地理信息系统GIS支持下的城市地质环境评价

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工程地质学报

地理信息系统 G S支持下的城市地质环境评价 I

戴初堕 李军唐蕴 P旁重①里/①③ 勇科院理夏 1l)(中科院质地 所 _地菥丽 j oo@国学地与球运 学 01摘要

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以 GI S为支撑工具.对城市地质环境空间数据库的建立方法、城市建设用地类型的初步划分及城市建设用地与地质

环境的协调性评价模型作了分析，并选取典型实例进行剖析，结果表明G S I是城市地质环境研究的有效工具。

一DAIF— h Z uc u HANG a - u￣ LI u TANG n Xioh i wc J Yu at I“ o ega h C iee.￣ en,f Si - -& i fG orp y, hns&- r o c￣e d 5 e s 103) 0 11

URBAN PLANNI NG

( n眦 o, l y n e h ss C i s A ae y fSi -, ei 10 2 )@ fC o g a dG o yi, h e c dm c￣e B vn,o t p c ne o e s j g 30 9 ( e e r D p r et C i Is u @G o c d eat n, h a n i t o th c m n t e fWa r o e￣%,n t t C m m a adH2 r r￣, . e n io m d p&啦！0 4 ) 0 0 4

A s at G oe v o me tl ses n li otn o i l nn n i e ci r u ne gne_ bt c r e-n i n na assme ts lmpra t olnpa igads e l t nf ma ier r i a t n tse o o h nig a t ii . Th h rce siso a iu y e fu b n ln— ssa d c tr o v lal ft eg oe v- n ci t s v e ec a atr t fv ro stp so r a d u e n r ei fre an t o h e - n i i c a i a n r n n r i us di hsp p r o me taeds se t i a e .A S a e e - n i n n a as sme tfru b npa nn r p s d c n GI -i dg o e vr me tl ses n o r a ln ig i p o o

e . d o s b S,t emeh df r t bi igt eg o e vr n e t l p t l aa aea d ma h m t a mo e re au t y GI h t o o a l hn h e- n i m n a ai t b s n t e s e s o s ad a i l d l o v la— c f ig tea a t bl yo h e - n r n n ov ro st p so r a n— ssaep t o wa d n h d p a it ft eg oe v o me tt a iu y e fu b n l d u e u r r .Aet c td i i i a r f i l ae yo n t eNo t wetChn st k n a r e a pet e o sr t h f t e e so h S a p o c n h r - h rh s iai a e sat x m l o d m n taet eef i n s ft eGI p ra h a d t epo c e v p d mo e.∞e d 1 Ke r s Ge g a hc lif r t n s se .Ur a a d ue,Ge -n r n n .Ad pa it se me t ywo d o r p i n o m i y tms a a o b n ln ss o e v o me t i a tbl y a s i n

城市化是世界各国发展的共同趋势，是人类文明和社会进步的标志。近 2年来， 0我国大陆城市数量和规模都有大幅度的增长。 8 17年我国有设市城 9市 13, 9个截止 19年， 94城市数量已增至 6 2, 2个城市人口比例达 2 .预计 2世纪初我国城市化 86 1水平将进入一个新的加速发展阶段。 城市的发展无疑会带来经济的繁荣、环境的美化和人民生活水平的提高。然而新城市的大量涌现， 老城市无休止的向外围扩展、口的过度集聚，随人伴而来的是土地资源的枯竭、水资源紧缺、能源耗竭以

及污染加剧，自然环境带来不良影响。给人类赖以生 存的空间是一个复杂的动态系统，大气圈、生物圈、 水圈和岩石圈为其组成单元，它们相互依存和制约， 并构成了人类活动和生存的总体自然环境！大气。环境、生态环境和水环境已受到社会和科学界的普遍重视，而对于以岩石圈为主的地质环境则认识不够。应该看到人类生存及其必需的工程活动离不开由岩土和地下水构成的地质介质，同样受到地质环

