标权重的 确定方法。 4 空间数据库的建立：根据现场调查资料，针对研究区的具体情况 进行g i s 图层信息和属性信息采集，建立空间信息数据库。 5 评价的理论方法研究：地质灾害评价的方法有多种，如综合指数 法、层次分析法、模糊综合评判法、灰色系统法等，各有其优点。作者根 据工程地质环境评价的特点，尝试选取灰色聚类法和模糊综合评判法对归 连线地质灾害进行评价，用c + + b u i l d e r 6 0 开发g i s 扩展评价模块。 1 5 研究方法 1 5 1gis 方法 g i s 具有强大的空间数据管理和空间分析能力，利用g i s 对研究区内 的各种空间数据、属性数据进行管理，完成与评价相关参数的提取和评价 单元的划分：利用g i s 分析模型与其他应用模型相结合，对研究区进行评 价；利用g i s 开发平台开发工程地质信息管理系统与地质灾害评价系统。 1 5 2 灰色聚类评价和模糊综合评价 地质灾害评价是一种多因素的综合评价。在以往的评价过程中，往往 是根据各地质环境因素的宏观变化规律，人为地加以定性分析，含有较大 的随机性。灰色聚类方法可以在信息不完全明确的情况下对系统进行聚类 分析。模糊综合评判是一种半定量的数学方法，可以根据多因子对样品质 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 量进行评价。 1 5 3 专家一层次分析定权法 在地质灾害评价过程中，往往要选择多个环境要素和环境因子一起参 与评价。在这些评价因子综合时，需要考虑它们对总体环境质量贡献大小 的差异，给予不同的权值。专家一层次分析定权法集合了专家打分法和层 次分析法的优点，专家对各环境因子进行重要性比较后，给出他们的定性 判断，以这些重要性判断为基础数据，采用适当的数学模型再进一步确定 权重，从而减少判断矩阵的人为性。 1 5 4 软件工程的方法 地质环境信息系统的开发，需要软件工程理论、方法与g i s 技术相结合。 地质环境信息系统具有w i n d o w s 应用软件的典型特征，其开发应符合 w i n d o w s 软件开发的一般要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章m a p g is 地理信息系统基本功能 2 1 地理信息系统概述 2 1 1 地理信息系统的基本概念 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是在计 算机软、硬件支持下，采集、存储、管理、检索、分析和描述地理空间数 据，适时提供各种空间的和动态的地理信息，用于管理和决策过程的计算 机系统。它是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学、 信息科学和管理科学等为一体的边缘学科，其核心是计算机科学，基本技 术是地理空间数据库、地图可视化和空间分析。 2 1 2gls 的基本功能 g i s 的基本功能有： 数据采集与输入； 地图编辑： 空间数据管理； 空间分析； 地形分析； 数据显示与输出。 g i s 所管理的数据主要是二维或三维的空间型地理数据，包括地理实 体的空间位置、拓扑关系和属性三个内容。g i s 对这些数据的管理是按图 层的方式进行的，既可将地理内容按其特征数据组成单独的图层，也可将 不同类型的几种特征数据合并起来组成一个图层，这种管理方式对数据的 修改和提取十分方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 3gls 与通用数据库的区别 虽然数据库系统和图形c a d 的一些基本技术都是地理信息系统的核心 技术，但地理信息系统和这两者都不同，它是在这两者结合的基础上加上 空间管理和空间分析功能构成的。 g i s 与通用的数据库技术之间的主要区别有： 侧重点不同数据库技术侧重于对非图形数据( 非空间数据) 的 管理，即使存储图形数据，也不能描述空间实体间的拓扑关系；而g i s 的 工作过程主要处理的是空间实体的位置及相互间的空间关系，管理的主要 是空间数据。 对数据管理的方式不同通用数据库技术按字段来管理数据，通过 选择关键字来建立索引进行检索，对数据的存储是根据数据的不同类别将 其存储为不同的文件：g i s 以图层的方式来管理数据，一个图层对应一个 图形文件和一个属性数据文件，对空间实体的查询是通过空间实体间的拓 扑关系( 或位置关系) 来进行。 数据结构不同数据库技术采用自由表的方式，不支持长字段名； g i s 采用矢量和栅格两种空间数据结构，对字段名的长度并无限制。 2 1 4gis 的软件 由于g i s 应用受到广泛的重视，各种g i s 软件平台纷纷涌现，据不 完全统计目前有近5 0 0 种。