基于GIS的西安城市地质环境质量评价研究.pdf

拈D f 分类号P 6 4 2 藏专夫海 硕士学位论文 基于G I S 的西安城市地质环境质量评价研究 导师姓名职称 申请学位级别 苗壮 赵法锁教授 硕士学科专业名称地质工程 论文提交日期2 0 0 7 年5 月8 日论文答辩I I 期2 0 0 7 年5 月2 8 目 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席关文章教授级高工 学位论文评阅人陈志新救授 王贵荣副教授 摘要 城市地质环境质量评价是城市规划和建设的重要参考依据。本文以西安市主城区为 研究区域，在调查和收集西安市地质环境数据后，从理论与实践的角度，研究了G I S 支 持下的城市地质环境质量评价的方法。 本文综合分析了影响西安市主城区地质环境的主要控制因素，在总结前人研究经验 的基础上，根据城市地质环境质量评价的特点，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 定了西安城市地质环境质量评价的指标体系，选取了地形坡度、地裂缝、地面沉降、断 裂、黄土湿陷性、地基承载力和人类工程活动7 个因素作为评价因子，建立了针对西安 地质环境质量特点的分级标准，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，得出西安市地质环境质量评价分级，并且对评价结果进行对比分 析。本文以M A P G I S 6 ．6 为平台，建立西安市空间图形数据库，属性数据库通过外挂数 据库实现，G I S 通过接口进行调用，实现图形与属性的连接，形成空间数据库；评价分 析模块与G I S 通过对中间数据文件的操作达到集成，从而实现两者数据的转换，进行空 间分析。 运用该系统对西安市地质环境质量进行评价，把西安市地质环境质量划分为优、良、 中、差四个质量级别。结果表明该评价模型合理，系统可行，具有较强的实用性。 关键词地质环境质量评价，地理信息系统，灰色聚类，模糊综合评判 层次分析法，西安 A b s t r a c t U r b a ng e o e n v i r o n m e n ta s s e s s m e n ti so n eo fm o s ti m p o r t a n tp a r to fu r b a np l a n n i n ga n d u r b a ng e o l o g i c a ld i s a s t e rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lp l a n n i n g ．I nt h i sp a p e r , G I S G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o nS y s t e m B a s e dU r b a nG e o - e n v i r o n m e n ta s s e s s m e n ti ss t u d i e da tt h e o r ya n d p r a c t i c el e v e l ，t h i n k i n gX i a ne i t ya sr e s e a r c hr e g i o n ． T h et h e s i sh a sa n a l y z e dm a i nc o n t r o lf a c t o r si n f l u e n c i n gc i t yr e g i o ng e o e n v i r o n m e n t s y n t h e t i c a l l y ．O nt h eb a s i so fs 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 r i 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 df i r s tr a n ko r d e rm e t h o dh a v eb e e na d o p t e dt os i f ta n do p t i m i z e a s s e s s m e n ti n d e x e s ．t h et h e s i sh a sd e t e r m i n e dg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n ti n d e x s y s t e m a n de s t a b l i s h e d c 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 g a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f g e o e n v i r o n m e n tq u a l i t y ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa s s e s s m e n tm o d e l ，t h et h e s i sh a s a 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 ei n d e x e s ，w h i l eq u a n t