1、 1面向 21 世纪地质环境管理及地质灾害评价的信息技术黄润秋（成都理工学院）一概述如果把 20 世纪最后的十年比喻为一个孵化器，那么，人类在本世纪最后十年里，所孵化的最杰出的“产品”就是信息技术。他从诞生就显示了如此强劲的生命力，以至可以认为即将到来的 21 世纪就是一个信息的世纪。他不仅改变和影响着我们的生活，而且，也会影响整个人类文明的进程。人类赖以生存的地球表层是一个由岩石圈表层及包围它的大气圈、水圈、生物圈组成的复杂动态体系。这些圈层相互渗透与交织，相互联系与作用，构成了人类生存与发展的总体环境。四个圈层任意一、二个圈层的变异，均将造成总体环境平衡状态的破坏，从而导致环境的变化，乃至
2、恶化，不同程度地威胁着人类的生存与发展。然而,今天的人类工程活动已成为地球表层的特别活跃的因素和力量，大型工程活动数量之多、规模之大、速度之快、波及面之广，举世瞩目。集中反映出一个最基本事实：即人类作用已成为与自然作用并驾齐驱的营力，某些方面已超过自然地质作用的速度和强度，在当今全球变化中起着巨大的作用，成为影响环境的重要力量。这种影响的具体结果就是地质灾害的屡屡发生，强度与频率增大，人类辛辛苦苦所创造的财富蒙受损失。据统计，发展中国家每年由地质环境恶化和地质灾害所造成的经济损失，达到国民生产总值的 5%以上。在我国灾害及其所导致的环境问题中，据估计由地质灾害造成的损失约占整个灾害损失的 35
3、%，而这其中，崩塌、滑坡、泥石流及人类工程活动诱发的浅表生地质灾害所造成的损失约占 55%。这些灾害的一次性规模虽小于地震，但其发生频度和涉及范围则远远高于和广于地震，一年总的损失约 200-300 个亿。更为重要的是，这些灾害的产生绝大多数是与各种形式的人类活动相关的，是对地质环境缺乏科学的管理，导致不合理的开发，从而引起人-地关系失调的结果。因此，面向 21 世纪环境地学的重要主题就是：如何通对地质环境进行科学的管理和合理的开发与利用，规范人类活动行为并协调人-地关系，从而提高地质环境质量，减轻地质灾害，保持社会经济的可持续发展。环境地学及地质灾害问题突出特征就是其信息的多源性模糊性非确定
4、性和随机性。所有这些，都为环境地学的信息处理带来了极大的困难。传统的方法与手段，要么无能为力，要么因简化而缺失大量的信息，导致成果可靠程度的降低。更为不利的是，传统的处理方法其成果表达缺乏直观性和可操作性。因此，建立符合地学信息客观规律的地质环境管理与灾害评价系统成为面向 21 世纪环境地学研究的前沿课题。二信息技术在地质环境管理及地质灾害评价中的应用现状80 年代后期以来以来，计算机及信息技术在地质环境管理及地质灾害评价领域得到了广泛的应用。这里，对几种常用的技术应用现状作一个总体描述。 21 GIS 技术的应用地理信息系统（Geographic Information System,简称
5、GIS） ，产生于本世纪 60 年代。它随人们对自然资源和环境的规划管理工作的需要以及计算机制图技术的应用而诞生，是一种对大批量空间数据惊醒采集、存储、管理、检索、处理和综合分析并以多种形式输出结果的计算机系统。1965 年，W.L.Garrison 首先提出了“地理信息系统”这一术语，开创了这一新技术的发展史。此后，美国、加拿大、英国、澳大利亚等过均投入了大量人力、物力和财力，并逐步确立了他们在这一领域里的国际领先地位。我国在这方面的工作最早始于 80 年代，尽管起步较晚，但发展较快。但是与发达国家相比，无论是系统技术水平还是实际应用情况都有一定的差距。国外尤其发达国家将 GIS 应用与地质
6、灾害研究方面已做了很多工作。从 80 年代至今，GIS 技术的应用也从数据管理，多源数据集数字化输入和绘图输出，到 DEM 或 DTM 模型的使用，到 GIS 结合灾害评价模型的扩展分析，到 GIS 与决策支持系统（DSS）的集成，到网络 GIS，逐步发展深入应用，如表 1 所列。表 1 国外 GIS 在地质环境与地质灾害研究中的应用研究者 研究工作 GIS 技术应用1986，美国的 Brabb Earl E. 在加利福尼亚 San Mateo 地区进行了地质灾害研究1987，美国的 Wentworth Carth M. 和 Ellen Stephen D.等用 GIS 对区域工程地质作了进一
