胡中南：Web端GIS技術(shù)新進(jìn)展 | (PPT+速記)

在GTC 2020『GIS基礎(chǔ)軟件新技術(shù)論壇』上，超圖研究院副院長胡中南作《云原生GIS及Web端技術(shù)新進(jìn)展》報告，他首先系統(tǒng)講解了云原生GIS技術(shù)的三大新進(jìn)展：微服務(wù)更微、可擴(kuò)展，容器化部署更全、更易用，自動化編排適配更多平臺等，介紹了這些技術(shù)如何支撐云南地質(zhì)大數(shù)據(jù)等系統(tǒng)實現(xiàn)高可用、高并發(fā)、高彈性“三高”價值；也系統(tǒng)闡述了Web端GIS技術(shù)從基礎(chǔ)庫、組件庫、模板庫到WebApps的多層次結(jié)構(gòu)及相關(guān)新進(jìn)展，讓GIS前端應(yīng)用開發(fā)定制更快速便捷。

創(chuàng)新互聯(lián)是一家集網(wǎng)站建設(shè),屯溪企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),屯溪品牌網(wǎng)站建設(shè),網(wǎng)站定制,屯溪網(wǎng)站建設(shè)報價,網(wǎng)絡(luò)營銷,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,屯溪網(wǎng)站推廣為一體的創(chuàng)新建站企業(yè)，幫助傳統(tǒng)企業(yè)提升企業(yè)形象加強(qiáng)企業(yè)競爭力?？沙浞譂M足這一群體相比中小企業(yè)更為豐富、高端、多元的互聯(lián)網(wǎng)需求。同時我們時刻保持專業(yè)、時尚、前沿，時刻以成就客戶成長自我，堅持不斷學(xué)習(xí)、思考、沉淀、凈化自己，讓我們?yōu)楦嗟钠髽I(yè)打造出實用型網(wǎng)站。

本文將分為云原生GIS（點擊左側(cè)藍(lán)色文字可直接查看）與Web端GIS兩大部分，現(xiàn)分享Web端GIS技術(shù)部分資料如下：

演講PPT

上半部分主要講云原生GIS技術(shù)如何助力GIS系統(tǒng)快速部署與運維。

接下來我為大家介紹Web端GIS技術(shù)。

以前大家可能認(rèn)為SuperMap的Web端就是一個SuperMap iClient JavaScript，僅僅是將Leaflet等開源技術(shù)做一些封裝集成、改進(jìn)，和SuperMap服務(wù)器產(chǎn)品的REST API做了對接，其實這只是我們Web端技術(shù)棧的組成之一，也即圖上所示的基礎(chǔ)的iClient Libraries類庫（L1）。

我們在上面還提供了iClient Components，就是所謂的WebGIS組件庫（L2），適配了Vue框架和React框架。在這之上我們面向行業(yè)應(yīng)用共性，基于組件庫進(jìn)一步封裝，提供了Web模板庫iClient Templates（L3），只需將數(shù)據(jù)、LOGO和圖片等進(jìn)行簡單修改，就可以快速上線。我們還提供了可構(gòu)建、可定制、可擴(kuò)展的Web Apps，如MapDashboard和WebSite UI（L4），以及更偏向使用的一些Web Apps，用做制圖、分析等（L5）。

由此可見，SuperMap GIS的Web端包括這五個層次的內(nèi)容,已經(jīng)不僅僅是SuperMap iClient JavaScript單個產(chǎn)品。

在SuperMap iClient JavaScript層面，我們也有新的增強(qiáng)與改進(jìn)。

SuperMap iClient JavaScript 2020模塊圖。Web Libraries和 Web Components都有一些增強(qiáng)，新增加了Web Templates。

在此，我重點介紹一下組件和模板的新特性和新技術(shù)：組件技術(shù)就是把Libararies類庫做進(jìn)一步的封裝，更少的代碼做更快的開發(fā)，比如可以一行代碼加一個Web Map組件，里面填一個服務(wù)地址和地圖資源ID，就可以出一個地圖了。歡迎大家在超圖軟件官網(wǎng)查看范例。