i t a t i v ei n d e x e sg e tt h e i r v a l u et h r o u g hf u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o no nt h eb a s i so fc l a s s i f y i n gs 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 r i s t i co fu r b a ng e o - e n v i r o n m e n tq u a l i t ya 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 o k i n d so fs i m p l ea n dp r a c t i c a lm a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，g r a yc l u s t e r i n gm e t h o da n df 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 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 r c h ya n a l y t i cp r o c e s sh a s b e e na 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 nt h et w oa s s e s s m e n tr e s u l t s h a v ea l s ob e e nc o m p a r e d ．T h ea n a l y s i sm o d u l ei sd 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 6 ．6 ，t h es p a t i a lg r a p hd a t a b a s ei se s t a b l i s h e d ． B yl i n k i n go u t s i d ed a t a b a s e ，t h ep r o p e r t yd a t a b a s ei sp e r f o r m e d ．T h e nG I St r a n s f e r st h e p r o p e r t yd a t a b a s ew i t hi n t e r f a c e ，S Oa st oa c h i e v el i n kb e t w e e ng r a p ha n dp r o p e r t y , t h u s f o r m i n gs p a t i a ld a t a b a s e ．B ym i d d l ed a t ad o c u m e n t s ，t h ei n t e g r a t i o ni sa c c o m p l i s h e d b e t w e e n t h ea s s e s s m e n ta n a l y s i sm o d u l ea n dG I S ，t h e r e b ya c h i e v i n gt r a n s f e r r i n gd a t ao fb o t hs i d e sa n d c a r r y i n go ns p a t i a la n a l y s i s ． B a s e do nt h i ss y s t e m ，t h eg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t yo f X i a nh a sb e e na s s e s s e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t yc a nb ec l a s s i f i e di n t of o u rc l a s s e s b e s t ，g o o d ， m o d e r a t e ，w o r s t ．S o ，i tf u r t h e ri n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l ea n dv e r yp r a c t i c a la n dt h a t t h ea s s e s s m e n tm o d e l sa r er a t i o n a l ． K e yw o r d s g e o e n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n t ；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 r a y c l u s t e r i n gm e t h o d ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ；A H P ；X i a n 论文独创性声明 本人声明本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 莎书少叼年‘月1 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名 导师签名 石月 6 月 1 日 J E l 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 ．