境的制约。因此，考虑以岩石圈为主的地质环境是解决环境问题的重要方面。

收稿日期：99 6 9收到修改稿日： 9 02. 19 —; 00期 1 91 8 9第一作者简介：戴福初 (9 71男， 1 6— .博士 .副研究员.【程地质专业

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戴福初等：地理信息系统 GI S支持下的城市地质环境评价

环境工程地质学是研究人类工程一经济活动与地质环境之间相互作用、相互影响，从而更加科学合理地开发、利用和保护地质环境的一门科学。人类工程活动与地质环境的协调成为环境工程地质研究的核心。城市地区高强度和高密度的工程活动对地质环境的依赖和对地质环境的影响表现出极高的敏感性，从而为环境工程地质学的发展提供了机遇和挑战。城市地质环境特征在空间上的复杂变异性和时间上的动态变化特性，要求在研究城市地质环境时充分吸取其他相邻学科的研究成果，采用新技术和

害等。由于它们复杂的空间变异与动态变化特点，人为综合必然有较大的随意性和主观性，且工作量庞大，周期长。因此本文将地理信息系统技术应用城市建设与地质环境的协调性评价研究中 由于目前只能定性或半定量地评价工程建设与地质环境的协调性，编制因素与目标之间的精很难确的数学模型，因此我们采用层次分析模型解决该问题。层次分析模型将影响协调性的因素相对重要性排序，得到各影响因素的权重，同时根据各因素对不同城市建设用地类型的可能影响，对因素离散赋值，然后将相同几何点的量值加权相加产生该点的总值，然后赋值分级。其评价结构及流程见图 1。

新方法来有效地解决面临的环境问题，地理信息系统 ( I) G S强大的数据库和空间分析功能为城市地质环境研究提供了新的技术手段并获得了越来越广泛的应用’ 。

2数据规范化与空间数据库的建立2 1数据规范化 .

本文以 G S为支撑工具软件， I探讨了城市建设用地与地质环境协调性评价的 G S分析方法和数 I

学模型，并对具体城市进行了应用，结果表明 G S I在城市地质环境研究中具有传统方法无法比拟的优势，应用前景广阔。

在城市建设用地与地质环境协调性评价中，数据层面多，数据来源不同，数据类型亦不同(遥感影

1基本思路与方法G S系统是搜集、 I存取、集成、处理、分析和显示定位地

球空间数据的计算机系统。地理信息系统具有强大的数据库和空间分析功能，其数据库功能包含了空间数据、拓扑关系及属性数据库在内的地理数据库，其强大的空间分析功能按空间数据处理方

像、地图、钻孔等)即使都是地图数据其投影方式、, 坐标体系、图单位等参数也不一定完全一致。地建立规模标准数据库对系统功能开发和使用都是必要的，数据规范化处理的主要内容包括： 数据原始处理内容有：1大地坐标配准， ()将

各层数据的空间坐标体系都转成大地坐标系，地图单位为 m;2投影归一化， G S的投影转换功能 ()用 I把各数据层转换成统一的投影方式{3遥感影像矢 ()量化，影像数据必须经过矢量处理、加注属性、建立空间拓扑关系后才能使用；4确定统一边界， ()对研究区域确定统一的标准边界，用叠加和切边操作使各数据层的边界完全一致。 矢量数据的栅格化处理影响地质环境杼幽空间组合特征存在明显的空闻差异，因而协调性评

式的不同，可分为栅格数据、二维拓扑矢量数据、数字高程模型、三角形不规则网格。 I技术的一个基 GS本要点在于它可以在二维或三维空间内将不同的地理对象相互之间进行拓扑连接，使得在 G S数据库 I中可以分析的不仅是对象本身的地理位置和数据属性，而且是它们之间的空间关系和连通性，同时为了 特定的空间分析目的，还可通过缓冲区操作、多边形叠加，或与外部分析模型进行数据交换和用 G S系 I

价应落实到每一细小区域内。往往需要根据研究区域的大小和基础数据的精度选用标准格网，把所有数据转换成栅格数据。不同性质的数据在栅格化过程中考虑的问题和处理方法也有较大的差异。对于面状数据，以直接栅格化；可对于等值线数据，如地下水位埋深、基岩埋深、地形等高线等，首先转化成 TN( I不规则三角网)数据进行内插，得到面状数据，

