摘要: 随着现代科学技术的发展,地理信息系统将在推动城市信息化进程中产生深远的影响。叙述了地理信息系统( GIS) 的介绍,国内外 GIS在岩土工程学领域的应用情况和　岩土工程GIS 发展趋势。
关键词: 地理信息系统（GIS）；岩土工程勘察；应用实践
地理信息系统( GIS) 都是为某种目的而建立的。尽管由于数据源、数据类型、输出结果和分析方法不同而取名为区域信息系统、国土信息系统、资源信息系统、城市信息系统等各种各样,但它们都是以处理各种空间实体和空间关系为主要特征,都可确切称为空间信息系统。随着计算机技术、网络技术、数据库技术以及图形处理技术的快速发展,科技人员越来越重视GIS 在岩土工程勘察设计中的应用。由于岩土工程勘察设计需要涉及到大量的勘察数据处理、图件绘制、自动计算及辅助决策等,所以给GIS 技术提供了广阔的应用空间。将GIS 技术引入岩土勘察设计领域,可以大大提高工作效率,节省人力物力资源,提高勘察设计结果的准确性。主要研究GIS 在岩土工程勘察中的应用问题。
1、　地理信息系统( GIS)
地理信息系统( GeographicInformation System ,简称GIS) 是在计算机软、硬件支持下对各种地理空间信息进行采集、存储、检索、综合分析和可视化表达的信息处理和管理系统,它是集计算机学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学和现代通讯技术为一体的一门新兴边缘学科。虽然GIS 是一门多学科综合的边缘学科,但其核心是计算机科学,基本技术是数据库、地图可视化及空间分析。(见图1)
 
图1、地理信息系统的组成
GIS 应用技术上的突破,很大程度是由于GIS 的软件的成熟和商用化程度提高所致。在国际市场上大约有300 家各类GIS 软件研制和供应单位,但占据市场主导地位的却只有为数不多的几家。GIS 软件发展的趋势是努力改善编程系统,使软件容易地从一种计算机传送到其它的设备上。
1963 年,W.L. Garrison 提出这个概念并建立了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS) 。目前占有国内外主要市场的GIS 系统软件有三种:即ARC/INFO,GENAMAP 和INTERGRA-PH MGE MICROSTATION。
随着计算机技术的发展和数字空间数据使用价值的提高,GIS 研究和建设得到了飞速的发展。GIS 以其强大的功能,目前已广泛的应用于各个学科领域,产生了多种专题性的地理信息系统,如土地利用信息系统、森林管理信息系统、环境地质信息系统,地质灾害信息系统(CHIS) 等。
2、GIS在岩土工程学领域的应用
目前,地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域,取得了良好的经济效益和社会效益。
2.1、GIS 在岩土工程勘察设计中的应用
美国Peter Douglas C 等(1989) 用GIS 对工程数据进行分析评价,并取得良好效果。1989 年和1991年美国科学基金会与联邦高速公路管理处利用GIS 建立了美国岩土工程试验现场信息系统,该系统对美国所有岩土工程试验现场所得的数据进行处理、管理、演示及输出。1997 年加拿大的Trevor J Davis 和C PeterKeller ,运用GIS 的最新技术———模糊分类和虚拟现实技术,在现斜坡的形态,从而为工程勘察及评价提供依据。姜云和王兰生利用GIS 的信息存储、查询、空间叠加运算等功能,作出土地能力定量分级和斜坡稳定性综合评价分区图。南京大学地球环境计算工程研究所应用三维地质建模技术,对某工程进行三维地质分析,并通过数据转换接口,将其移入GIS 数据库中进行各项空间分析,从而为工程设计和施工提供依据。由此可见,目前,在岩土工程勘察、管理、设计及评价中,GIS 应用主要还是限于数据处理、数据管理及可视化等基本功能。尚未解决外部软件包与GIS 的转换接口问题。
2.2、GIS 在地质灾害方面的应用
2.2.1、国外研究实践
一、在斜坡工程方面的应用。研究表明，斜坡的演化具有较强的地域性、多层次性和时效性，不同类型的斜坡，其变形和破坏的方式多种多样，加之控制其稳定影响因素的步确定性，这一切都决定了斜坡的综合评价预测模型的多样性和复杂性。地理信息系统（GIS）的研究和发展为斜坡稳定的综合评价提供了重要手段。它能动态地建立和管理各类数据库，具有区域分析多要素综合分析和动态预测等功能，在计算机系统支持下进行空间数据管理和分析，适时运用专家系统进行斜坡稳定性评价，利用计算机数据模型模拟斜坡的演变过程等等。
近几年来，国外对斜坡工程中GIS的应用与研究做了许多工作，主要的一些有代表的应用成果如表1所示。
表1                  GIS在斜坡工程中应用典型实例
年份 研究者
（国家） 研究内容 GIS的技术应用
1990 R.P.GUPTA
B.C.JOSHI
(印度)   运用GIS方法对喜马拉雅山麓的Ramgangs Chatchment地区进行滑坡灾害危险性分带研究。  利用GIS的存储、更新、网格化、空间叠加及面积量算功能进行斜坡灾害区域分析。