1 课题的由来及研究意义 城市地质环境研究作为一项与人类生存以及与城市社会、经济、环境、信息各方面 密切相关的基础地质工作，为城市规划建设、减灾防灾等提供了具有针对性、实用性和 超前性的基础地质资料和成剽。 资源、环境与人口是当今人类发展面临的三大问题，早在1 9 8 2 年的第四届国际工程 地质大会上，国际工程地质协会就提出了工程地质学家要积极参与解决环境问题的动议。 9 0 年代，环境问题的形势变得更为严竣，联合国1 9 9 2 年在巴西里约热内卢召开了有世界 2 ／3 以上国家首脑参加的世界环发会议，其目的是想通过各国政府的联合行动，协调人类 发展与环境的关系；会后，签署了著名的“里约热内卢“ 宣言。联合国在此之前还组织制 定了国际减灾十年计划 I D N D R 1 2 1 。 应该说，环境问题是一个涉及面非常广泛的问题，但令人遗憾的是当提起这一问题时， 人们自然联想到的是大气圈环境 空气污染等 、水圈环境 水污染等 ，而对岩石圈浅表层 地质环境的关注远远不及前两者。 事实上，近二十年来，全世界尤其是经济迅速发展的中国，由于工程活动的空间和规 模迅速增大，从而产生了“人一地’’关系的失调，加之地质环境保护的意识淡薄，地质环境 的恶化问题已到了相当严重的程度。 地质环境质量低劣的表现形式之一是地质灾害，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，就必须对地质环境质量现状进行评价，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。 面对人类对土地的高强度、高密度的开发和使用，如何保持在大规模建设的同时有 效的保护地质环境，如何科学和安全的利用有限的土地资源，是目前我国所提出的可持 续发展战略中的根本性和前瞻性课题。 城市地质环境研究作为一项与人类生存，以及与城市社会、经济、环境、信息各个 方面密切相关的基础地质工作，为城市规划建设、减灾防灾等提供了具有针对性、实用 性和超前性的基础地质资料和成果。人类经济活动与地质环境之间相互作用、相互影响 一方面，地质环境影响和制约了工程建设，同时，工程建设又导致了地质环境的严重恶 第一章绪论 化、引起地质灾害或病害，造成了巨大的经济损失【3 1 。城市工程地质环境评价研究的目 的即是认识地质环境问题，掌握其规律性，正确地评价灾害对人类的危害和影响。评 价意义在于指导人们避免或减少城市各种潜在灾害的诱发和影响，避免城市灾害和低 质量环境给各种工程活动带来不经济的处理费用和巨额附加费用，充分挖掘高质量土地 资源与环境资源的开发潜力和利用能力，控制低质量环境与土地资源的开发与利用，从 而最大限度地促进与保持城市环境与发展的协调。 在国土资源部全国范围内的“县 市 地质灾害调查与区划“ 中，长安大学地质工 程研究所于2 0 0 3 年承担了西安市部份区县的地质灾害调查与区划工作；在2 0 0 4 年“西 安市地质灾害防治规划 2 0 0 5 ．2 0 2 0 ”项目招标中中标；又在2 0 0 5 年“西安市主城区 地质灾害对土地利用的影响研究“ 项目中中标，受西安市国土局委托，具体承担以上项 目的研究工作。在工作进行中，如何充分利用调查资料对西安市地质灾害按易发程度进 行准确的分区，成为一个难点。国土资源部下发的县 市 地质灾害调查与区划实施 细则中的方法，还是以定性为主，人为因素较多，缺乏系统的、科学的、全面的评价 方法。 因此，本文正是基于上述考虑，在G I S 支持下，结合陕西省西安市的地质背景及地 质灾害发育特点，探讨区域地质环境质量定量评价的理论和方法，为地质灾害易发程度 分区、地质灾害危险性分区提供参考依据。以期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。 1 ．2 国内外研究现状 自从1 9 6 3 年，加拿大测量学家T o m l i n s o n 首先提出地理信息这一术语，并建立了 世界上第一个G I S 一加拿大G I S 以来，G I S 得到迅速发展和推广应用【4 1 。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 是2 0 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的地理学研究技 术，是多学科交叉的产物，是一种特定而十分重要的空间信息系统。它最初解决地理问 题而起，至今已成为- - I q 涉及测绘学科、环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。 国内外G I S 技术的发展，呈现出广阔的应用前景。美国、加拿大、英国、澳大利亚等国 家逐步确立了它们在这一领域的国际领先地位。我国在这方面的工作最早始于8 0 年代。 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。在1 9 7 0 年 至1 9 7 6 年之间，美国地质调查局就建成了5 0 多个信息系统，作为地理、地质和水资源 等领域空间信息的处理工具。