基于GIS的地质灾害与坡度和相对高差相关性分析.doc

1、 毕业设计（论文）任务书 题目： 基于 GIS 的地质灾害与坡度和相对高差相关性分析 学生姓名： 班级： 学号： 题目类型： 应用型 指导教师： 一、 设计参数 1、地质灾害与 GIS 的相关知识 2、基于 GIS 的地形 坡度、相对高差的 提取 3、相关系数知识 二、 设计（论文）任务及要求 1、 熟悉 arcgis 软件； 2、 图像纠正、灾害数据数字化，基于 DEM的坡度、相对高差的提取； 3、 地质灾害与坡度、相对高差的叠加与计算； 4、 灾点在相对高差与坡度上位置相关性计算； 5、 相关性分析。 三、 各 阶段时间安排 设计内容 周数 查阅文献（ 10 篇，其中要求有 1-2篇英文文

2、献） 4周 撰写文献综述 2周 总结拟定本课题的设计方案、技术路线 1周 熟悉 arcgis 软件 2周 图像纠正、灾害数据数字化，基于 DEM 的坡度、相对高差提取，相关性计算与分析 3周 毕业论文撰写 3周 毕业答辩 四、 主要参考资料 1 黎立 张黎建 地质灾害风险评估中 GIS 技术的应用分析 中国新技术新产品2012 no.07 2 卢全中 彭建兵 地质灾害风险评估研究综述 长安大学 灾害学 2003 12 第18 卷 第 4 期 3 姚明波 孔志刚 戴家胜 GIS 技术在地质灾害研究中的应用 中国水运 2006 12 第 4卷 第 12期 4 吴京 何必 李海涛 地理信息系统应用教

3、程 清华大学出版社 15-16页 5 郭芳芳 扬农 孟辉 张岳桥 叶莹莹 地形起伏度和坡度分析在区域滑坡灾害评价中的应用 南京大学 中国地质 2008 2 第 35卷 第 1 期 6 池建 地理信息系统 清华大学出版社 13-31页 7 王小东 基于 GIS的地质灾害数据 库设计 河南大学学报 2007 6 第 26卷第 3期 目录 第一章 研究方向 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 研究 的意义 . 2 1.3 研究的内容 . 2 第二章 地质灾害与 GIS . 3 2.1 地质灾害 . 3 2.2 地理信息系统 (GIS) . 3 2.2.1 GIS 的简介 . 3 2.2.2 GIS

4、 的特征 . 3 2.2.3 GIS 的功能 . 4 2.2.4 ArcGIS 平台 . 4 2.3 相对高差、坡度与地质灾害 . 4 第三章 基于 GIS的坡度、相对高差计算方法 . 5 3.1 相对高差和坡度简介 . 5 3.2 坡度 . 5 3.3 相对高差 . 7 3.4 灾害数据 . 7 第四章 研究数据的获取 . 8 4.1 灾害数据获取 . 8 4.1.1 图像纠正 . 8 4.1.2 灾害数据数字化 . 10 4.2 灾害数据数字化成果图 . 12 4.3 基于 DEM 的坡度提取 . 17 4.3.1 坡度的提取和生成坡度图 . 17 4.3.2 灾害点坡度的提取 . 19

5、4.3.3 灾害点坡度的提取结果图 . 23 4.4 基于 DEM 的相对高差的提取 . 25 4.4.1 高程（ DEM）提取 . 25 4.4.2 相对高差的提取与相对高差图的生成 . 25 4.4.3 灾害点相对高差的提取 . 27 4.4.4 灾害点相对高差的提取结果图 . 30 第五章 灾害数据处理与分析 . 32 5.1 数据格式转换 . 32 5.1.1 栅格数据向矢量数据的转换 . 32 5.1.2 矢量数据向栅格数据的转换 . 33 5.2 地质灾害与坡度、相对高差的叠加计算 . 33 5.3 灾害点坡度、相对高差值的分类 . 34 5.3.1 灾害点坡度、相对高差值的分类方