這是2019年我們提供的技術(shù)。今年我們新增了多款Vue組件，包括時間軸、卷簾地圖等。地圖、圖表等都有新的增強(qiáng)和改進(jìn)。

今年我們新增了多款Vue組件，包括時間軸、卷簾地圖等。地圖、圖表等組件都有新的增強(qiáng)和改進(jìn)。

這是我們做的全球新冠疫情圖范例。使用組件技術(shù)做了封裝，用戶不用一行一行寫代碼，操作更方便、開發(fā)更快捷。

新的Web模板技術(shù)，可以讓應(yīng)用開發(fā)更便捷。直接提供多種行業(yè)應(yīng)用模板，用戶只需修改LOGO、配色，或刪除不用的地方即可。

再上面就是大屏，可快速開發(fā)建站。

No Code無代碼開發(fā)，可以快速建站，包括SuperMap iPortal門戶首頁、地圖大屏App等，都可以進(jìn)行拖拉式操作，不需要寫代碼就可以完成可視化定制。門戶首頁可以拖出來，Web應(yīng)用可以用大屏拖出來。

地圖大屏也做了一些增強(qiáng)。

以前做了大屏只能看，不能互動，不能點，點了以后也不能操作?，F(xiàn)在能看、能點、能互動。有了交互更好用。

包括，我們對布局也做了優(yōu)化，移動端可以自己修改布局。

包括超寬屏終端都可以適配，這是一個項目的照片。

另外一個定制就是SuperMap iPortal站點定制和擴(kuò)展增強(qiáng)。

從首頁到登錄頁、管理頁甚至各個Web Apps都支持定制和擴(kuò)展。

從而實現(xiàn)No Code的可視化定制，同時做了一些新的組件和能力增強(qiáng)。

可以用這個特性快速搭建一個新的首頁，從上面的菜單、左上角的LOGO，包括Banner、橫幅各種內(nèi)容都支持修改、增加和刪除。甚至用戶不懂開發(fā)都可以直接進(jìn)行操作。此外，該布局是自適應(yīng)的，在手機(jī)上同樣可以觀看。

這是2019年已有功能，今年我們做了新的增強(qiáng)。另外就是全代碼定制。

你可以基于自己的技術(shù)直接寫一個首頁。不管是我們提供的組件，還是你自己寫的組件，或是第三方組件都可以拿來使用。

包括我們的登錄頁和資源管理頁都可以進(jìn)行修改和定制。

此外，大屏本身也是可以擴(kuò)展的。

包括數(shù)據(jù)上圖。

數(shù)據(jù)洞察，都是可以修改和定制的。

可以加自己的圖表、UI。

前面所提到的是定制開發(fā)，再上層就是直接使用的WebApp。

如果大家感興趣，可以去我們官網(wǎng)：，或GTC網(wǎng)站：來觀看新特性。

數(shù)據(jù)上圖，制圖能力更豐富。

可以在線打印Web地圖。

簡單回顧一下，我們講到的兩大部分技術(shù)：一個是云原生GIS技術(shù)，讓GIS后臺服務(wù)管理運維更高效，另一個是Web端GIS技術(shù)，讓GIS前端應(yīng)用開發(fā)定制更快速。一個是高效，一個是快速。

總的報告可以用兩個圖連起來，第一就是K8s部署結(jié)構(gòu)圖，通過它可以把云原生GIS技術(shù)一覽無余，包括SuperMap iServer、SuperMap iPortal、SuperMap iManager之間的關(guān)系、用了什么技術(shù)等都可以看到。

第二張圖如上所示，我們在Web端的整體技術(shù)層次都可以看到，從SuperMap iClient Libraries類庫，到組件、模板，到大屏、Site UI定制、擴(kuò)展，以及WebApps等等。

以上就是我的報告，謝謝大家。

gis的數(shù)據(jù)采集新技術(shù)方法

定位設(shè)備、數(shù)字化設(shè)備和數(shù)據(jù)交換。gis的數(shù)據(jù)采集新技術(shù)方法是：

1、定位設(shè)備：野外測量：大平板、全站儀、GPS、移動測繪系統(tǒng)特點是精度高、效率較低。適合范圍是小范圍GIS數(shù)據(jù)采集或局部數(shù)據(jù)更新。