M e j i a 等利用G R A S S 系统，综合分析了哥伦比亚的麦知 德林地区的基岩及第四纪地质、构造、气候、地形、地貌形成过程、土地利用、水文等 2 长安丈学硕士学位论文 因素，对该区的地质灾害进行了危险性评价脚】。1 9 9 0 年印度的R ．E C U P T A 和B ．C ．J O S H 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 aC a t c h m e n t 地区进行了滑坡灾害危险性分带【6 3 1 。1 9 9 0 年荷兰I T C 的、a n W e s t e n C ．J ．和哥伦比亚I G A C 的A l z a t e B o n i l l a J ．B ．在山区地质灾害分析中，基于G I S 开发了斜坡 稳定性分析模型，山区落石滚落速率计算模型。泰国和德国进行了技术合作项目“区域 规划的环境地质”。目的在于加强矿产资源部对潜在用户搜集、评价和提供环境地质信 息的能力以及在泰国快速发展地区土地利用规划和土地发展中综合进行环境地质评价， 并建立带有综合数据库的项目区G I S ，以方便与潜在用户交流和数据交换。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；1 9 9 9 年印度的R a j u ．P r a s a d a h e 和S a i b a b aJ 运用G I S 在A R C ／I N F O 的叠加，可视化和层次分析法，主因子分析法相结合，分析绘制了P i t h o r a g a r hU ．P ．地区的 滑坡图。2 0 0 2 年意大利C a n u t iP a o l o 和C a s a g l iN i c o l a 利用基于G I S 和L A H A R Z 和H 2 0 吧D 对厄瓜多尔首都基多火山泥石流进行了模拟比较评价畔】。2 0 0 3 年印度的J a i s w a lR ．K 和 M u k h e o e eS [ 6 4 ] ．等人，利用遥感收集的数据，基于G I S 的模型确定印度地表水和地下水的 适用性。 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 【7 1 【引。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；董东林、孙桂敏应用 G I S 软件对山西临汾市区地裂缝的发展进行了合理的预测，该软件通过对影响山西省临 汾市地裂缝的七种物理因子的分析，分别给以不同的权重，建立起空间数据库，形成了 临汾市区的地裂缝灾害分区，为临汾市城市规划及土地利用提供了较为可靠的依据；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；2 0 0 2 年乔晓英，王文科 3 第一章绪论 将G I S 与模糊综合评价模型集成【9 1 ，对冯家山灌区地质环境质量进行评价，并针对不同 地质环境质量分区探讨了水资源合理开发利用模式；2 0 0 3 年王涛、王增银、赖树钦基于 G I S 以福建省为例进行了区域环境地质评价；2 0 0 5 年张丽君基于G I S 多准则空间分析 S M C E 对青海省矿产资源开发地质环境脆弱性进行评价；2 0 0 6 年左文掂、姜国虎、刘 善军基于组件式G I S 对唐山市区环境地质进行了评价【1 0 1 。 综上所述，国外尤其发达国家将G I S 应用于地质灾害研究起步较早，研究程度也远 远超过我国，这方面的应用也随着G I S 技术的自身发展而深入。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 国地质环境质量评价的G I S 技术路线和方法体系，因而把G I S 技术应用于地质环境质量 评价将具有非常广阔的发展前景。 综观国内外地质环境评价的研究历程，前辈学者们已经做了大量的工作，已使得地 质环境评价的研究由过去的定性描述或简单定量转为现在的模型模式化操作，产生了质 的飞跃，为本次研究提供了深厚的理论基础和丰富的实例借鉴，但其研究的理论和模型 还有待发展，本次研究旨在在对地质环境质量评价进一步发展进行探讨。 1 ．3 本文的研究目标 本文研究的主要目标是选择西安市主城区典型区域，在充分搜集调查资料的基础 上，建立合理的评价指标体系，开发外部评价模块，应用G I S 技术，建立城市地质环境 条件空间属性数据库，对城市地质环境质量进行评价和分区。 1 ．4 研究技术路线 本项工作在资料搜集、整理与分析的基础上，进行系统设计，开展地质环境质量评 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 ．资料搜集选择西安市主城区为研究区，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。 2 ．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 区域地质环境质量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。 3 ．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。 4 长安大学硕士学位论文 4 ．评价的理论方法研究环境质量评价的方法有多种，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。