地质灾害与环境环境
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
　1999年　第10卷　第4期　Vol.4　No.12 1999



地质灾害预测评价模型库系统设计原理
李向全　胡瑞林　张莉
摘要：以地面沉降、岩溶塌陷、海岸侵蚀为主要研究灾种，运用模型库技术理论，成功地研制了地质灾害预测评价模型库系统。在研究过程中，除吸收已有先进技术外，还在模型生成、模型管理等方面开展了大量创造性的工作。这对于探索地质灾害减灾决策支持系统建设技术途径，提高地质灾害防治技术水平，具有重要的实际意义。
关键词：地质灾害；模型库；系统
中图分类号：X141；TB115
文献标识码：A
文章编号：1006-4362(1999)04-0018-06
PRINCIPLE OF DEVELOPMENT OF THE MODEL BASE SYSTEM
IN GEOLOGY HAZARDS PREDICTION AND EVALUATION
Li Xiangquan 　Hu Ruilin 　Zhang Li
(Institute of Hydrogeology and Engineering Geology,CAGS,Zhengdin,Hebei　050803)
Abstract：The authors has successfully developed the model base system in geological hazards prediction and evaluation about land subsidence,karst collapse and seashore erosion by applying model base theory and technology.In the course of development,we do not only introduced much advanced technology but also made a lot of creative work about model generation and model management.Therefore,the system is of important practical significance to search for the way of geological hazard reduction decision system construction and raising the standard of geological hazard control technology.
Key words：geological hazard;model base;system
　　我国幅员辽阔，地质条件复杂，地质灾害种类众多，分布广泛。特别是近几十年来，由于经济的高速发展和人口迅速增长，对大自然的过度索取，以及不合理的人类工程活动，使人类赖以生存的自然环境遭受严重破坏，导致地质灾害事件频繁发生，给国民经济建设和人民生命财产造成巨大损失。已有资料表明，全国1/2以上的国土和2/3以上的城市，明显受到不同地质灾害威胁，因各种地质灾害造成的直接经济损失每年超过200亿元。
　　长期以来，人们在突发型(崩滑流)和缓变型(地面沉降、海岸侵蚀等)地质灾害机理和防治技术研究方面做了大量工作，积累了丰富的实践经验。然而，随着工作的不断深入，逐渐认识到地质灾害是多因素综合作用的结果，各要素之间有着复杂的物质和能量转换关系，加上人类活动的影响，使地质灾害成为一个极其复杂的研究对象。因此，从地质灾害系统的观点出发，对地质灾害实施动态监测、灾情评价、趋势预测，进而进行减灾辅助决策，正成为地质灾害防治技术研究中的一项重要内容，这项工作对经济发达、人口密集的城镇地区，以及重大工程建设区尤为重要和迫切。本文着重探讨减灾决策支持系统的重要组成部分，即地质灾害预测评价模型库系统的设计与建立。
1　系统开发思路
1.1　基本思路
　　地质灾害的预测评价，实际就是各种预测评价模型的实际应用过程。模型作为一种信息资源，它的作用是对原始信息进行处理，为决策者提供更直接的定量分析依据。在实际应用过程中，模型显示出非结构化和更新迅速的特点，并且很难预先形成实用的运行程序。对这种情况，传统的建模方法难以实现模型的管理与存储的相对独立性。因此，在较大型的计算机系统建设中，更注重模型库的技术研究与开发，以便为模型的建立和运行创造良好的运行环境，提高模型的实际应用效率。
1.2　开发目标
　　作为一种新的尝试，以地面沉降、海岸侵蚀、岩溶塌陷为主要研究灾种，运用模型库理论技术，开发能够对地质灾害发生发展的确定型、随机型、模糊型问题，进行预测评价的应用模型库及其管理系统。具体开发目标是：
　　(1) 提供对地质灾害预测评价模型和方法进行存储、更新、查询和检索的整套技术；
　　(2) 为地质灾害预测评价模型提供良好的运行环境；
　　(3) 具有对主要地质灾害的空间分布、危险度进行综合评价和演化趋势预测的功能。
1.3　关键技术问题
　　在系统开发中着重解决以下几个方面的技术问题：
　　(1) 地质灾害多途径、多角度预测评价问题：　地质灾害是一个极其复杂的研究对象。而任何单一层面的研究，难以客观准确地反映把握地质灾害变化规律，这就决定了研究必须是多角度、多层次的研究工作。因此，必须开展从要素分析、点模拟、区域评价、优化预测，到综合评判多途径的研究工作，才能揭示地质灾害发生演化的内在机制。这就要求系统必须具有丰富的预测模型和方法。
　　(2) 系统的多用户问题：　针对地质灾害预测防治工作而言，系统所面对的用户是多方面的：一方面是系统的直接使用者，如政府部门的决策者，生产第一线的工作人员；另一方面是具有一定地质灾害专业理论知识和计算机技术的科研人员，且有模型设计和开发能力者。因此，在系统环境建设方面，应具有较大灵活性和拓展的余地，以满足来自不同地区、不同层次、不同任务的众多用户的要求。
　　(3) 模型的构造与生成问题：　任何模型方法都不是通用的，不同地区、不同时期地质灾害的形成条件存在着明显的差异性，加之人们对地质灾害问题认识程度的不断加深，预测评价方法也在不断的更新和完善，所以，要求系统具有较强的模型建造能力，以便快速灵活地开发出适合研究区具体条件的应用模型。
　　(4) 模型的管理问题：　由于系统面向灾种众多，存储大量的模型方法，因此，建立一套灵活、方便、快速的模型查询检索、模型调用与运行的方式，是非常必要的。
2　地质灾害模型库系统的设计与实施
2.1　系统组织结构
　　按以上研究思路对系统进行设计开发，在Windows 95环境下，使用VB 5.0和VC 5.0开发语言，共完成了模型库、属性字典、模型生成系统、模型管理系统等8大功能模块和10几个子模块的开发工作(图1)，使以上问题基本得到解决。