6、法 . 34 5.3.2 各灾害点坡度、相对高差值的分类结果属性表 . 39 5.4 平均坡度的计算与分析 . 41 5.5 属性表的导出 . 42 5.5.1 导出步骤 . 42 5.5.2 表格中灾害个数的计算与统计步骤 . 43 5.6 灾害的统计结果与分析 . 44 5.6.1 崩塌灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析 . 44 5.6.2 滑坡灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析 . 45 5.6.3 泥石流灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析 . 46 5.7 地质灾害与相对高差和坡度的相关性分析 . 47 5.7.1 相关系数的计算方法 . 47 5.7.2 相关系数的计算

7、与统计结果 . 48 5.7.3 相关性的分析 . 49 5.8 结果分析 . 50 5.8.1 得出结论 . 50 5.8.2 成果分析 . 50 第六章 结束语 . 51 参考文献 . 52 致谢 . 54 外文翻译 . 56 基于 GIS的地质灾害与相对高差和坡度的相关性分析 第一章 研究方向 1.1 引言 今年来 ,各种地质灾害对我国危害程度日益加重 ,地 质灾害造成的损失逐年增加 ,造成巨大的经济损失 。所谓地质灾害 ,指由于地质因素的存在和变化能够对各类建筑和工程 造成破坏并招致显著的经济损失 ,对人民生命和生产安全构成威胁 ,对城乡和区域环境产生危害的各类地质作用和现象 。而且随

8、着社会的进步 , 政府部门及基层广大群众提高了对地质灾害的重视程度 . 对政府而言 , 它需要了解辖区内的地质灾害发育规律 , 以便采取相应的防治措施 ; 对群众而言 , 则关系到他们的切身利益 , 他们需要知道灾害会不会发生 , 需不需要搬迁等信息 .。通过对相对高差和坡度地貌学中描述地貌形态的 两个重要参数的研究，确定相对高差和坡度对地质灾害的影响作用和预测灾害的发生，帮助政府对地质灾害做出科学预报和有效防治，降低和减少地质灾害对国家建设和人民生活的影响。而 地理信息系统 (GIS) 是有效表达、处理以及分析与地理分布有关的专业数据的一种技术，它为人们提供了一种快速展示有关地理信息和分析信

9、息的新的手段和平台。 从 20 世 80 年代以来， GIS 在灾害管理中得到逐步深入的应用：从简单的灾害数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到 DTM 和 DEM模型的建立和使用；从 GIS 结合灾害评价模型的扩展分析；到 GIS与决策支持系统的集成。 GIS 的核心是空间数据管理子系统，由空间数据处理和空间数据分析构成。运用 GIS所具有的数据采集和提取、转换与编辑、数据集成、数据的重构与转换、查询与检索、空间操作与分析、空间显示和成果输出及数据更新等功能，我们可以根据地质灾害评估的需要，建立以 GIS技术为基础的、用于地质灾害评价的空间分析模型，评价结果可以图层的形式显示或者报表、

10、表格形式输出，为专业部门或决策部门提供灾害管理和决策依据。 本文主要简述利用 ArcGIS 软件由矢量地形图生成 TIN, 进而得到坡度图、及高程图的方法 , 分析 地质灾害与相对高差和坡度之间的关系从而帮助政府人员合理科学的预防地质灾害和管理规划地质灾害区的建设与开发。 1.2 研究的意义 在面对各种地质灾害频发的今天 ,确定灾害发生的时间、地点、规模显得尤为重要。 因为地质灾害的强大破坏力和对经济的巨大影响使得人们要对它做到足够的认识和预报。而且地质灾害对人民生命和生产安全构成严重威胁，政府部门及基层广大群众更是提高了对地质灾害的重视程度 .所以无论从政府方面出发还是从人民方面出发，如何有