作者根据城市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西安市城市地质环境质量进行评价，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 ．G I S 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 开发平台开发城市地质环境 信息系统，方便城市地质环境信息的传递和使用。 2 ．灰色聚类评价和模糊综合评价 城市地质环境质量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量进行评价。 3 ．专家一层次分析定权法 在城市地质环境质量评价过程中，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。 4 ．软件工程的方法 城市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。城市 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。 5 第二章城市地质环境评价与G I S 系统设计 第二章城市地质环境质量评价与G IS 系统设计 2 ．1 城市地质环境质量评价 2 ．1 ．1 地质环境质量评价的概念 地质环境的质量，在一定程度上是由地球物理因素和地球化学因素决定的，其优劣 程度对人类的生活和社会经济的发展都有重大的影响。为此，必须对地质环境质量进行 监测、评价和管理。只有对地质环境质量进行科学的评价，才能够达到合理地开发、利 用、保护地质环境，合理地规划人类的工程、经济活动，最大限度地控制工程、经济活 动对地质环境的影响，从而根本上改善地质环境，使之更适宜于人类的生产和生活。地 质环境质量的评价就是对地质环境质量优劣的定量描述，即按照一定的质量评价标准和 评价方法对一个特定的区域进行说明、评定和预测。 地质环境包括物质组成、地质结构和动力作用三个基本因素，地质环境质量评价就 是围绕这三个基本因素展开，但这三者是相互联系着的，不可能把他们割离开来单独评 价其环境质量，因而，使得地质环境质量的评价有相当的难度，也正是当前环境地质学 中研究的前沿课题【2 2 1 。 2 ．1 ．2 城市地质环境质量的评价目的与分类 城市是人类居住和工程经济活动高度集中的场所，是社会现代化的摇篮，因此，对 城市来说，地质环境质量评价主要是针对城市规划布局为目的的 即建筑物的适宜性 。 地质环境质量评价是环境地质研究的最终结果，也是城市总体规划必不可少的依据。 城市地质环境质量评价也可分为地质环境现状评价和影响评价。城市地质环境质量 现状评价就是对现在的状况进行评价，影响评价就是对一定时间、一定数量的工程建设 活动后的某个时期的地质环境质量进行预测评价。 对于不同地区的城市地质环境，其质量评价的指标体系是不一样的，一般包括地质 环境中的各环境要素，各环境要素的评价因子更需要根据实际的地质环境背景进行系统 分析后方可确赳】。 2 ．2G IS 评价系统的设计 城市地质环境评价G I S 系统的建立与开发是一项复杂的系统工程，应当从系统工程 的观点出发，准确分析城市地质环境评价问题的特点，明确系统设计的目标，立足于整 体，统筹全局。评价系统设计应遵循软件工程的设计思想，从用户需求、系统分析、系 统设计方案、系统实现到实际应用，形成规范的体系，突出专业性、实用性【1 2 ’1 6 ，3 7 1 。 6 长安大学硕士学位论文 2 ．2 ．1 系统分析 基于G I S 的城市地质环境质量评价模型可以通过G I S 的外部空间模型方法结合G I S 的空间分析方法实现。利用G I S 的空间分析功能，可以实现评价因子的自动提取，利用 G I S 的输入输出功能，将评价因子指标值输出，即为评判模型的数据源，然后，将评价 结果返回到空间数据库中，进行聚类和可视化。 具体步骤如下 I 对研究区的地质环境背景信息进行分析，确定主要的地质环境问题； 2 专家一层次分析法定权； 3 建立空间数据库； 4 利用G I S 的空间分析功能，实现评价因子指标的自动提取； 5 通过G I S 的输入输出功能，将评价因子的指标输出，作为多目标决策集成模型 的数据源； 6 综合评价； 7 将评价结果输入G I S ，与空间数据库关联，进行结果的可视化输出。 城市地质环境质量评价工作流程如图2 ．1 图2 ．1 城市地质环境质量评价工作流程 7 第二章城市地质环境评价与G I S 系统设计 2 ．2 ．2 系统设计 1 ．系统概念 G I S 这一术语是1 9 6 3 年由R o g e rE T o m l i n s o n 提出的，2 0 世纪8 0 年代走向成熟，但 对G I S 却没有统一的定义。不同的研究方向，不同的领域，不同的G I S 专家，对它的理 解是不一样的。作者认为中国地质大学吴信才教授所给出的G I S 的定义比较全面，即 G I S 是在计算机软、硬件支持下，采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示空间物 体的地理分布数据及与之相关的属性，并以回答用户问题等为主要任务的技术系统。 地理信息系统按内容、功能和作用可分为两类工具型地理信息系统和应用型地理 信息系统。本文所述就是应用型地理信息系鲥1 3 ，1 4 ’1 5 1 。 2 ．系统目标 应用型地理信息系统是一个实施面和受益面广、应用性强的空间信息系统。