2、數(shù)字化設(shè)備：數(shù)字化儀、掃描儀、攝影測量設(shè)備特點是范圍大。

3、數(shù)據(jù)交換：針對GIS數(shù)據(jù)采集中屬性信息采用手工調(diào)查和數(shù)據(jù)處理工作復(fù)雜等導(dǎo)致效率低下的問題，提出了基于AUTOCAD數(shù)字化采集GIS數(shù)據(jù)的方法。

運用地理信息系統(tǒng)新技術(shù)進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性三維評價和滑動過程模擬研究

譯自 Environment Geo1ogy,2003(43):503～512。

Mowen Xie1Tetsuro Esaki1Guoyun Zhou1Yasuhiro Mitani1著

張曉娟2譯 羅靖筠2校 朱汝烈2復(fù)校

（1Environmental System Institute,Kyushu University,Hakozaki 6-10-1,Higashi Ku,Fukuoka,Japan；2中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】本文在傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性三維分析模型的基礎(chǔ)上，提出了一個全新的基于GIS的邊坡穩(wěn)定性三維柵格分析模型。在這個模型中，假定初始滑動面就是橢球底面，采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）隨機(jī)模擬方法，在求取最小安全系數(shù)法的同時，確定出最危險滑動面。運用GIS柵格模型和GIS數(shù)據(jù)模擬滑坡滑動過程時，滑坡體將沿主滑方向滑動，直到其安全系數(shù)上升到1為止。所有的計算均可通過一個稱為三維邊坡地理信息系統(tǒng)（3DSLOPGIS）的計算程序來完成，該程序主要利用GIS的空間數(shù)據(jù)處理分析功能。

【關(guān)鍵詞】確定性模型　地理信息系統(tǒng)（GIS）　蒙特卡洛（Monte-Carlo）模擬　滑動模擬　三維邊坡穩(wěn)定性

1　引言

滑坡不穩(wěn)定性和風(fēng)險評價不但已成為地學(xué)家和工程專家們感興趣的主要課題，同時也成了世界各地政府部門和管理者關(guān)注的焦點。據(jù)統(tǒng)計世界上每年約有600人葬身于滑坡災(zāi)害中。在許多發(fā)展中國家，自然災(zāi)害所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，占總國民生產(chǎn)總值的1%～2%。

近年來，由于地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能，被廣泛運用于自然災(zāi)害評價領(lǐng)域。GIS是由硬件和軟件組成的系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、輸入、操作、轉(zhuǎn)換、可視化、組合、質(zhì)疑、分析、建模和輸出等過程。GIS對空間數(shù)據(jù)具有強(qiáng)大的分析和處理功能。同時，基于GIS的地質(zhì)技術(shù)分析模型，可以簡便而有效地分析滑坡穩(wěn)定性。目前它已經(jīng)被廣泛地用于土木工程和地質(zhì)工程中，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析。

我們通常認(rèn)為一個傳統(tǒng)的模型無論是對均質(zhì)滑坡還是非均質(zhì)滑動都是適用的。穩(wěn)定性指數(shù)是被廣泛應(yīng)用的、基于巖土工程模型和物理力學(xué)參數(shù)的安全系數(shù)。安全系數(shù)的計算需要幾何數(shù)據(jù)、剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)及孔隙水壓力數(shù)據(jù)，正確的結(jié)果取決于可靠的數(shù)據(jù)和恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?。盡管輸入的數(shù)據(jù)會較大程度地影響安全系數(shù)，但一個可靠的確定性模型對于取得可靠結(jié)果則更為重要。確定性計算可在GIS系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行，也可利用其他程序完成。若使用其他程序計算，則GIS只作為一個空間數(shù)據(jù)庫用來存儲、顯示、更新輸入數(shù)據(jù)。此方法主要優(yōu)點是利用外部模型計算可以節(jié)約時間；而其缺陷是對從外部模型獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化時較為復(fù)雜。因為每一個程序都有其自己的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為一個主要的問題。有些程序的輸入模塊只允許人工輸入數(shù)據(jù)。只有當(dāng)這些程序所默認(rèn)的數(shù)據(jù)格式都是 ASCII碼時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換才可直接進(jìn)行。運用外部模型的另一個缺點是計算結(jié)果通常不是按GIS的空間分布模式來表達(dá)，而是以點或線的形式表述的。因此，改變這種計算結(jié)果的表達(dá)形式也是個主要的問題。