1995 Sidle R.C.
(美国) 陡峭树林盆地中斜坡稳定性的安全系数分析和分配模型。 利用GIS的数据动态存储、管理、空间分析、多因素扩展统计分析等功能同时对多个斜坡稳定性分析和模拟（dSLAM模型）。
1998 Burtom，A.
Bathurst，
J.C．
 (美国) 某一集水处浅层滑坡侵蚀物产生的本质模拟  把GIS与可用于浅层滑坡的沉积物运用空间模拟系统SHETRAN结合，从而实现对影响滑坡的多因素动态进行模拟分析
1999 Miles，S.B.
Ho，C.L.
（美国）  运用Newmark方法与随机地面运动模拟对严峻的滑坡灾害分区  利用GIS的空间数据存储特征描述与空间演化模拟功能，结合Newmark方法评估地震诱发的斜坡灾害
2000 Gussetti,F.
Cardinali,M.
(意大利) 意大利中部Tiber河流域上游的滑坡地图对比分析 利用GIS信息采集的便利性全国性，系统的集成性及决策的多因素综合性
由上表可见, GIS 在斜坡灾害研究中的应用主要包括斜坡稳定性的区域性分析、斜坡变形机制和稳定分析定量研究、危险斜坡的预测预报、斜坡破坏的可视化演化模拟分析等方面。只有在数据获取、GIS 与斜坡专业模型的集成、GIS 与遥感的集成等方面有较大的突破之后, 才能充分发挥GIS在斜坡研究中的作用。
二、在砂土液化方面的应用。砂土液化是地震及震动荷载等引起的最显著的灾害之一。当前的砂土液化分析方法分为定性和定量两种, 定量分析又分为确定性分析和概率分析。这些方法虽然各有优势, 但大多还是采用传统的工程地质研究方式,即单纯的试验、计算和得出结论, 大多数工作由手工完成。由于砂土液化涉及的因素较多, 且与空间位置关系密切, 加之其往往为整个防灾救灾系统工程的一部分, 所以传统孤立的、低效的分析方法就显得远远不够。应该从系统的观点出发,将GIS 引入到砂土液化分析中, 从而将分析数据、分析过程、分析结果科学高效地管理起来, 这种思想同高速发展的信息化时代是完全适应的。
1993 年, 美国的Emir Jose Macari , James R Martin 和Thomas L Brandon 就利用GIS 对西Puer2 to Rico 地区进行了砂土液化研究。该地区主要为滨海平原地带, 其土体主要为松散的细砂且包含厚层的软粘土, 因此, 在地震作用下极易发生砂土液化。为此, 他们对该地区的地震历史、地质条件等进行了详细的分析, 并取得了大量的数据,然后利用ARC/ INFO 软件将所有的数据信息处理为6 个图层: ①土体性质层; ②不同运动状态下场地震动周期层; ③液化潜势层; ④土体震动放大因素层; ⑤光谱加速层; ⑥预测破坏等级层,从而实现了对该区砂土液化的可视化管理与分析,为岩土工程师和结构工程师们的设计以及政府部门的规划提供了科学的依据。运用同样的原理,James R Martin 对Charleston S C 地区进行了研究,实现了砂土液化危险区的地图化及其对城市生命线和重大基础设施破坏程度的预测和评价。
三、在地质灾害总体评价方面的应用。美国科罗拉多州立大学Mario Mejia - Navarro 和Ellen.Wohl (1994 年) 利用GIS 对哥伦比亚麦德林地区地震灾害进行了分析和研究。重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素。根据各因素的组成成分和灾害信息存储、缓冲区分析、DEM模型及叠加分析等功能,对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向地区进行了灾害分区、并对某一具体事件各构成因素的脆弱性进行了评价。