要实现 一个结构完整、功能齐全技术先进、实用性好的信息系统，必须经过很大的努力。因此， 科学合理地确定系统的建设目标是非常必要的。 本文的研究目标是选择典型研究区，建立城市空间数据库 图形数据库和属性数 据库 ，开发与G I S 系统链接的城市地质环境质量评价模型并进行评价。具体内容为 建立研究区空间数据库； 建立地质环境质量评价指标体系、分级标准及量化方法； 建立多目标决策集成模型； 开发相应的评价分析模块； 集成G I S 评价系统。 3 ．设计原则 本系统在设计时遵循了如下原则 1 完备性原N - 完备性主要是指系统功能齐全、完备。一般的应用型G I S 都具 备数据采集、管理、处理、查询、编辑、显示、绘图、转换、分析及输出等功能。 2 实用性原则在系统设计时，应密切结合课题的实际需要，为用户提供必要的 数据转换功能，保证已有的资料转入本系统中。 3 规范性原则系统要求数据采集标准化、规范化，从而达到数据共享的目的。 在本系统中，空间数据库结构及内部代码遵循了中国地质环境监测院编制的“县 市 地质灾害调查与区划’’项目中的空间数据库系统建设技术要求。属性数据库则采用 了通用的M i c r o s o f tJ e tO L E D B 4 ．0 格式，它可由A c c e s s 、E x c e l 等软件来读写和管理，从 8 长安大学硕士学位论文 而使得本系统的所有源数据及结果可与其它相关软件共享。 4 ．系统运行环境 1 硬件 硬件实现数据和图形输入、处理、输出等功能。在本系统运行中，要对数据进行频 繁调用、处理、分析和输出，因此对硬件要求比较高。 主机P e n t i u m l V 2 ．0 G ，内存5 1 2 M ，硬盘8 0 G 。 外部设备舢幅面扫描仪、绘图仪、打印机。 2 软件 操作系统W i n d o w sX p 。 地理信息系统软件M A P G I S 6 ．6 。 3 开发工具 数据库系统 D B M S 数据库系统采用M SA c c e s s ，用于评价指标体系的管理。 二次开发工具C B u i l d e r 6 ．0 ，用于评价模型的开发。 5 ．系统结构设计 系统的机构设计是整个设计过程中的核心部分，城市地质环境质量评价系统包括三 个子系统空间数据库子系统、简单空间分析子系统和专题分析子系统【1 4 ，”】，系统结构 图如图2 ．2 。 1 空间数据库子系统 空间数据库子系统主要包括图形数据库和属性数据库。对野外调查成果和获取的各 类专题图件信息通过扫描矢量化输入，再进行图层定义、图层编辑，就形成了图形库。 在区域地质环境质量评价G I S 系统中，图形数据库与属性数据库是紧密联系的。图形数 据库由描述不同要素空间分布特征的点、线、面或体等以不同的属性数据结构组成，在 属性数据库的支持下，图形数据不再仅仅是具有几何意义的图元，而是具有地理意义的 空间实体；与图形数据关联后，属性数据库也不再仅仅是传统意义上简单的关系型数据 库 R D B M S ，其属性数据可以记录地理实体，如点、线、面或体，并包含了它们之间的 空间相关关系。 2 空间分析子系统 G I S 系统具有很强的空间分析功能，这也是区别于普通计算机地图制图系统的显著 特征之一。城市地质环境质量评价系统中的空间分析子系统，对原始数据模型进行空间 9 第二章城市地质环境评价与G I S 系统设计 信息分析，发现新的数据，作为评价依据。城市地质环境评价主要用到空间叠加分析、 数字高程分析和数字地形分析三种分析功能。 图2 ．2 城市地质环境质量评价G I S 系统结构图 a 空间叠加分析 空间叠加分析将有关主题层组成的数据层面进行叠加，产生一个新的数据层面，其 结果综合了多层要素所具有的属性。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关 系的比较。空间叠加分析可分为信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、栅格图 层叠加等。 b 数字高程分析 数字高程模型 D i g i t a lE l e v a t i o nM o d e l 是对地理空间起伏连续变化的数字表示形 式，用来描述空间中的第三维坐标一高程，也可以用其模拟二维表面上的连续变化数据， 此时的D E M ，也可称为数字地形模型 D i g i t a lT e r r a i nM o d e l 。 建立数字高程的方法一般有两种，一种是规则的高程矩阵方法，另一种是不规则三 角网法 T r i a n g u l a t e dI r r e g u l a rN e t w o r k ，由于T I N 模型能随地形起伏变化的复杂性而改 1 0 长安大学硕士学位论文 变采样点的密度和决定采样点的位置，因而能够很好地表现地形特征如山脊、山谷、悬 崖、海岸线等。因此，地质环境质量评价系统在进行数字高程分析时应选取T I N 模型。 C 数字地形分析 数字地形分析主要是用于坡度、坡向计算。坡度和坡向是相互联系的两个参数。坡 度反映斜坡的倾斜程度，坡向反映斜坡所面对的方向。坡度和坡向的计算通常是在D E M 的数据矩阵中采用开窗连续移动搜索，以完成整幅图的计算工作。 3 专题分析子系统 一般的地理信息系统包含常规的空间分析方法，如空间叠加分析、D E M 或D T M 分 析等，但单一的G I S 系统本身并不具备评价功能。对于城市地质环境质量评价，还需要 基于G I S 的空间分析模型开发出适合于地质环境质量评价的专题分析模型。专题分析子 系统是本次系统开发的核心内容之一