11、效的治理和预防地质灾害的发生已经成了人们必须思考的问题。政府急需了解辖区内的 地质灾害发育规律 , 以便防治。群众需要知道灾害会不会发生如何应急。本文就是致力于研究地质灾害与坡度、相对高差之间的关系来确定灾害发生的时间、地点、规模等问题，为政府宏观决策人民如何防灾减灾做出科学依据。通过研究灾害地区灾害数据，得到统计直方图以及分析结果来帮助政府对地质灾害做出科学预报和有效防治，降低和减少地质灾害对国家建设和人民生活的影响。达到人们对地质灾害的科学认识和合理预防。 1.3 研究的内容 在地质灾害高发的今天，研究地质灾害的方法越来越成熟，工具也越来越多。而地理信息系统 (GIS) 就是一种研 究地质

12、灾害理想工具，它有着不可替代的优势与功能。它不仅可以 有效 的 表达、处理以及分析与地理分布有关的专业数据， 也可以 为人们提供一种快速展示有关地理信息和分析信息的新的手段和平台。 本文就是基于 GIS利用 ArcGIS 软件平台研究灾害地区（甘肃甘谷地区）的各种灾害的发生与坡度、相对高差之间的关系。提取出坡度图、相对高差图 , 统计得到坡度、相对高差与各种灾害（滑坡、泥石流、崩塌、不稳定斜坡）之间的关系直方图并加以 分析 ，确定地质灾害与相对高差和坡度之间的关系。再在此基础上计算得到灾害与坡度、相对高差之间的相关系数与统 计图，对灾害与坡度、相对高差之间的相关性加以分析研究。确定它们之间的相

13、关性大小。从而确定各种灾害的发生与坡度、相对高差之间的具体关系，帮助政府人员合理科学的预防地质灾害和管理规划地质灾害区的建设与开发。帮助人民防灾减灾。 第二章 地质灾害与 GIS 2.1 地质灾害 地 质灾害是包括自然因素或人为活动引发的危害人民生命和财产安全的山体滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝等与地质作用有关的灾害。 1 我国是世界上自然灾害最多、损失最严重的国家之一 ,灾害种类多 ,分布地域广 ,造成损失大。应对自然灾害是人类生存与可持续发展不 可回避的问题之一 ,与风险共存 ,始终做到居安思危、防患于未然 ,是减灾和灾害管理的基本点和出发点。 2.2 地理信息系统 (GIS) 2.2.1 G

14、IS 的简介 地理信息系统 (GIS)是一门集计算机，信息学，地理学等多门学科为一体的学科。它是在计算机软件和硬件支持下，应用系统工程和信息工程的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。 2 GIS 通常也被认为是一种决策支持系统。它是有信息系统的一般特点。GIS 可以通过、分析、通讯进行复杂图案识别以及 空间建模和数据挖掘。一个 GIS系统一般由 5 部分组成硬件、软件、数据、人员、方法。所以 GIS既是一门学科又是一个技术系统。 2.2.2 GIS 的特征 （ 1）具有采集，管理，分析和输出多种地理空间信息的功能，具有空间性和动

15、态性。 （ 2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析，多要素综合分析，多要素综合分析和动态预测的能力。 （ 3） 由计算机系统支持进行空间地理数据管理。 3 2.2.3 GIS 的功能 （ 1） 数据的提取，转换和编辑 （ 2） 数据的集成 （ 3） 数据结构的重构和数据转换 （ 4） 空间数据的查询和检索 （ 5） 空间操作和分析 （ 6） 空间显示和成果输出 2.2.4 ArcGIS平台 ArcGIS 是 美 国 环 境 系 统 研 究 所 ESRI（ Environment System Research Institute）开发的 GIS 软件，该软件功能强大

16、，易学易用。是世界上应用最广泛的 GIS软件之一，也是我国 GIS 领域常用的商业软件之一。 4 随着用户的需要的不断增长和应用领域的不断拓展， ArcGIS 软件业不断的升级 完善。主要有ArcGIS9.0 ArcGIS9.2 ArcGIS9.3 等。本篇论文运用的是 ArcGIS9.3 版本。 ArcGIS9.3是优秀的地理信息系统软件，不仅功能强大而且界面友好。基本上可以满足不同层次的用户需要。 ArcGIS9.3 有四部分组成，分别是桌面 GIS、嵌入式 GIS、移动 GIS 和服务器 GIS。而桌面 GIS 软件 ArcGIS Desktop 是开发、设计地理信息系统的主要应用程序。