各种g i s 软件厂商在g i s 功能方面都在不断创 新、相互包容。大多数著名的商业遥感图像软件都汲取了g i s 的功能，而 一些g i s 软件如a r c i n f o 也都汲取图像虚拟可视化技术。为了更好地使 广大用户对不同平台软件功能进行了解，一些国家机构还专门对各种软件 进行测试，我国也多次对优秀国产软件进行测评。总体来说，各种软件各 有千秋，互为补充，目前市面上用户使用较多的软件平台有a r c i n f o 、 m a p i n f o 、m a p g i s 等软件。 1 a r c i n f o 软件 a r c i n f o 是由美国环境系统研究所开发的，是目前世界上使用最多 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的商业化软件之一。a r c i n f o 是以矢量数据结构为主体的g i s 系统，它 是通过关系数据库管理属性数据。 2 m a p i n f o 软件 m a p i n f o 是美国m a p i n f o 公司推出的适用于不同平台的g i s 系统，在 p c 桌面平台上其占有相当大的市场。m a p i n f o 是以矢量数据结构为主体的 g i s 平台，对空间数据管理采用无拓扑矢量结构，具有强大的符合工业界 数据库标准的管理系统，在城市规划、行政管理等方面得到广泛应用。它 的主要优势是在空间数据库管理和分析方面，简单易学、实用，而且桌面 制图功能强，但在g i s 空间分析方面似乎落后于a r c i n f o 软件。 3 i n t e r g r a p hm g e 软件 m g e 是实力强大的计算机硬件与软件商美国i n t e r g r a p h 公司的产品， 其优势是应用平台是n t 平台，采用栅格矢量一体化数据结构，其功能模 块模拟与a r c i n f o 公司相似，但在图形动态模拟方面有较大的优势。 4 g r a s s 软件 g r a s s 是u n i x 系统平台上的g i s 系统，主要采用栅格数据结构，在 地下水模拟方面使用很广。 5 m a p g i s 软件 m a p g i s 是中国地质大学信息工程学院武汉中地信息工程有限公司自 行研制开发的地理信息系统，是国产优秀的桌面g i s 软件，它属于矢量数 据结构g i s 平台，主要优势功能有： 将空间数据数字化输入、编辑、拓扑一体化。 具有强大的制图功能，包括各种专题图例符号的制作较其它软件 方便灵活得多。 基本上完成了g i s 方方面面的分析功能。 2 2m a p gis 地理信息系统的基本功能 2 2 1m a p gls 系统的运行环境及应用范围 m a p g i s 硬件环境：p c 一4 8 6 ( 推荐奔腾i i ) 以上微机，内存8 m ( 推荐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 6 4 m ) 以上，硬盘4 2 0 m ( 推荐4 3 g ) 以上，1 0 2 4 7 6 8 2 5 6 色的彩显设备。 m a p g i s 软件环境：中文w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 ( 推荐) 、w i n d o w s 2 0 0 0 以及n t 4 0 以上。 m a p g i s 地理信息系统适用于地质、矿产、地理、测绘、水利、石油、 煤炭、铁道、交通、城建、规划及土地管理专业，目前我国已建立的各类 地理信息系统绝大部分使用国外软件，它大多运行在工作站上，而m a p g i s 的软件完全是自行开发并运行在p c 一4 8 6 以上微机平台，这套系统的推广 使用，可以使更多的用户使用地理信息系统。 2 2 2 m a p gls 系统的安装与启动 首先将加速卡安装到计算机的空闲的i s a 扩展槽中或将软件狗插到打 印口上，将其固定好。开机进入w i n d o w s9 5 9 8 后，找到m a p g i s6 0 软 件所在的目录，执行安装程序s e t u p e x e ，按照屏幕上的提示进行安装。 注意m a p g i s6 0 的安全关键字是0 6 0 0 8 7 4 8 3 1 2 8 ，一般选择典型安装即可， 这样可把全部内容安装到你的计算机上。桌面上会自动建立一个“m a p g i s 6 0 主菜单 的图标，在该图标上双击鼠标左键即可进入m a p g i s 主菜单， 然后运行各子系统。亦可从开始菜单进入程序，找到m a p g i s6 0 直接运 行各子系统。 在运行各子系统前，最好先进性系统设置，即设置好工作目录、矢量 字库目录、系统库目录和系统临时目录。 