用來計算安全系數(shù)穩(wěn)定性模型的邊坡是二維或三維的。因為一個地區(qū)包括很多邊坡，而且必須分別對每個邊坡做分析，所以利用這些模型計算安全系數(shù)的空間分布非?；ㄙM時間。要克服數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的困難，可以利用GIS內(nèi)部確定性計算模型來實現(xiàn)。然而這一方法也有缺點，那就是由于應(yīng)用復(fù)雜算法、迭代過程及在常規(guī)二維 GIS中的三維體積等復(fù)雜局限性，使得只有簡單的模型能較容易實現(xiàn)。當(dāng)前，只有基于GIS的無限邊坡模型能分別計算出每個像元的安全系數(shù)。研究表明，只有當(dāng)越來越多的成熟的三維模型和GIS系統(tǒng)得到使用后，才能徹底解決這類問題。

從近來對 GIS用于邊坡穩(wěn)定性分析的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大部分研究者潛心于運用統(tǒng)計學(xué)方法來確定邊坡破壞與影響因素之間的關(guān)系。盡管GIS能對區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行了準(zhǔn)備和處理，但是只有極少量的研究者運用了GIS的集成功能和邊坡穩(wěn)定性的確定性模型。

即使在很短的距離范圍內(nèi)，邊坡破壞在空間上都有其不同的幾何結(jié)構(gòu)。因而，運用三維模型分析邊坡穩(wěn)定性是合理的。從20世紀(jì)70年代中期以來，三維穩(wěn)定性模型的發(fā)展和運用日益受到關(guān)注。在地質(zhì)力學(xué)的著作中提到了幾個三維分析方法。

上面提到的大部分方法都用到了柱狀圖法。這些方法將柱體之間的作用力，或者說作為三維安全系數(shù)計算的假定前提，都忽略不計。因為所有與斜坡相關(guān)的GIS數(shù)據(jù)都可轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)，所以這些基于三維模型的柱體，就可能借助于使用GIS柵格數(shù)據(jù)用來進(jìn)行三維穩(wěn)定性的計算。然而，長期以來大家習(xí)慣采用人盡皆知的“一維模型”——“無限斜坡”模型，來描述滑動面與地面平行的長期天然邊坡的潛在危險性。這樣的模型僅僅可以用于淺層斜坡失穩(wěn)分析和一些存在深層滑坡的區(qū)域性研究。

由于算法復(fù)雜、步驟重復(fù)和三維數(shù)據(jù)在二維GIS中難于表達(dá)，早期的文獻(xiàn)中并沒有提及三維確定模型的應(yīng)用。為了克服 GIS數(shù)據(jù)的外部轉(zhuǎn)換和GIS內(nèi)部算法復(fù)雜等困難，此次研究中，在GIS軟件組件（a GIS component）中使用了Visual Basic程序。三維因子的計算和滑動過程的模擬由計算機(jī)內(nèi)的三維邊坡地理信息系統(tǒng)（3-DSLOPGIS）的計算程序完成。在這個系統(tǒng)中，GIS組件（ESRI公司生產(chǎn)的MapObjects2.1）可以完成所需的GIS功能，就像普通的GIS軟件一樣，它可以有效的管理和分析所有與滑動相關(guān)的數(shù)據(jù)。所有用來計算三維斜坡安全系數(shù)的數(shù)據(jù)都采用GIS的數(shù)據(jù)格式（例如矢量和柵格數(shù)據(jù)層），因此，沒必要在GIS數(shù)據(jù)格式和其他程序的數(shù)據(jù)格式之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；同時，復(fù)雜算法和三維問題的交互程序也可以理想的實現(xiàn)。

在此次研究中，將基于GIS柵格數(shù)據(jù)和基于柱狀圖的三維邊坡穩(wěn)定性分析模型相結(jié)合（Hovland,1977），演繹了一個新的基于GIS柵格的三維確定性分析模型。