7、步分析1989 年美国的 Finney Michael A. 和 Bain Nancy R.运用 GIS 技术分析滑坡灾害1989 年 Peter Douglas C.等 运用 GIS 对工程数据进行评价。多利用了 GIS 的数据处理、数据管理、绘图输出等基本功能。1990 年印度的 R.P. GUPTA和 B.C.JOSHIGIS 方法对喜马拉雅山麓的 Ramganga Catchment 地区进行滑坡灾害危险性分带。利用 GIS 的存储、更新、网格化、空间叠加分析功能，及很强的面积量算能力。1990 年荷兰 ITC 的 Van Westen C.J. 和哥伦比亚IGAC 的 Alzate
8、Bonilla J.B.对山区地质灾害的分析。基于 GIS 开发了斜坡稳定性分析模型，开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，利用 GIS 空间定位及空间数据库管理功能，GIS 数字高程模型（DEM） 。1991 年美国的 Campbell Russell H.等用 GIS 对滑坡灾害进行空间预测。 GIS 空间分析功能1991 年意大利的 Carrara A. 等GIS 技术与统计模型结合应用于滑坡灾害的评价。GIS 空间分析及统计模型扩展1993 年加拿大的 Chung C.F.和 Fabbri A.G.等将 GIS 应用在滑坡灾害分区的多因素综合分析。1994 年美国的 MARIO MEJ
9、IA-NAVARRO 和 ELLEN E.WOHL在哥伦比亚的麦德林地区，用 GIS 进行地质灾害和风险评估。并进行了灾害分区。基于 GIS 的专业模型扩展分析1995 年美国的 DANIEL J.MILLER将 GIS 与力学模型结合评价深层滑坡灾害。用 GIS 中的 DEM 模型，模拟出滑动面位置与形态。用 GIS的数字地形模型（DTM） ，勾绘出山脊与沟谷界线，将辅助于切剖面。1996 年美国的 MARIO MEJIA-NAVARRO 等运用 GIS 及工程数学模型建立灾害及风险评估的决策支持系统并应用在克罗拉多州的 Glenwood Springs 地区。将 GIS 技术与决策支持系统
10、（DSS）结合1997 年加拿大的 TREVOR J.DAVIS 和 C.PETER KELLE基于 GIS 用模糊分类方法及可视化技术虚拟真实再现斜坡形态(虚拟现实 )用 GIS 虚拟现实技术 3在这些诸多的工作中，以下两项研究是具有代表性的。印度 Roorkee 大学地球科学系的 R.P. GUPTA 和 B.C.JOSHI（1990 年）用 GIS 方法对喜马拉雅山麓的 Ramganga Catchment 地区进行滑坡灾害危险性分带。该研究基于多源数据集，如航空象片、MSS 磁带数据、MSS 图象、假彩色合成图象及各种野外数据，包括地质、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行
11、数字处理、图象处理等处理，然后解译绘制出专题平面图，包括地质图（岩性与构造） ，滑坡分布图，土地利用图等。这些图件经数字化及有关数据都存储在 GIS 系统中，找出与滑坡灾害评价相关的因素，如滑坡活动与岩性的关系，滑坡活动与土地利用的关系，不同斜坡类型的滑坡分布情况，滑坡分布与主要断裂带的距离关系。经过统计及经验分析，引入一个滑坡危险系数（LNRF） 。LNRF 值越大，表示该地滑坡灾害发生的危险性越高。并且对 LNRF 的三个危险级别分别赋予 0、1、2 三个权重。考虑到滑坡的发生是多个因素综合作用的结果，故调用 GIS 的叠加分类模型（Overlay） ，将各因素的权重叠加，得到综合图件，图