统的宏语言开发的分析模型进行空间分析与计算，生成新的数据库和图形。正是 G S的上述特性， I使得其成为解决人类所面临的资源与环境问题的重要

工具，并越来越广泛地应用于水资源评价与管理、环境影响评价与污染防治、一土地利用规划与场地选、

自然灾害的评价与风险管理r8 4],等领域。

城市建设用地与地质环境的协调性评价属于综合评判的范畴，涉及到许多影响因素，它如

地势高低、地面坡度、地质结构、地下水条件及地质环境灾

然后再栅格化；而对于点状数据，如不同位置钻孔某特定地层的埋深等，则应先进行趋势面或其他插一

值方法转化为等值线数据，再栅格化。 栅格数据的归一化或标准化由于各因素的数

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量单位存在差异，其数据之间没有可比性。因而要把

所有数据归一化或标准化成统一量纲的可比数据。

算法是对原栅格数据进行重分类。通过一定的关联表把数据的原数量转换为无量纲的级别值。

图 1地理信息系统支持下的城市建设用地与地质环境的协调性评价流程Fg 1 Flw h r o￣ ad d s i p it v la in o e e vr n m t r a o sr ein ln s i. o c a t fGI i e ut ofy e au t fg o n i me wih u b n ln tu t d u e a i o o o a

22空间数据库 .规范化、内容详实的空间数据库的建立是城市

制宜地进行建设项目的选址和城市功能区划提供可靠的依据，达到以最少的社会经济投入获得最佳的

建设用地与地质环境协册陛评价系统建立和运行的 基础和保证。本文实例研究中的数据库系统是在A C IF R/N O软件平台上开发完成的，数据内容包括地形地貌、地质与构造、地下水埋深与侵蚀性、场地岩土分布及其特性以及地质灾害历史数据等地质环境基础数据层以及对上述基础数据层进行空间叠

社会环境与经济效果。它需要综合考虑场地条件和建筑物两个方面。对建筑物而言，不仅应满足功能需求，还应考虑其在建设和运营过程中的安全需求：对场地而言，应综合考虑其地形地貌、持力层及地下水条件及地质环境灾害等影响因素，以确定出适宜的、 不利的以及宜避开的建设用地地段 .按照场地与建筑结构的相互作用原理，结合场地特点进行场地与建筑类型的协{眭评价，厨为城市规划、土地利用规划及防灾溅灾规划提供科学依据。 由于目前城市建设用地没有形成分类体系，从其性质和功能来看，包括地表工业用地、居住用地、 交通用地、仓储用地等，以及地下供水、供电、排水等

加、、提取缓冲区操作等所产生的新的空间特征和新的属性关系，度、如坡高程、泥石流危险

程度分级等为评价直接服务的派生数据首先应根据研究区的 地质环境特，确定评价所需要产生的新数据层，然后确定空间操作内容和顺序。

3城市建设用地与地质环境协调性评价的目标与指标体系城市建设用地与地质环境的协调性评价是城市规划、城市土地利用评价的基础，目的在于为田地其

生命线工程网络和地下商城、地下仓库、地下交通等。显然，对其作出系统而详尽的分类是十分困难的，也是没有必要的。在协调性评价目标确定中，关键是抓注对地质环境址分敏感或对地质环境具有明

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显扰动的城市建设用地类型，同时将扰动方式和强度相似的类别作适当归并。本文在综合已有文献所提出分类方法的基础上_, 3将城市建设用地大致分 _

4协调性评价模型城市建设用地与地质环境的协坍陛评价模型的建立是系统的核心，结合各指标要素的空间分布特征和 G S的空间分析功能， I模型采用栅格数据结构，经栅格单元格网为单位，首先生成单要素协{ 丹陛分布层；确定各要素对各种评价目标的权重；计算出 各格网的协调度，设定分级阀值，得出空间分布形式的协调性评价结果