2 2 3m a p gis 系统的总体结构 m a p g i s 是具有国际先进水平的完整的地理信息系统，它分为“输入 、 “图形编辑”、“库管理、“空间分析、“输出”以及“实用服务”六大部 分，如图2 1 。根据地学信息来源多种多样、数据类型多、信息量庞大的 特点，该系统采用矢量和栅格数据混合的结构，力求矢量数据和栅格数据 形成一整体的同时，又考虑栅格数据既可以和矢量数据相对独立存在，又 可以作为矢量数据的属性，以满足不同问题对矢量、栅格数据的不同需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 1m a p g i s 系统的总体结构图 2 2 4 f l a p 8 1 s 的主要功能 1 数据输入 蟠 ”鹕i ， t t i 哪_ -$t - p _ * * p ，m - 自 图2 2 i 4 p g i s 运行主界面 慈 专 。懑 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在建立数据库时，我们需要将各种类型的空间数据转换为数字数据， 数据输入是g i s 的关键之一。m a p g i s 提供的数据输入有数字化仪输入、 扫描矢量化输入、g p s 输入和其它数据源的直接转换。 ( 1 ) 数字化输入 数字化输入也就是实现数字化过程，即实现空间信息从模拟式到数字 式的转换，一般数字化输入常用的仪器为数字化仪。 ( 2 ) 扫描矢量化输入 扫描矢量化子系统，通过扫描仪输入扫描图象，然后通过矢量追踪， 确定实体的空间位置。对于高质量的原资料，扫描是一种省时、高效的数 据输入方式。 ( 3 ) g p s 输入 g p s 是确定地球表面精确位置的新工具，它根据一系列卫星的接收信 号，快速地计算地球表面特征的位置。由于g p s 测定的三维空间位置以数 字坐标表示，因此不需作任何转换，可直接输入数据库。 ( 4 ) 其他数据源输入 m a p g i s 升级子系统可接收低版本数据，实现6 x 与5 x 版本数据的 相互转换，即数据可升可降，供m a p g i s 使用。m a p g i s 还可以接收a u t o c a d 、 a r c i n f 0 、m a p i n f o 等软件的公开格式文件。同时提供了外业测量数据直 接成图功能，从而实现了数据采集、录入、成图一体化，大大提高了数据 精度和作业流程。 2 数据处理 输入计算机后的数据及分析、统计等生成的数据在入库、输出的过程 中常常要进行数据校正、编辑、图形整饰、误差消除、坐标变换等工作。 m a p g i s 通过图形编辑子系统及投影变换、误差校正等系统来完成，下面 分别介绍之。 ( 1 ) 图形编辑 该系统用来编辑修改矢量结构的点、线、区域的空间位置及其图形属 性、增加或删除点、线、区域边界，并适时自动校正拓扑关系。图形编辑 子系统是对图形数据库中的图形进行编辑、修改、检索、造区等，从而使 输入的图形更准确、更丰富、更漂亮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 2 ) 投影变换 地图投影的基本问题是如何将地球表面( 椭球面或圆球面) 表示在地 图平面上。这种表示方法有多种，而不同的投影方法实现不同图件的需要， 因此在进行图形数据处理中很可能要从一个地图投影坐标系统转换到另 一个投影坐标系统，该系统就是为实现这一功能服务的，本系统共提供了 2 0 种不同投影间的相互转换及经纬网生成功能。通过图框生成功能可自 动生成不同比例尺的标准图框。 ( 3 ) 误差校正 在图件数字化输入过程中，通常的输入法有：扫描矢量化、数字化仪 跟踪数字化、标准数据输入法等。通常由于图纸变形等因素，使输入后的 图形与实际图形在位置上出现偏差，个别图元经编辑、修改后可满足精度 要求，但有些图元由于发生偏移，经编辑很难达到实际要求的精度，说明 图形经扫描输入或数字化输入后，存在着变形或畸变。出现变形的图形， 必须经过数据校正，消除输入图形的变形，才能使之满足实际要求，该系 统就是为这一目的服务的。通过该系统即可实现图形的校正，达到实际需 求。 ( 4 ) 镶嵌配准 图象镶嵌配准系统是一个3 2 位专业图象处理软件，本系统以m s i 图 象为处理对象。本系统提供了强大的控制点编辑环境，以完成m s i 图象的 几何控制点的编辑处理；当图象具有足够的控制点时，m s i 图象的显示引 擎就能实时完成m s i 图象的几何变换、重采样和灰度变换，从而实时完成 图象之间的配准，图象与图形的配准，图象的镶嵌，图象几何校正，几何 变换，灰度变换等功能。 ( 5 ) 符号库编辑 系统库编辑子系统是为图形编辑服务的。它将图形中的文字、图形符 号、注记、填充花纹及各种线型等抽取出来，单独处理；经过编辑、修改； 生成子图库、线型库、填充图案库和矢量字库，自动存放到系统数据库中， 供用户编辑图形时使用。 