12、上反映的是每个地区的权重总和。根据给定标准，即可在这张图上勾绘出滑坡灾害危险性分区图。荷兰 ITC 的 Van Westen C.J. 和哥伦比亚 IGAC 的 Alzate Bonilla J.B.(1990 年)基于 GIS对山区地质灾害进行分析。他们在数据采集、整理方面作了大量工作，建立了一套完整的数据库；在此基础上，开发出了分析评价模型，如斜坡稳定性分析模型，其主要功能是计算斜坡稳定的安全系数。另外，两位学者还利用 GIS 所生成的数字高程模型（DEM） ，开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，并据此绘出了研究区内落石速率分区图。综上所述，可以看出，国外尤其发达国家将 GIS 应用于地
13、质灾害研究起步较早，研究程度已远远超过我们，此方面的应用也随着 GIS 技术的自身发展而深入。我国只能适合国情，利用现有的技术、有限的人力、财力，探索出一条适合我国国情和地质地理特色的GIS 技术进行地质环境评价的技术路线和方法体系。2.遥感及雷达遥感技术遥感技术在地质环境和地质灾害领域的应用历史几乎与这门技术的诞生是同步的。由于遥感技术具有“广阔视野”的独特优势，从而大大延伸了人类“眼”的功能，这就决定了它在地学领域的广泛应用。但是，直到 80 年代中期以前，地学遥感技术工作仅仅还局限于区域“地质调查”的范畴。随着高精度遥感技术和雷达遥感技术的出现，遥感技术“眼”的功能才得到了真正意义上的延
14、伸，尤其是在地质灾害的评价与预测领域更显示了深刻的应用前景。这方面，最具影响的技术是 SPOT 图象的开发应用和雷达遥感技术。1986 年以来，法国 SPOT 卫星先后有 4 颗投入商业使用。SPOT-1、SPOT-2 和 SPOT-3以及 1999 年 3 月发射的 SPOT-4 都装备有 20 米分辨率的多波段传感器和 10 米分辨率的全波段传感器。除此之外，SPOT4 还装备了一个短波近红外波段传感器（SWIR） ，其光谱分辨率 20 米。SWIR 对水体和土壤潮气有更好的灵敏度。SPOT 图像的地面覆盖为 60X60km2。SPOT 卫星的突出特点是在运行过程中，可以调节传感器的探测方
15、向以便获得地面同一物体的立体相对。目前，SPOT1、2、4 分别定位于地球的不同位置，可以在短期内获得地球绝大部分地方的立体图像。与 LANDSAT TM 图像比较，SPOT 图像由于其 10 米的较高的空间分辨率以及具有立体摄影效果等性质，受到国际上的青睐，被广泛应用于测绘、农业、林业、国土资源勘查和环境保护等领域，取得显著效果。尤其是利用 SPOT 立体像对进行空间三维测量成图，可以说是近年来测绘领域的突破，一定程度上可以取代昂贵的航空摄影测量。如法国国家地 4理研究所（IGN） 、ISTAR 公司（IMAGERIE STEREO APPLIQUEE AU RELIEF）和 GEOIMAG
16、E 公司用具有立体像对的 SPOT 卫星图像和 ERSSAR 图像（欧洲空间局的侧视雷达图像）直接生成万和万地形图，修测万地形图。但是，SPOT 图像波段较少且单一，其多波段彩色合成图像的颜色效果较差，是其显著的弱点。为此，人们设计了许多方法进行 SPOT 图像和陆地卫星 TM 图像（以及雷达图像）的融合,力求经过图像处理，既获得 SPOT 图像 10 米的空间分辨率，又保持 TM 多波段图像的良好彩色效果。近年来，法国地调局（BRGM） 、巴黎第六大学等，利用多时相（时间序列）SPOT 图像等遥感图像对印度尼西亚等地的火山活动以及法国、墨西哥等地的滑坡、崩塌和泥石流进行调查与评价监测。如巴黎
17、第六大学的 Daniel Mege 在秘鲁（PEROU）的 Colca 峡谷地带的灾害地质研究中，采用 SPOT 立体图像，对峡谷地区的岩崩、滑坡和泥石流等灾害地质进行了解译和鉴别，新发现大量灾害地质现象。雷达遥感是利用卫星或航空航天器主动发射电磁波微波到地面，再通过传感器接收地面反射的波而成像的新一代遥感技术。利用雷达遥感技术可以实现不受天气气候和白天黑夜影响的全天候对地遥感，容易产生不缺失的时间序列雷达遥感图像。近年来，国外大力发展雷达遥感技术，发射了一系列的雷达遥感卫星和航天飞机。例如，欧洲空间局的ERS-1/2 和 ENVISAT 雷达遥感卫星，日本的 JERS-1 雷达遥感卫星，俄国