为高层建筑用地、多层建筑用地、低层建筑用地、垃圾填埋用地及自然保护用地五大类。 在拟定评价目标的基础上，可以根据不同目标 (或用地类型)对场地条件的要求进行评价。适宜陛 和敏感陛原则是城市建设用地与地质环境协调性评价的一般原则。在指标体系确定过程中，不仅应反映对用地类型有影响的环境因素，而且要深入分析对该类用地敏感性高的限制性因素，对工程建成后可能产生的环境后效作出估计，使所确定的指标体系

4 1单指标协调度分布层的生成 .针对不同评价目标，根据其对各评价指标要素的要求 .对因素数据层进行单要素协调度重分类，得到不同建设用地类型的地质环境单要素协调度空间分布数据层。由此可以得出各要素的协调度分值集： 其中i为要素数；为城市建设用地类型数或评 k,

具有系绁陛、前瞻性。对于本文所选目标而言，场地条件可以由以下四个方面来综合反映，即地形地貌条件、场地岩土条件、地下水条件、地质灾害条件。地形地貌条件如坡度和高程直接影响建筑施工及土方工程量、地基处理费

用；地下水条件包括地下水埋深、及地下水的水质成分对用地地基与其上建筑均产生不同程度的影响。其中地下水埋深直接影响建筑场地、地基稳老}与处理的难易程度。生地下水的水质条件直接影响基础处理，若含有腐蚀}酸离子(生如硫酸离子)则对普通硅酸盐水泥有侵蚀陛，这样基础处理必须采用抗硫酸侵蚀的矿潭水泥或火山灰水

价目标数 42指标权重的确定 .

在确定评价基本方案及指标体系的基础上，针对指标体系的结构特点 .即可选择或建立协调性评价数学模型。各评价指标权重的确定事关评价的成败，由于所确定的指标体系在结构上为一多层次的递阶结构 .因而层次分析法是确定评价指标权重的合适方法它是一种实用的多准则评价方法，把一个复杂的问题表示为有序统一处理决策中的定性与定量因素.具有系统性、实用性、简洁性等优点，其本质上是一种决策思维方式。层次分析法将复杂的问题分解成各组成要素，将这些要素按支配关系组成有序的层次递阶结构，通过两两比较的方式确定层次中各因素的相对重要性，然后结合人的判断决定各因素相对重要陛的总和顺序具体过程包括 () 1建立层次递阶结构；2采用 1 ()~9标度法构造两两比较判断矩阵；3应用主特征向量方法对比较判断矩阵 ()进行分析即可得到单一准则下各要素的相对权重； () 4进行一致陛检验。若满足一班陛要求 .即可对底层可操作性要素归一化得到要素的组合权重；否则对两两比较判断矩阵重新组建。不同的评价目标对地质环境的要求是不同的.表现为其评价指标体系及各指标要素的权重都不一定相同.因此必须针对各评价目标 .采用层次分析法分别建立评价指标的权重.得到权重集：, w其中 k为用地类型数为评价指标灵敏。 43栅格综合协调度及其分级 .用栅格数据结构及 G S的空间分析功能， I“栅

泥。场地岩土条件为充分利用天然地基提供可靠依据，直接影响场地地基与基础的类型与处理费用，地基承载力反映出地基土层对建筑类型的适宜性，及地基土层的压缩性和剪切强度，场地土质的软化、膨胀及湿陷特性决定了土层的物理力学性质及其对外部环境变化的繁感生。表层岩土体的挣陛和地下水位埋深决定了地下水遭受污染的难易程度，对城市垃圾填埋选址具有决定性作用。场地地质灾害直接

影响建筑物的安全与经济条件，主要表现为不良地质现象造成的地基不稳定性，如滑坡崩塌、泥石流、

岩溶塌陷、及活动断裂等；以及地面破坏造成的地基不稳定性，轻亚粘土在地震作用下的液化、软土的塑流等，因此应在查明其分布特点、环境条件、诱发机

制及可能危害程度的基础上建立合适的数学模型进行地质灾害的风险评价。当然在评价过程中并不一定能直接获承上述空间数据，在有些情况下，必须采

用间接信息来反映，如地基土的承载力可用地基土的陛来间接表征。在上述评价指标的基础上，针对不同的城市建设用地类型对地质环境的要求，进行协调性评价

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格为最小单位，对整个研究区每个栅格上各指标要素协调度层面进行加权空间叠加，得到每个栅格上