图1　模型库系统组织结构图
Fig.1　General structure of the model base system
　　○ 模型库：分为单元模型库和实体模型库。前者主要存放模型生成时使用的各种算法；后者存放可运行的各种专题模型和分析方法模块。
　　○ 属性字典：为一文本文件，存放所有实体模型及其相关参数的基本属性和关联特征。
　　○ 模型生成系统：由模型生成器和单元模型管理两部分构成，作用是为用户提供物理模型构造环境和工具。
　　○ 模型库维护系统：包括实体库结构设计、模型维护、模型库更新等部分，作用是实现对实体模型的有效管理，保障良好的系统运行环境。
　　○ 模型驱动系统：主要由一系列环境与操作控制和消息构成，以保持模型的系统化运行行为。
　　○ 模型查询系统：为用户提供了解模型及其参数的各种功能指标及用途窗口，主要由模型检索模块和属性阅读器两部分组成。
　　○ 数据接口：为模型数据的输入通道，主要类型包括数据库接口和电子报表接口。除此之外，还配有各种数据预处理、输入方式和格式控制等辅助模块。
　　○ 图表输出系统：为预测结果提供图形、图表的二次加工手段，且具形象化输出功效。按这些组成部分所具的功能，还可将其归为两大类：一类负责模型的维护管理，称为“模型管理系统”；另一类用于具体模型的调用和输入、输出管理，称为“模型运行系统”。
2.2　系统功能特点
　　本系统除广泛吸收国内外相关先进技术外，还进行了大量创造性开发工作，主要表现在：
　　(1) 具有丰富的地质灾害预测评价模型方法：　对国内外有关地面沉降、岩溶塌陷、海岸侵蚀研究成果进行了广泛搜集。在深入分析和评价的基础上，对其中的地质灾害预测评价的模型方法进行了系统化归纳分类，确立了适用于确定性、随机性、模糊性地质灾害问题，以及点模拟、区域预测、单项预测、优化预测、综合评价等适用范围和条件的模型分类体系，专题模型总数达20个。实现了地质灾害的多角度、多层次的预测评价(图2)。