運用蒙特卡洛隨機(jī)模擬方法求最小安全系數(shù)值，從而確定臨界滑動條件。假定基本滑動面是一橢球體的較低部分，臨界滑動則受不同地層受力情況和不連續(xù)界面狀況的影響而變化?？陀^事物的這種變化引出最小三維安全系數(shù)。

如果滑坡的三維安全系數(shù)小于1，滑坡就有滑動的危險，那么評估滑坡災(zāi)害的規(guī)模和影響范圍是非常重要的。因此，在此研究中，采用基于GIS三維柵格數(shù)據(jù)模型和GIS柵格數(shù)據(jù)來模擬滑坡滑動過程的目的，就是評估滑坡危險性和預(yù)測其影響范圍。

2　基于GIS的三維模型

利用GIS的空間分析功能，所有與三維安全系數(shù)計算有關(guān)的輸入數(shù)據(jù)（如高程、傾向、坡度、地下水、地層、滑動面和力學(xué)參數(shù)等）都有其對應(yīng)的柵格元，而所有與斜坡相關(guān)的數(shù)據(jù)都是柵格化的。當(dāng)這些數(shù)據(jù)輸入到確定的邊坡穩(wěn)定性模型中時，就可計算出一個安全系數(shù)值。下面在Hovland模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹基于GIS的三維模型。在這個模型中，考慮了孔隙地下水壓力，所有輸入數(shù)據(jù)都能簡單地轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。

圖1是具有潛在滑動面的滑體的三維幾何示意圖?；碌姆€(wěn)定性與地質(zhì)巖層、地貌、地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和水動力條件有關(guān)。

圖1　邊坡坍塌三維景觀

圖2所示是土壤（或巖石）小柱狀研究體物質(zhì)的離散性。所有與滑坡相關(guān)的數(shù)據(jù)都可用如圖2所示的柱狀三維可視圖來表示。假定每一個柱體單元的垂面均為無摩擦面（柱體單元的垂面不受其他邊界影響，或其影響可忽略不計），三維安全系數(shù)可用公式（1）表示：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

式中：F3-D為三維斜坡安全系數(shù)，W為一個柱體的重量，A為滑動面面積，c為內(nèi)聚力，φ為內(nèi)摩擦角，θ為滑動面的角度，而J、I為在斜坡破壞范圍柵格內(nèi)的行列數(shù)和柱體數(shù)。如果沒有GIS，則基于柱體模型的三維安全系數(shù)的計算將是冗長且耗時的工作，數(shù)據(jù)的更新和增加也極其不便。然而，在GIS中，通過運用GIS空間數(shù)據(jù)處理與分析功能，整個研究區(qū)的邊坡穩(wěn)定性相關(guān)數(shù)據(jù)可用如圖3所示的矢量圖層來描述；而對于每一層，則可通過GIS空間數(shù)據(jù)處理與分析功能得到柵格數(shù)據(jù)，其像元大小可根據(jù)精度需要而定。

圖2　滑動面和三維棚格柱狀圖

現(xiàn)在，將斜坡破壞劃分為基于柵格數(shù)據(jù)的柱體。參考圖2，諸如地表、地層、地下水、裂縫和滑動面之類的空間數(shù)據(jù)均可從柵格數(shù)據(jù)層中得到。因為與斜坡相關(guān)的數(shù)據(jù)量非常大，所以不能高效的管理所有的柵格數(shù)據(jù)集。因此，在三維邊坡地理信息系統(tǒng)中，有一個專門儲存這些柵格數(shù)據(jù)的點數(shù)據(jù)庫，其中，有一個屬性表用來鏈接所有與滑動相關(guān)的數(shù)據(jù)。每個柵格柱狀圖的中心點設(shè)置點類型，其他區(qū)域則設(shè)置與滑坡相關(guān)的一些數(shù)據(jù)（例如地面高程、地層和裂縫的高程、地下水、滑動面的深度等等）。表1所示即是屬性表的一個實例。

圖3　邊坡穩(wěn)定性分析GIS圖層

表1　點數(shù)據(jù)庫的實例描述

另一方面，為了控制滑坡邊界和有效管理空間數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，滑坡的邊界線被定義為多邊形類型文件。