新构造以总体抬升为主，为典型的高原河谷盆地型城市( 2。图 )随着城市规模的不断扩大，滑坡泥石流灾害、地下水位上升、黄土湿陷灾害严重，城市建设用地与地质环境之间的矛盾日益尖锐，因此开展该

第种用地类型的综合协调度值：O=2 w Ck 2对评价得到的综合协调度值，或对其进行归一化处理后，选取适当阀值进行分级，即可得到每一种用地类型的空间协调性分级图。.

城市建设用地与地质环境协调性评价对合理利用土地资源、缓减地质灾害的危害，保证城市持续稳定发展具有重要的现实意义。

实例研究某城市地处黄土高原与青藏高原的接合地带，

图 2研究区地形分布与主要道路Fg 2 Smpie a o igtp gah n j a s ntesuyae i i l dm ps w n o rp yadma rr d td r . i f h o o o i h a

图 3研究区高层建筑用地与地质环境的协调性评价结果Fg 3 S￣ bl yas sr t fgo e v Dn n hh g—ieb i igst i. ut it s esr e -n h me tv t ih r ul n i a i n 0 s d e

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戴福初等：地理信息系统 G S支持下的城市地质环境评价 I

图 4研究区垃圾填埋用地与地质环境的协调性评价结果F g 3 S i bl ya￣s me to e -n lo me tw

ihwat ip s l ie i . ut it ses n fg o e vr￣ n t seds o a t a i s

的缓冲区操作。在此基础上，根据城市建设用地类型，如高层建筑、多层建筑、低层建筑、城市垃圾填埋场及自然环境保护等用地对地质环境的要求及可能

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产生的环境后效建立了评价指标体系，对各种用地类型与地质环境的协调性进行了半定量评价 .为城市用地规划、老城区的合理改造和场地选址提供了科学依据。鉴于篇幅所限，我们仅给出多层建筑用地和垃圾填埋场用地的评价结果( 3 4评价结图和 ) 果与笔者现场调查和室内分析认识一致。各类用地的协i性等级所占总面积的百分数见图 5可见，厨，研究区总体环境质量较好。从整个评价过程来看，基于 G S的城市地质环境分析具有分析过程所需时间 I 短、成图质量和精度高，避免了传统人工操作可能产生的误差和错误，是城市地质环境研究的有效工具。参考文献

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目 5不同建设用地与地质环境协调性评价结果统计Fg 5Ⅶ so rm h wig s i bfya ssl e t f i. tg a s o n ut it se sln a i l o gx -n e e￣> n m t￣ ro sln ne me wi" iu d s h a a

该城市建设用地与地质环境的协调性评价，是

建立在系统分析基础之上的。采用地理信息系统软件A CIF R/ O作为系统软件开发平台， N以该城市及其周围共 35k作为研究区， 6 m。建立了城市地质环境基础数据库。在此基础上，建立多因素层次分析评价模型，行协调性评价，对评价结果用 AR进并 C IW桌面 G S VE I软件作图形整饰处理。 该城市滑坡灾害主要为老滑坡在人类活动及暴雨诱发条件下的复活，泥石流淘谷发育，已有研究表明研究区断裂并非工程活动断层，但断裂带岩性破碎和岩性突变可能增加工程建设地基处理难度， 因

[]王思敬.工程地质学的任务与未来口]工程地质学报.997 1 . 19 .(:9 3) l~ l 9 9

Wagsj .T ssad￣tr f nie r ggoo yJunl f n in i g ak n uueo gnei el or a 0 e n gEn￣n e ig Ge lg, 9 9 7( ) 1 5 1 9 l e r oo n y 1 9, 3

: 9 4 9

[]王思敬 . 2戴福初.环境工程地质评仃、 r预测与对策分析[ . J地质：灾害与环境保护，9 78 1 2￣3 . 1 9 .( ) 7 4W agS n , F c u As e s m,Pr d c i n a d c t t uh s s me e ito n o L t t￣

mesr n] s fevrn n￣ egn eiggo g Jm￣ auead【 n i met] nier el y o o o n o l

o e￣e z d ad E v omet r e a o,l 9, f l i Ha r n ni n na P e r t n 9 7 B C o a l a r l sv i( ), 7 34 1 2￣ .