18、的 ALMAZ 雷达遥感卫星，加拿大的 RADARSAT 雷达遥感卫星以及美国的 SIR-C/XSAR 雷达遥感航天飞机等。由于电磁波与地面自然介质之间相互作用的复杂机理，使得雷达遥感图像不像可见光和红外遥感图像那样具有直观的目视解译能力，并具有多解性，给雷达遥感图像的直接应用带来了一定的困难。但是雷达遥感技术两个独特的优势决定了它在地质灾害评价中的具有很高的应用价值：一是它不受天气气候和白天黑夜的影响；二是近年来发展起来的干涉雷达技术（包括差分干涉技术）可望大大提高其分辨能力（达到毫米级） ，从而为大范围，无限点的地面变形和地质灾害监测提供有效的手段；这是目前任何地表监测手段所无法实现的。加
19、之雷达遥感图像的价格较其他高分辨率的多波段光谱遥感图像的价格，相对要便宜得多，因而可以实现时序的连续监测。另外，采用干涉雷达技术，还可形成高精度的 DEM 图像。干涉雷达技术(Radar Satellite Interferometry Technology, RSI)最早的开发是法国的Didier Massonnet, 早在 1985 年，他领导的课题组就进行了一项研究，即不需要在地面上安放任何仪器设备，利用卫星从几百公里远的空间测量地面仅有几个毫米的移动（构造引起的地面变形） ，当时看来是不可思议的，以至于无法实现。在法国空间局（CNES）的支持下，经过数年持续的工作，他们取得了初步的成功
20、。1992 年在南加利福尼亚的Landers 镇附近发生了一次较大的地震。他们收集了这个地区的 ERS-1 卫星可以提供的所有雷达图像，并将在地震前获取的图像和在地震后大致同一位置上获取的另一幅图像组合起来成功地形成了雷达干涉图。然而借助于数字高程地图(DEM)，计算并消除了地形的影响。这样得到了一幅非常理想的反映地震过程中地面位移的雷达干涉条纹图像，并探测到了离地震发生地点 100 多公里远的一条断层有 7mm 的位移。后来，美国喷气动力实验室的 Richard M. Goldstein 和他的合作者利用雷达干涉测量跟踪南极洲的冰河上冰的移动。所获得的图像结果直接反映了冰的移动。由于雷达干涉
21、测量已经展示了其跟踪断层活动和流动冰河的能力，1993 年它已经显 5示出具有极大的前途，进一步，Didier Massonnet 等在西西里 Mount Etna 火山用一系列雷达图像进行了再次的试验。这个火山在 1992 年至 1993 年的 18 个月喷发周期中，ERS-1 卫星通过其上空 30 次。利用这些雷达图像和一幅该地区的高程图，他们产生出 10 余幅与地形影响无关的干涉图。雷达图像显示了 Mount Etna 在喷发的最后七个月时间里，每个月下降了两个厘米。这个变形环绕着火山扩展到很大的范围，意味着底下的岩浆室比地质学家原来想象的要深很多。表 2 列出了雷达干涉技术和后来发展起
22、来的差分干涉技术在地质环境和地质灾害领域的部分应用情况。研究者 国家及机构 主要研究内容和成果Didier Massonnet法国空间局（The French Space Agency，CNES）利用 ERS-1 卫星的数据，用卫星雷达干涉技术测量加利福尼亚的Landers 附近的由一次地震引起的地面变形以及西西里的一个火山口 Mount Etna，在其下的岩浆排走后发生下沉。husun Li, Lewis Shapiro, Lyn McNutt 等Geophysical Institute, University of Alaska Fairbanks, Alaska利用 ERS-1 卫星的
23、数据，采用干涉技术研究 Prudhoe Bay 附近的冰的分离变形，以及确定处于静止或将要发生分离变形的区域。R. StowDoncaster College, Waterdale, DN1 3EX Doncaster, UKDoncaster College, RJB Mining(UK), GEC Marconi Research Centre, 和 Matra Marconi Space 两家合作，利用 ERS1 和 ERS2 两颗卫星的雷达图象数据、合成孔径雷达干涉技术以及由干涉技术作出的DEM 来建立由采矿或其它作用引起的地面沉降的数学模型，取得了一些试验性的成果，他们认为由差分干涉