基于這種點數(shù)據(jù)庫，公式1可以改成基于GIS的方程。這里所有的阻力和滑力都是沿著滑動方向的，而不必如 Hovland的模型所用的Y軸方向。在本研究中，假定斜坡區(qū)域的主要傾斜方向為可能滑動方向。根據(jù)圖4，滑動表面面積可由公式（2）得到。

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

從圖4推導(dǎo)出如下公式：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

接著，x和y軸的傾角推導(dǎo)如下：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

記α＝cellsize/cosθxz和b=cellsize/cosθyz，則一個柵格柱狀圖的滑動面面積為：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

滑坡范圍主滑動方向的傾角計算公式如下：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

至此，三維邊坡水平滑動方向安全系數(shù)可以用下面的公式計算：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

圖4　三維安全因子推導(dǎo)公式的一個柵格柱狀圖

這里，對于每個柵格，Zji,zji分別為地表高程和滑動面高程，uji為在滑動面上的孔隙水壓力，而 γ′為單位重量。

為了檢驗基于柵格的GIS三維穩(wěn)定分析模型，我們運用這個模型做了一個實例計算。實例問題為一個均質(zhì)的粘土滑坡，具有球形滑動面，其他各種參數(shù)如圖5所示。在圖5中，c為內(nèi)聚力，φ為摩擦角，R為瞬時摩擦力，γ為土的單位重量。運用封閉式（closed-form）算法得出三維安全系數(shù)為1.402。運用CLARA模型算得安全系數(shù)為1.422。同樣的問題運用三維邊坡模型算得三維安全系數(shù)范圍為1.386到1.472，它取決于用于被分離的邊坡柱體的數(shù)量。

圖5　實例問題驗證

運用基于GIS柵格的三維穩(wěn)定分析模型（圖5），并將格網(wǎng)尺寸定為0.5m時，算得三維安全系數(shù)為1.386；而當(dāng)格網(wǎng)尺寸為0.6m時，算得安全系數(shù)為1.388。很明顯，與封閉式算法相比，基于柵格模型的GIS可有效的用于三維邊坡穩(wěn)定性評估。

3　確定臨界滑動表面和蒙特卡洛模擬

滑動面只能通過巖土工程調(diào)查來確定，由于地質(zhì)調(diào)查的費用比較昂貴，因此滑動面通常是很難確定的。因此，邊坡穩(wěn)定性評價對臨界滑動面的確定是非常重要的。

為了判定三維臨界滑動情況，利用蒙特卡洛隨機(jī)模擬方法來計算三維安全系數(shù)最小值。假定最初的滑動面是一個橢球體的較低部分，邊坡表面則根據(jù)不同地層受力情況和不連續(xù)界面條件而改變。最終得到危險滑動面，同時可得到相關(guān)三維安全系數(shù)的最小值。

4　橢圓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

假定最初的滑動面是一橢球體的較低部分，橢球體的傾斜方向設(shè)置為與研究區(qū)主要的傾斜方向一致；將橢圓的傾角基本上設(shè)定得與研究區(qū)起伏變化的傾角接近。其主傾向為α，主傾角為β，它們是由邊坡破壞區(qū)域主要柵格像元的值確定的。假定傾向和傾角屬正常分布，則將主傾向α和傾角β代入分布模型中：

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

運用公式（10）和（11）完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。圖6顯示了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程。

圖6　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

式中：x、y、z為全球大地坐標(biāo)，

為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，x0、y0、z0為橢球體中心點坐標(biāo)。

5 Z值的確定和滑動面的傾斜度

滑動面上“B”點的Z值是根據(jù)直線 AB和橢圓，由公式（12）計算的結(jié)果確定的（見圖7）。

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)方法論文集

對于每個柵格像元，滑動面的傾向和傾角可通過下面的公式計算得出，像元（j,i）的傾角可以通過圖8中點1～4的Z值來確定。點1～4的值由公式（13)(14)(15）算出，滑動面的傾向和傾角由公式（16）算出。

圖7　確定滑動面上的Z值

圖8　滑動傾角的計算

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這里，Z(j,i）為像元（j,i）的Z值，θ為傾角，β0是相對于X軸的傾向。在GIS中，傾向是與 Y軸之間的夾角。因此，當(dāng)最高點是點3時，傾向是90－β0；當(dāng)最高點是點4時，傾向是90＋β0；當(dāng)最高點是點2時，傾向是270－β0；當(dāng)最高點是點1時，傾向是270＋β0。