[] 3

建省 .张凤斌，程彦培，地质灾害图形图像分析系境在天津地冗降分析中的应用[i J.工程地质学报 .97 52:7~ 19.【]14】】 8

此对上述环境灾害的评价主要采用地理信息系统中

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浅谈快速压缩试验 5 P荷载 1时读数前增加 5 0k a小分钟读数的重要性1 J -:

吾

(湖北省地质实验研究所岩土室武汉

405) 306

在岩土物性测试中 .有时会发现压缩 5￣1 0k a荷载 0 0 P读数异常两级数据很近，个别数据没有多步变化，极甚至比

己。具体情况是这样：在无数抗批量压缩试验 5 P荷载 5 0k a

分钟读数中.感觉正常， -4时后，数据但，有的土样数据几乎没变，有的数据比 S钟数据小 .个别读数数据在 0∞分极 . m以内，土佯给人感觉并不是十分坚硬 .种现象老粘 m但这土较多，尤其在潮湿的环境中，这种现象很突出 .我初步断定

前一级数据略小， 20 P、0 k a但 0 a30 P读数正常， k 图形曲线非常不好 5 P 0 a明显感觉没有压下去 .么原因造成这种 k是什现象出现呢？我是严格按照 1小时读数，为什么极个别 5 Ok a荷载压不下去呢？这个疑团一直围扰着我， P必须查找原因，打开疑团。

这异常现象是膨胀土作的怪，土在膨胀过程中膨胀抵制荷载压力。为了证明手断的正确性， 我时刻注意大批量压缩试验过程中的异常现象 .并将这数据异常的土样进行自由膨胀

率测试，结果太多数都在 4以上。 5可想而知，压缩试验 5 P 0k a

我开始注意压缩试验全过程，其是百分表上读数变尤化，整个试验小心又仔细，严格控制时间，小心加砝码，避免砝码摇晃 .并且努力思索异常现象的原因，析是否要在开分始一级中增加 5分钟读数，自主增加 5 P我 0k a荷载 5分钟读数，用铅笔写在旁边 .我之所以考虑 5￣1 0k这两级之 0 0 Pa间曲线往上凸，加 5分钟读数可以和 l小时读数进行对增比：一批批压缩试验，读数都很正常，一次、二次、三次……不知多少次没有发现异常读数，我开始猜疑人为因素 .小心不碰到了砝码？碰到了百分表？碰到了仪器桌面？……我满脑子乱想瞎猜，努力追寻不松懈，终于有一天 .我发现有的土样

荷载增加 5分钟读数非常重要，可以帮助我们捕捉异常现它象及时处理问题，并通过 5分钟读数与 L小时读数的对比认定该土样是否为膨胀土，提高数据可靠性渖}学性。

怎样处理这异常现象呢？假若发现 5 P 0 a荷载 1 k小时读数比 5分钟读数小，以认定膨胀土，可因这一级荷载压力

与它本身膨胀力相互抵制 .是不可靠的，数据待它的哮胀稳定后，级荷载开始做压缩试验与上一级荷载数据之间加一在 00 5n 之内视为稳定， . 0 m h调零 .加荷。 以下表为例说明。

1小时读数比 5分钟读数小的异常数据了.我高兴地不能自

荷

载/P ka5分钟

5 01小时

10 O1小时 0 68 . 8 015 . 4

20 O1小时 095 0 O 30 2

3O 0l小时 125 .2 045 .6

40 01小时

2小时稳定读数 4

加荷时间一

般情况

04 5 . 2 . 0 0 4 5 015 8 ( .0 0 0 5回零)

130 . 0 06O . 6 075 . 0

异常情况

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