摘要：本文基于ARCGIS Engine和Visual C#，研究了三峽庫區高切坡位移監測數據管理系統的實現，系統提供了位移監測數據的計算、入庫、編輯、統計等功能。并在該系統的基礎之上，研究了預警模型在三峽高切坡項目中的適用性，選擇GM（1,1）模型進行了實現。
關鍵詞：三峽庫區高切坡 位移監測 預警模型
Abstract: Based on ARCGIS Engine and Visual C #, “The High Cutting Slope Displacement Data Management System In Three Gorges Reservoir Area” is developed. This system provides calculation, storage, editing and statistics functions of the displacement monitoring data. Then based on this system, a research about the applicability of the early-warning models in the Three Gorges project is performed, and GM(1,1) model is selected and developed.
Keywords: the high cutting Slope in Three Gorges reservoir area, displacement monitoring, early-warning models

1、背景
人類工程活動對自然斜坡的改造而形成的人工邊坡，在三峽庫區稱為切坡，巖質邊坡的高度大于15米和土質邊坡高度大于8米的邊坡在三峽庫區稱之為高切坡[1]。三峽庫區在大規模移民遷建工程建設中，隨著移民新城鎮和居民點的建成，以及移民新址的街道、房屋、基礎設施等和公路、港口等專業設施建設，由于建設區地形起伏較大，不可避免形成了大量的高切坡。如果施工時處理不當或監測措施不利，高切坡易發生滑坡以及崩塌等地質災害，易造成十分嚴重的人員傷亡和財產損失[2]。
由于三峽庫區高切坡災害防治量大面廣，很難在短時間內對其進行全面治理，因此應確立“以防為主、治理為輔”及“全面預報、重點防治”的近期滑坡防治工作方針，并加強針對高切坡的監測預警工作。現階段三峽庫區高切坡的監測以位移監測為主，因此如何有效地管理和利用位移監測的結果，使之為高切坡的監測預警工作提供更有效的支持就成了一個急需解決的問題。
受國務院三峽工程建設委員會辦公室移民安置規劃司委托，清華大學3S中心承擔了“三峽庫區高切坡監測預警信息系統軟件開發及數據庫建設”這一重要項目的建設工作。本文的研究是該項目的一個重要組成部分，其主要內容在于建立一個基于GIS的高切坡位移監測數據的錄入及管理平臺，并在此基礎上應用一些適用性較好的模型進行預警分析。
2、系統概況
系統使用ARCGIS Engine 9.2 + Visual C# 進行開發，數據庫采用SQLSERVER2005，包括相關空間數據的表達及基本GIS功能模塊、高切坡位移監測數據的錄入及管理模塊、預警分析模塊這幾個主要組成部分。主要界面如下圖所示：
3、空間數據及基本GIS功能模塊
    該模塊首先載入并顯示了三峽庫區的基礎地理數據（包括政區、道路、水系、居民地以及高切坡點位等）以及遙感影像數據(包括SPOTS、Quickbird、Ikonos等)，還在此基礎上實現了下列基本GIS功能，以方便用戶對數據進行瀏覽、分析和修改：
l  基本地圖瀏覽：包括放大、縮小、全圖、刷新，屬性查詢等基本瀏覽操作
l   圖層操作：包括圖層控制、添加刪除圖層等
l   查詢功能：由于本系統以高切坡為操作主體，所以提供了對高切坡進行查找及定位的功能
l   基本分析功能：包括選擇操作，緩沖區操作等