应用而建立专用的系统库。如地质符号库、旅游图符号库等。 3 数据库管理 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 m a p g i s 数据库管理分为网络数据库管理、地图库管理、属性库管理 和影象库管理四个子系统。 ( 1 ) 地图库管理 图形数据库管理子系统是地理信息系统的重要组成部分。在数据获取 过程中，它用于存储和管理地图信息；在数据处理过程中，它既是资料的 提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘 图文件或各类地理数据的数据源。图形数据库中的数据经拓扑处理，可形 成拓扑数据库，用于各种空间分析。m a p g i s 的图形数据库管理系统可同 时管理数千幅地理底图，数据容量可达数十千兆，主要用于创建、维护地 图库，在图幅进库前建立拓扑结构，对输入的地图数据进行正确性检查， 根据用户的要求及图幅的质量，实现图幅配准、图幅校正和图幅接边。 ( 2 ) 属性库管理 g i s 系统应用领域非常广，各领域的专业属性差异甚大，以至不能用 一已知属性集描述概括所有的应用专业属性。因此建立动态属性库是非常 必要的。动态就是根据用户的要求能随时扩充和精简属性库的字段( 属性 项) ，修改字段的名称及类型。具备动态库及动态检索的g i s 软件，就可 以利用同一软件管理不同的专业属性，也就可以生成不同应用领域的g i s 软件。如管网系统，可定义成“自来水管网系统”、“通讯管网系统 、“煤 气管网系统”等。 该系统能根据用户的需要，方便地建立一动态属性库，从而成为一个 有力的数据库管理工具。 ( 3 ) 影象库管理 该系统支持海量影象数据库的管理、显示、浏览及打印；支持栅格数 据与矢量数据的叠加显示；支持影象库的有损压缩和无损压缩。 4 空间分析 地理信息系统与机助制图的重要区别就是它具备对中间数据和非空间数 据进行分析和查询的功能，它包括矢量空间分析、数字高程模型( d t m ) 、 网络分析、图像分析、电子沙盘五个子系统。 ( 1 ) 矢量空间分析 空间分析系统是m a p g i s 的一个十分重要的部分，它通过空间叠加分 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 析方法、属性分析方法、数据查询检索来实现g i s 对地理数据的分析和查 询。 ( 2 ) 数字高程模型 该系统主要由离散数据网格化、数据插密、绘制等值线图、绘制彩色立体 图、剖面分析、面积体积量算、专业分析等功能。 ( 3 ) 网络分析 m a p g i s 网络分析子系统提供方便地管理各类网络( 如自来水管网、煤 气管网、交通网、电讯网等) 的手段，用户可以利用此系统迅速直观地构 造整个网络，建立与网络元素相关的属性数据库，可以随时对网络元素及 其属性进行编辑和更新；系统提供了丰富有力的网络查询检索及分析功 能，用户可用鼠标指点查询，也可输入任意条件进行检索，还可以查看和 输出横断面图、纵断面图和三维立体图；系统还提供网络应用中具有普遍 意义的关阀搜索、最短路径、最佳路径，资源分配、最佳围堵方案等功能， 从而可以有效支持紧急情况处理和辅助决策。 ( 4 ) 图像分析 多源图象处理分析系统是一个新一代的3 2 位专业图象( 栅格数据) 处理分析软件。多源图像处理分析系统能处理栅格化的二维空间分布数 据，包括各种遥感数据、航测数据，航空雷达数据、各种摄影的图像数据 以及通过数据化和网格化的地质图、地形图、各种地球物理、地球化学数 据和其它专业图像数据。 ( 5 ) 电子沙盘 电子沙盘系统是一个3 2 位专业软件。本系统提供了强大的三维交互 地形可视化环境，利用d e m 数据与专业图象数据，可生成近实时的二维和 三维透视景观，通过交互地调整飞行方向，观察方向、飞行观察位置、飞 行高度等参数，就可生成近实时的飞行鸟瞰景观。系统提供了强大的交互 工具，可实时的调节各三维透视参数和三维飞行参数；此外，系统也允许 预先精确地编辑飞行路径，然后沿飞行路径进行三维场景飞行浏览。 电子沙盘系统主要用途包括：地形踏勘、野外作业设计、野外作业彩 排、环境监测、可视化环境评估、地质构造识别、工程设计、野外选址( 电 力线路设计及选址、公路铁路设计及选址) 、d e m 数据质量评估等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 5 数据的输出 如何将g i s 的各种成果变成产品供各种用途的需要，或与其它系统进 行交换，是g i s 中不可缺少的一部分。g i s 的输出产品是指经系统处理分 析，可以直接提供给用户使用的各种地图、图表、图象、数据报表或文字 报告。m a p g i