gis技术路线图 gis技术工作原理

工程地质稳定性评价方法——以丽江-香格里拉段为例

一、概述

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随着滇藏铁路工程的分段实施，丽江-香格里拉段的规划设计已纳入日程。但是，由于该段地形地貌和地质条件非常复杂，虽然经过多轮论证，线路仍难最后确定。按照初期规划（图13-1），滇藏铁路丽江-香格里拉段共有3个走向方案可以比选：①丽江-长松坪-虎跳峡上峡口-香格里拉方案（西线方案）；②丽江-大具-白水台-小中甸-香格里拉方案（组合方案）；③丽江-大具-白水台-天生桥-香格里拉方案（东线方案）。初步分析认为，西线方案工程地质条件相对较好，可以作为推荐方案，该方案需要新建铁路隧道34座，总长87130 m，占该段线路总长的54.4%，最长的隧道是位于丽江西北的玉峰寺隧道，全长10970 m；需要新建铁路大桥39座（10253 m），涵洞182座（4547 m），桥涵占线路总长的9.2%。复杂的工程地质条件使得该方案仍存在许多问题，且工程建设难度大。

为了更好地指导该段铁路选线，我们在区域地壳稳定性评价的基础上，将基于GIS技术的层次分析法引入到丽江-香格里拉段铁路规划区的工程地质稳定性评价（工程地质条件评价）。在评价过程中，综合考虑地形坡度、工程地质岩组、斜坡结构、地质灾害发育现状、地壳稳定性、微地貌类型（地形与铁路设计高程高差）、人类工程活动、降水量、距离沟谷距离等因素，充分利用GIS技术处理海量数据信息的优势，采用层次分析法模型，进行丽江-香格里拉段铁路规划区的工程地质稳定性评价。基于评价结果，可以很好的指导该段线路比选和优化。

二、基于GIS的层次分析法原理

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）是美国数学家SattyT.L.在20世纪70年代提出的一种将定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它适用于多准则、多目标的复杂问题的决策分析，可以将决策者对复杂系统的决策思维过程实行数量化，为选出最优决策提供依据（图13-2）。经过多年的应用实践，不少研究者开始将GIS技术与AHP方法相结合，大大提高了传统的AHP方法在地学研究中的应用效果（Harris et al.，2000；刘振军，2001；彭省临等，2005）。基于GIS的层次分析法充分利用GIS技术的空间分类和空间分析功能，在评价指标数据采集、处理和自动成图方面具有明显的优势，不仅可以对工程地质稳定性的相关影响因素进行更细致的逐次分析，而且在计算过程中不受计算单元数量的限制，因而评价结果更直观、更便于应用。

图13-1 滇藏铁路丽江-香格里拉段线路方案示意图

图13-2 基于GIS的层次分析法技术路线图

基于GIS层次分析法的工程地质稳定性分区评价过程大致可分为以下步骤：

（1）确定研究区、研究对象及研究目标，并进行数据分析，确定进行工程地质稳定性分区所需要的数据，包括数据来源、数据质量指标等。

（2）将收集的各种资料进行数据处理，包括在MapGIS 6.7软件平台上进行数字化、格式转换、投影转换、分层及属性编码等，建立研究区、研究对象的空间数据库。

（3）根据研究目标的特征，分析影响目标的因素，建立目标的层次指标模型和层次结构，构造判断矩阵，由专家对影响因素进行综合评分，并进行层次单排序、求解权向量和一致性检验，从而获得各指标因素值，并运用GIS空间分析功能提取分析因子。

（4）采用ArcGIS 9.2软件平台，对评价区域进行栅格化，每一个栅格作为模型评价的一个运算单元，并将数据库中的数据按照规则进行栅格化处理。再采用图形叠加的模型评价方式，将参与评价的各个因素权值分配到不同的栅格上。将各个因素进行图形叠加，对属性值进行代数运算，再将叠加后的栅格数据化，生成新的图形，并形成最终评价结果。

（5）工程地质稳定性分区评价的数学模型：

滇藏铁路沿线地壳稳定性及重大工程地质问题

式中：B——工程地质稳定性指数，aj——权重，Nj——指数。

（6）通过分析计算获得的工程地质稳定性指数值的分布范围，结合野外实际调查结果验证，对不同区域的铁路工程建设适宜性进行综合分区评价。

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制作技术路线图之前首先要明确论文的写作内容，拟定研究逻辑，使得最终制作的技术路线图清晰明了，给阅读者一目了然的感觉！