l  結果表達：將預警的結果在圖層上表達出來
4、位移監測數據的錄入及管理模塊
  位移數據均存放在SQLSERVER數據庫的數據表中，表結構的設計為：

其中，高切坡編號及監測點編號為各高切坡及監測點對應的唯一標識編號；監測時間為該次進行位移監測的時間；觀測值X、Y、Z為該次監測所得的坐標值（54坐標系下，單位為米）；本期X、Y、Z位移為本期的監測所得的相應值與上期監測所得的相應值相減所得的值，也即從上期到本期這一段時間內監測點的位移值（單位為毫米）；本期X、Y、Z法向位移為將X、Y、Z方向的合位移矢量投影到坡面上之后得到三個方向位移的絕對值（單位為毫米），該值更直觀地反映了坡面上的位移。
位移監測數據管理的界面如下圖所示，由圖可見，該模塊包括監測數據查詢、修改、數據統計及數據導入等功能。
監測數據管理的操作流程為：每周期使用GPS或全站儀對高切坡進行位移監測，監測完畢后對所得的數據進行計算處理，并將處理結果按模板整理好，即可將其導入上圖所示的界面，確認所導入的數據無誤后，即可通過“保存編輯”功能將其存入數據庫。在存入數據庫之后，用戶可通過“查詢”功能對數據進行查詢，還可通過提供的編輯及統計功能對數據進行修改或統計。整個處理過程的流程圖及數據導入模板示意圖如下：
5、預警分析模塊
目前，邊坡的分析及預警模型算法種類非常多，主要有定性評價方法、定量評價方法、非確定性分析方法、物理模型方法和現場監測分析方法等幾大類。這些方法的原理各不相同，所以它們有著各自的優缺點、數據需求和適用條件。在具體的模型使用上我們需要根據具體情況來選用適用性較好的模型算法來對高切坡進行分析。
在本系統中，對高切坡的穩定性計算和評價的依據是每個監測周期所得的位移監測結果。所以，選取的模型所需求的數據種類不能太多，最好是僅根據單一種類的源數據即可推測出邊坡當前的狀況及未來一段時間內的發展趨勢；此外，由于評價依據（也即位移監測）的精確度非常高，所選取的模型最好以精確計算及對比為主，對模型的計算復雜度沒有特殊的要求，但得出的結果必須有較高的精確性和可信度。
基于以上約束條件，系統選取了基于灰色系統的GM(1,1)模型算法來對位移監測數據進行分析計算。部分信息已知（白），部分信息未知（黑）的系統稱灰色系統[3]，而GM(1,1)算法的本質在于根據系統中的已知信息，找出其中存在的規律，來求解系統中的未知信息。該算法的輸入參數為一個數列 ，輸出參數為該數列的預測值 ，其主要計算流程如下[4][5]：
月，而分析源數據選擇了之前4次監測的位移值，則程序將在數據庫提取2007年11月至2008年2月的4次數據生成數列，再根據模型算法計算得出2008年3月的預測值，將預測值與數據庫中實際的位移值進行比較，如果預測值超過實際值一定比例，則認為該高切坡處于危險狀態中。
模型分析計算完畢后，有兩種結果輸出方式：一種是生成word報告，這種方式將所有處于高切坡的狀態都將在報告中被列出，并將其實際的位移值與預測的位移值均顯示在報告中，用戶還可以控制是否在報告中顯示圖片，如果選擇是，則程序將從地圖窗口截取所處于危險狀態的高切坡附近的圖片，插入到報告中。
另一種方式為在地圖上表示分析結果，這種方式將根據模型運算的結果，在地圖中用不同的標記將不同危險狀態的高切坡區分表示。
6、結語
本文根據三峽庫區高切坡的實際情況，完成了基于GIS的高切坡位移監測數據管理系統，并在該系統的基礎上進行了預警模型的分析、選擇及實現，提供了一套完整且運行效率較高的監測——管理——入庫——統計——分析的解決方案。但也存在一些不足之處，其中最主要的是模型預測結果的不穩定性，雖然在大部分情況下GM模型能給出較令人滿意的預測結果，但如果提供的數列內在規律性很差，或者在所提供的信息量過少的情況下，預測結果會出現很大的偏差。通過采用改進的優化算法或通過多模型協同分析的方法可能削弱這種不穩定性，這個問題也是未來研究的重點之一。