17、是一系列整合的应用程序总称。主要包括 ArcMAP、 ArcCatalog、 ArcToolbox 。除此之外，还包括若干可 选的扩展模块，如 3D Analyst、 Spatial Analyst 。 2.3 相对高差、坡度与地质灾害 坡度对地形分析的影响是多方面的 , 从选择、确定灾害发生地以及城市景观的组织无一不受地形的影响 ,形影响因素主要有 : 高程、坡度、坡向等。且坡的发育受控于很多因素 , 如地形 (相对高差 )、地层岩性层、地质构造等， 这些主控因素成为地质灾害危险度区划的基础。然而 , 只有深入研究每一个主控因素与灾害发育之间的关系 , 才能最终建立科学的灾害评价系统 , 提

18、供客观的灾害发生的区域空间预测模型。在灾害形成的地形控制因素 分析中 , 坡度和相对高差受到了重视 , 尤其在单体滑坡的监测中 , 坡度和相对高差可以通过野外实测得到 , 是控制单体滑坡发育的重要因素。在滑坡区域空间预测和相关性研究中 , 坡度和相对高差的提取基于 DEM。在ArcGIS 软件平台上 , 利用已知数据资料 , 通过对研究区相对高差和坡度的提取 , 结合现有区域数据资料 , 建立这两个地形参数与区域灾害发育之间的相关性 , 探讨相对高差和坡度分析在地质灾害评价中的应用。可以很好的研究和了解地质灾害的形成，发生和预测。 第三章 基于 GIS的坡度、相对高差计算方法 3.1 相对高

19、差和坡度简介 相对高差和坡度是地貌学中描述地貌形态的两个重要参数。 相对高差反映地表起伏程度 , 常用某一确定面积（一定半径的圆面）内最高点和最低点海拔高度之差来表示 , 坡度一般指坡面的铅直高度和水平宽度比值的反正切值。地面上某点的坡度是表示地表面在该点倾斜程度的量 , 它是一个既有大小、又有方向的量。地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。坡度表示了地表面在该点的倾斜程度。 5 ArcGIS 中坡度包括两种表示方法，一是坡度 (Degree of slope)，二是坡度百分比 (Percent of slope)。而本文中坡度不是指实测得到的值 , 而是基于 DEM 数据利用

20、 ArcGIS 提取的坡度值。新近快速发展的地理信息系统 (Geographic Information System,GIS) 为地质学研究和地貌形态的定量分析提供了新的视角和平台。数字高程模型 (DigitalElevation Model,DEM) 作为地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统，不仅可以提取相对高差、坡度和坡向等地形参数，这些参数同时成为定量分析地形地貌和地质灾害评价的基础。另外 , 地理信息系统在滑坡灾害评价中的应用日益成为地质灾害研究中的热点。 3.2 坡度 格网模型中地表基本单元的坡度等于其法向量 jin, 与 z 轴之夹角（图 3-2-1

21、 中的 slope ji, ），而两向量的夹角余弦等于两向量的数量积与模的乘积之商，即： 图 3-2-1 地表基本单元坡度、坡向示意图 图 3-2-2 格网点配置示意图 Slope ji, =arcos( ijijnznz ) =arcos(2 2,11,1,1, )(/ ( ( jijijiji zzzzyyx (3-2-2) +( )4)( 21222,11,11, yxzzzzx jijijiji 根据 (3-2-2)式计算格网模型的坡度的过程较为复杂。一般情况下，如果格网为正方形，那么可以采用下面介绍的简化公式（参见图 3-4）进行计算。 假设 za zb zc zd 为地表基本单元四个格网点的高程数据， xy 为格网的基本单位长度，那么 p 点的微分公式为： u =xy zzdis zz babaxz 2 )(2V =xy zzcdis zz dcdcyz 2 )(2Sloopji,=actan 22 vu (3-2-3) 对 (3-2-2)、 (3-2-3)而言， 0 90, jislope 。应用时，可根据需要对度数进行分级，以形成坡度分析的分级标准。当需要时，也可以把度数转化为百分比。 6