6　隨機(jī)模擬

為了確定臨界滑動面，蒙特卡洛模擬通常用于為三維邊坡穩(wěn)定性分析選擇變量。這些變量是橢球體的中心點、幾何參數(shù)和傾角。橢球體的中心點作為研究區(qū)的中心點需要首先確定，然后在一個確定的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。

橢球體的幾何參數(shù)a、b、c是由用戶在一定范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)定的，確定范圍如公式（17）：

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假定a,b,c都均勻分布，則蒙特卡洛模擬的隨機(jī)變量由公式（18）和（19）來算出。

在[0,1]范圍內(nèi)平均分布的隨機(jī)變量可通過全等乘積方法得出：

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式中：ri為在[0,1]范圍內(nèi)平均分布的隨機(jī)變量。在[a,b]范圍內(nèi)平均分布的隨機(jī)變量可由公式（19）計算得出。

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式中：xi為在[a,b]范圍內(nèi)平均分布的隨機(jī)變量。

橢球體的傾角設(shè)定為平均分布的一個隨機(jī)變量。平均分布范圍為主傾角及其在一個確定的波動范圍之內(nèi)變化的變量。

7 計算三維安全系數(shù)最小值的過程

整個研究區(qū)（或邊坡破壞范圍）可以被均分為若干小矩形柵網(wǎng)，如同基于柵格的GIS一樣。關(guān)于基于柵格的三維邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值計算，所有的計算過程都可以通過前面提到的Visual Basic（利用GIS組件）來完成。這個軟件叫三維邊坡地理信息系統(tǒng)，是運用 Visual Basic 6.0和ESRI公司生產(chǎn)的MapObjects 2.1開發(fā)的。MapObjects作為GIS的一個組件，用來對GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和空間分析。計算三維安全系數(shù)的過程如圖9所示。

圖9　三維安全因子最小值計算過程

在這個過程中，數(shù)據(jù)模塊的功能用來獲得所有與邊坡相關(guān)的地質(zhì)、地貌、水動力學(xué)數(shù)據(jù)和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)；隨機(jī)變量參數(shù)模塊用來隨機(jī)選擇蒙特卡洛模擬的實驗滑動面；三維邊坡穩(wěn)定性模塊可用于計算三維安全系數(shù)；而危險滑動面及其安全系數(shù)可以通過一些實驗計算得出。在圖9中可以看到，關(guān)于GIS空間分析功能的所有模塊可以通過GIS組件來實現(xiàn)。因為一個GIS組件是在三維邊坡地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)中完成的，所以可以有效地計算三維安全系數(shù)；同時利用與邊坡相關(guān)的GIS數(shù)據(jù)，所有的相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果可以在三維邊坡地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)中實現(xiàn)可視化。

實例剖面如圖10所示。在這個實例中考慮的因素有：4個地層、地下水和破壞面；其物理和力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2　研究實例的物理和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

圖10　斷層面研究實例

圖11　計算次數(shù)與最小三維安全因子實驗

為確定臨界滑動面，對蒙特卡洛隨機(jī)計算次數(shù)進(jìn)行了實驗，總共計算次數(shù)達(dá)到了1000次。每次實驗計算的三維安全系數(shù)最小值的結(jié)果如圖11所示。圖中明確顯示在實驗計算了300次后，得到的安全系數(shù)最小值。這300次實驗的結(jié)果見圖12，這些計算結(jié)果差別不太大，其最小值為1.34，最大值是1.68。這個臨界滑動的研究程序是建立在最小安全系數(shù)的計算基礎(chǔ)之上的。而最小安全系數(shù)的計算結(jié)果取決于參數(shù)的隨機(jī)選擇。有關(guān)這一臨界滑動實例的三維可視圖見圖13。通過三維模型與二維模型結(jié)果的比較，用Janbu法確定臨界滑動面時，使用的是圖10所示的二維模型和表2所列的參數(shù)，通過這種二維模型計算出的安全系數(shù)為1.18，這要比用三維模型計算出結(jié)果的極小值（1.346）略小一點。