然后在word中使用流程图的方式将论文的技术路线逐一进行明确，涉及到的主要内容都用进行细分。

如下图：

主要研究内容和技术路线

4. 2. 1 研究内容

为保证东欢坨矿区石炭-二叠纪地层中 12-2 煤层能够安全开采，本课题主要根据所收集的资料( 东欢坨地质报告、东欢坨水文地质图、东欢坨 12-2 煤层采掘平面图等) ，运用 GIS与 BN 相结合的方法计算出各评价单元的突水概率，并以此为依据对研究区进行煤层底板突水危险性评价，最终针对不同底板突水概率区域提出相应的防治措施。具体研究内容为如下几个方面:

( 1) 研究 GIS 与 BN 的耦合技术，对其应用于煤层底板突水进行可行性分析。

( 2) 建立煤层底板突水危险性评价基本理论体系。

( 3) 通过对煤层底板突水的主要影响因素的分析，建立包括地质构造特征、含水层条件、隔水层条件和开采活动 4 个方面的煤层底板突水评价指标体系。

( 4) 利用 GIS 的数据采集功能和空间分析功能对收集到的相关资料进行量化，建立各个评价指标的专题图，并同时建立了空间数据库。在此基础上对各子专题图进行叠加分析，确立评价单元，并生成多属性联合的空间数据库。

( 5) 在数据库建立的基础上，应用 BN 软件建立煤层突水的 BN 模型，进行模型解释和模型分析; 编程设计实现 BN 模型推理模块，快速、批量计算出各评价单元的突水概率，以此为依据应用 GIS 空间分析模块，输出了煤层区域突水危险性评价图。

( 6) 提交最终煤层突水态势评价成果图并对成果进行分析，提出相应的防治措施。

( 7) 利用 BN 模型、BN 推理模块、空间数据库以及 GIS 空间分析等模块，统筹设计“煤矿突水态势评价监测系统”，便于预测成果的查询、分析以及突水概率的更新推理，从而为相关政策的制定提供决策支持。

4. 2. 2 技术路线本项目研究对象是东欢坨煤层底板突水区域危险性评价，目的是从煤层底板突水形成的基本条件、诱发动力分析入手，判明哪些区域容易发生突水以及发生突水的概率等。其研究方法主要是从地质因素和采矿因素出发，采用数理统计和人工智能等定量的数学方法，结合东欢坨煤层突水调查结果，判定研究区内不同位置煤层底板突水发生的可能性大小，最终探索出了一条矿井突水危险性评价的可行途径。具体研究路线如图 4. 1 所示。

图 4. 1 技术路线图

(1)资料收集:收集研究区自然地理、地质、水文地质、钻孔等相关方面资料，并按照底板危险性评价所需加以整理提取;

(2)评价指标体系构建:翔实系统地分析确定控制煤层底板突水的因素，正确建立煤层底板突水的评价指标体系;

(3)评价指标专题图建立:在煤层底板突水因素分析确定的基础上，以GIS的空间数据统计分析功能为操作平台，利用它强大的空间信息处理分析能力，对各种图形信息进行量化，建立煤矿底板突水各评价因子的子专题图层;

(4)多因素叠加分析确定评价单元:应用GIS的空间分析功能进行多源地学信息的复合叠加，实现同一区域、统一地理坐标的不同信息的叠加，确定研究区评价单元，同时生成空间属性数据库;

(5)BN建立:基于空间属性数据库，应用Genie软件，运用BN的相关知识构建突水因素和突水事件的BN图;

(6)BN分析:通过BN分析得到最利于突水发生的因子状态组合;

(7)BN推理:在C#开发环境下，加入Genie中提供的SmileNet组件，进行编程，实现Genie与GIS的数据接口，完成BN的概率计算及BN概率推理;

(8)评价分区:依据上述概率计算结果，应用GIS的显示功能将煤层底板突水危险程度进行分区划分显示，得出煤层底板突水危险性评价图;

(9)运用样本二分法对评价模型进行验证，证明此评价方法的可行性。