Mario Mejia - Navarro 博士后等人将GIS 技术与决策支持系统结合,利用GIS(主要是地理资源分析支持系统GRASS软件) 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,并应用在科罗拉多州的Glenwood Springs 地区。应用GIS 建立指标因素数据库,并建立基于GIS 的多个控制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面沉降、由风引起的火灾等灾种进行了灾害敏感性分析,脆弱性分析及风险评估,辅助政府部门决策。
2.2.2、国内研究实践
国内对GIS 在地质灾害方面的运用也作了大量的工作,并取得了一定的成绩。如雷明堂、蒋小珍等在岩溶塌陷评价中运用GIS 技术。根据塌陷影响因素(如岩溶化程度、断裂分布、土层厚度、水动力条件及已有塌陷分布) ,利用GIS 的距离分析、标量分析、网格叠加分析、分级分组分析等功能,完成研究区塌陷危险性评价及分区。胡成、陈植华等采用模糊层次综合预测法, 建立了岩溶塌陷模型, 并通过接口程序与GIS 技术有机结合, 对桂林西城区岩溶塌陷进行了定量评价。郑世书、孙亚军等将GIS 技术用于煤矿地下开采工作面涌水预测及矿区岩溶水害预测。黄家柱运用多时相RS 动态分析方法, 对长江南京以下河段近40 多年来江岸变迁进行调查, 建成江岸变迁图形数据库以及航道水深数据库, 并利用GIS 研究河床时空演变规律, 对江岸稳定性进行评价。在砂土液化方面, 南京大学地球环境计算工程研究所(ACEI) 张凌、施斌等运用桌面GIS 系统Map Info 对苏北某高速公路地段进行了液化分析, 得出了各种程度的液化危害性分布图, 并进行了叠加和缓冲等空间分析, 验证了GIS 应用于砂土液化分析的可行性和所建分析模型的适用性。
3、　结束语
1）GIS 在岩土工程应用中的发展趋势应与岩土工程学科的发展及GIS 本身的发展密切相关。未来的岩土工程将加深力学、化学、环境科学、地质科学乃至社会科学的交叉和融合。如何建立一个准确的模型,并将其恰如其分地应用到GIS 系统中去,这是解决有关专业问题(包括岩土工程问题) 的关键所在。
2) 对GIS 本身来说,未来的发展可从3 个方面来看:
①硬件方面
当前的GIS 主要运行于图形工作站和PC 机,而近年来PC机性能大大提高,使得PC 机与图形工作站的概念越来越模糊。此外,分布式计算机环境、多媒体技术、虚拟现实技术等都将改善GIS 的工作环境和状态,这势必会使有关的专业问题研究(包括岩土工程问题) 更加科学、简便、快捷。
②软件方面
岩土工程研究的主要对象(即地质体) 的不规则性、非均匀性决定了几何建模的复杂性,目前,由于无统一完善的3 维地质体编码、分层行业标准等,使得3 维GIS 的地质数据共享难以实现,阻碍了3 维GIS 在岩土工程中的应用,因此,3 维GIS将成为今后的热点课题之一。
③GIS、RS、GPS 的集成
3S( GIS、RS、GPS) 技术的应用是最近乃至将来研究的热门技术之一。目前,RS 与GIS 的集成已达到了“无缝结合”的阶段,但GIS、RS、GPS 三者的真正意义上的集成还未解决,尚需进一步研究,这一课题研究一旦取得成果,将使GIS 在国民经济中各个领域的应用(包括岩土工程) 产生一个质的飞跃。
随着岩土工程理论和技术的进一步完善,以及GIS 技术的飞速发展,GIS 在岩土工程中的应用将会更加广泛和深入。但应提出的是,GIS 在岩土工程中应用并不意味着完全取代基础资料的收集、必要的野外调查试验及室内分析实验等传统的研究方法;只有在全面深入的基础研究条件下进行GIS 分析才是可靠的。由此可见,与传统方法相结合的GIS 技术在岩土工程中的应用具有广阔的前景。