圖12　三維安全因子分布曲線

8　滑坡滑動過程模擬

基于GIS柵格三維邊坡穩(wěn)定性分析模型和GIS柵格數(shù)據(jù)，對滑坡滑動過程進(jìn)行了模擬，直到三維安全系數(shù)大于1為止?；瑒臃较虬椿瑒用娴闹骰较虼_定。圖14中展示了由滑動面確定的八個滑動方向。例如，若滑面方向的傾角在22.5°～67.5°之間，則滑坡將要滑動的方向恰在該圖的右上方（即“5”方向）。

圖13　臨界滑動面三維展視圖

圖14　滑動面的滑動主傾向

圖15　滑坡滑動過程模擬流程方框圖

滑坡滑動過程的模擬流程見圖15。首先，要計算滑坡初始狀態(tài)時的三維安全系數(shù)，以確定其滑動的可能性。若其安全系數(shù)小于1，則接著進(jìn)行下一步滑動過程模擬。先沿著由滑面主傾向確定的滑動方向移動滑坡多邊形；接著，在新的滑坡多邊形范圍內(nèi)，分步（每一步等于一個柵格大?。┯嬎忝恳粋€柵格的DEM和滑動的變化，并再次計算下一步滑動的新滑動方向。并在新的DEM數(shù)據(jù)和滑動多邊形范圍的基礎(chǔ)上，計算出新的三維安全系數(shù)。如果三維安全系數(shù)仍然小于1，則進(jìn)行以下的新滑動步驟模擬。

在這種滑動模擬模型中，假定滑動面內(nèi)摩擦角不改變，但除了在初始三維邊坡安全系數(shù)的計算過程之外，假定滑動面沒有內(nèi)聚力（即內(nèi)聚力為零）。

仍然用同樣的實例（如圖5所示），用不同的兩種動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行滑坡滑動過程模擬：

情況1:c=4kN/m2，φ＝110,y=23kN/m3

情況2∶c=6kN/m2，φ＝10.5°，γ＝23kN/m3

第一種情況下，初始邊坡安全系數(shù)為0.82，在進(jìn)行7步滑動之后，滑坡體開始趨于穩(wěn)定，其安全系數(shù)是1.04。部分滑動步驟剖面及三維視圖變化如圖16所示。在此圖中，DEM的改變及滑坡體移動過程一目了然。運用三維邊坡地理信息系統(tǒng)，也可將可視滑動過程表現(xiàn)為GIS地圖和剖面圖的形式?；麦w沿水平方向的最終滑動距離為3.0m。

圖16　不同滑動階段的地表和剖面三維視圖

第二種情況下，滑坡體將一直向下滑動到平坦地區(qū)，水平方向滑動距離為14m。滑坡體最后停止滑動位置的三維展視圖如圖17所示。

圖17　滑坡體最后停止位置

9　討論和結(jié)論

在三維邊坡穩(wěn)定性柱狀分析模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一個全新的基于GIS柵格的三維確定性模型，并且通過一個問題實例證實了其正確性。在三維邊坡穩(wěn)定性分析模型中，假定其初始滑面為一橢球面；其三維臨界滑面，是利用蒙特卡洛隨機(jī)模擬求取最小三維安全系數(shù)而確定的?；贕IS的柵格三維模型，滑坡滑動過程模擬用于判斷滑坡災(zāi)害和預(yù)測滑動距離。已開發(fā)了作為計算程序軟件的三維邊坡地理信息系統(tǒng)，它足以完成一切有關(guān)三維邊坡問題的計算，其中的GIS組件用于實現(xiàn)GIS的空間分析功能和有效數(shù)據(jù)的管理。因其具有空間分析、數(shù)據(jù)管理和與邊坡相關(guān)的綜合數(shù)據(jù)的GIS可視化等優(yōu)點，所以三維邊坡穩(wěn)定性問題已經(jīng)比較易于研究。自打全新的基于GIS柵格三維邊坡穩(wěn)定性分析模型問世，就為慣于使用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法研究邊坡穩(wěn)定性的工作者拓展了一個新的研究領(lǐng)域和數(shù)據(jù)庫方法。

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