图2　实体库结构图
Fig.2　Structure of the executive model base
　　(2) 可在两个层次上为用户提供服务：　一是面向系统使用者，为他们提供一种多途径模拟预测、灵活的模型查询、方便的运行帮助和多任务式操作，以及图形化输出的良好运行环境；二是面向二次开发者，为其提供功能较为完善的模型生成和管理环境，使系统具有一定再开发和更新能力，以满足用户保持随预测技术水平的提高而不断扩充和更新认识的具体要求。
　　(3) 较强的模型生成能力：　采用“单元积木式构模”思想，复合模型可以通过主模块与子模块及单元模型、C++函数的层次性动态链接加以生成，单元模型的构造以模型描述语言形式表达，为用户的模型开发提供捷径(图3，图4)。

图3　复合模型与单元模型关系
Fig.3　Relationship between compound model and model cell

图4　复合模型生成过程
Fig.4　Process of the compound model generation
　　(4) 系统化模型运行能力：　采用独特地“属性—控制流方式”，即系统的运行从数据输入到结果输出既可分时进行，也可系统化完成，但模型的基本数据和环境要求主要由属性字典提供，而基本控制则受“环境保护文件”所提供的消息制约。两者共同作用的结果，使模型的驱动自动化或智能化水平显著提高(图5，图6)。

图5　属性字典库文件格式
Fig.5　Form of attribute dictionary


图6　环境控制与保护文件格式
Fig.6　Form of environmentprotect file
　　(5) 灵活方便的模型查询检索能力：　本系统为模型的查询提供了6种查询途径：库目录浏览、类型查询、主题查询、代码查询、作者查询、时段查询。查询的主要内容包括：模型名称、所属库别、代码、类别、涵义、数学表达式、相关模型、使用说明、作者、开发时间、主要输入输出参数。这些查询内容，均以窗口型报表形式显示。
　　(6) 可靠的模型管理能力：　本系统的模型管理，通过层次型结构框架的设计和模型字典的属性控制与调整来实现，具有较好的稳定性。主要管理功能有：库结构设计、模型增加、模型删除、模型移动、模型复制、模型修改和属性编辑等方面。
　　(7) 形象化模型表达能力：　系统已实现计算结果表格化、图形化输出。以科技图形为重点编制了多种彩色制图模块，可实现模型与图形的数据连接、图形编辑、屏幕显示、打印输出。
4　结语
　　地质灾害研究是一项实用性很强的系统工程，需要多学科、多手段综合解决。目前，以3S技术为支撑体系的地质灾害减灾决策支持系统建设，正成为地质灾害防治技术研究的重要内容，而地质灾害模型库系统建设在其中占有重要的地位。本项工作，在地质灾害模型库系统建立与应用方面，进行了大量的探索性工作，使系统基本体现了功能强大、技术先进的特点。运用此系统，开展的天津和北京地面沉降趋势预测、唐山岩溶塌陷危险性区划和秦皇岛海岸侵蚀模拟预测等，均取得了良好的效果。
　　总之，本项工作是对地质灾害模型库技术的一次有益探索，成果有助于减灾决策系统工程建设的进一步深化和完善，以提高地质灾害的防治技术水平，将灾害损失降低到最低限度。
第一作者简介：李向全，男，1966年4月出生。研究室副主任，副研究员。工程地质专业，学士。研究方向：环境工程地质。先后主持并完成环境地质质量评价和地质灾害预测防治等科研项目多项，其中，获部级二等奖、三等奖各2项。发表论文20余篇，出版专著2部。
作者单位：李向全　胡瑞林　张莉　中国地质科学院水文地质工程地质研究所，河北正定，　050803
参考文献
［1］　王亚芬 等.决策支持系统［M］.西安：陕西科学技术出版社，1998.
［2］　刘怡芬 等.地质灾害预测防治智能决策系统设计与应用［M］.北京：中国环境科学出版社，1997.4.
［3］　姜旭平.ASDGE系统的模型构造及模型库实现方法［J］.计算机应用与软件，1992(1).
收稿日期：1999-05-17