24、所获得的 DEM，其垂直精度可达 1cm，水平精度可达 12 .5m。Daniel Raymond, Jean-Paul 等France利用具有一定时间间隔的三组数据(10.09.92/26.03.93, 11.06.93/16.07.93, 24.09.93/29.10.93)作出干涉图，确定了采矿引起的沉降效应，获得了地面沉降的速度，但未发现宽约 50m 的滑坡。G. Peltzer, P. Rosen, F. Rogez, C. 等JPL/Caltech,Pasadena, CA, USA；K. Hudnut他们应用雷达干涉技术来研究美国西部和中国西部的断层活动，主要应用于位移监测和估算
25、。J. Askne and G. SmithChalmers University of Technology,Gteborg, Sweden他们利用 ERS1 卫星的数据来确定森林的种类和圈定被砍伐的区域。Z. Lu, R. Fatland, M. Wyss, S. Li 等Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks, Alaska 主要应用 ERS1 卫星的数据和合成孔径雷达干涉技术进行火山活动特性的研究。Fruneau Bndicte,Delacourt Christophe,Achache Jos,Carnec Clau
26、dieFrance采用合成孔径雷达的差分干涉技术研究了两个滑坡的空间位移情况。对其中一个滑坡，他们根据 9596 年的雷达数据作出了 6 幅差分干涉图，图中有许多证据表明滑坡东部的一个小滑块位移相对较大，是不稳定的，并测量了位移值，通过与地面监测结果比较表明，合成孔径雷达的差分干涉测量结果与地面监测基本吻合。G. Peltzer，F. Rogez，P. RosenJet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91109他们收集了 1992 年加利福尼亚的 Landers 地震前后 4 年的
27、雷达数据，采用差分干涉技术得出了在地震前后断层的错动速度（Eureka Peak 断层在 3 年内滑动了大约 14cm，速度约为3.3cm/y； Burnt Mountain 断层在 1992 年地震后 3 个月内，滑动了约 17cm。 ） ，他们用同样的技术研究了洛杉矶盆地，由于石油和地下水的抽取或别的原因，盆地正在以 8mm/y 的速度沿南北向缩短。Salvatore PonteDepartment of Aerospace Engineering Second University of NaplesVia Roma, 29 - I-主要研究 Matese Chain (Campano-
28、Molisano Apennines, Southern Italy)地区的构造运动，从而作出地震预测。他们的方法是先在目的区设置了 20 个用 GPS 定位的角反射器，以便在雷达图象上准确选定目的区，同时选取了 16 个 GPS 基准点用于图象的几何校 681301 Aversa (CE), Italy正，然后根据雷达数据作出不同时间的 DEM 图象，再用 DEM 图象进行差分干涉处理，作出差分干涉图，从而得出目的区的地面位移，求出运动速度，为地震预测提供定量依据。他们取得了一些初步成果，但在差分干涉技术研究、差分干涉测量的 GPS 校正、卫星轨道矫正、干涉像对基线的估算等方面还存在缺陷。除
29、干涉技术外，根据雷达遥感的独特特点，目前发展的偏振技术（包括园偏振光技术和线偏振光技术）和多入射角能力的处理技术等，也都不同程度的提高了雷达遥感的分辨能力，拓宽了应用领域。目前正在运行的四颗雷达卫星加拿大的 Radarsat、欧洲的 ERS-1 和 ERS-2 以及日本的 JERS-1 都可用于雷达干涉测量和地面位移的监测，精度理论上可以达到毫米量级，尽管它们当初都不是为干涉测量所设计的。这对解决大面积的地面滑坡、崩塌等地质灾害的监测，无疑是一项快速、经济、精确和易于推广的技术；也为处理复杂地质过程的描述与复杂地质现象的模拟再现提供了可能。3地质可视化技术野外勘察和量测获得的地质信息是一些离散
30、的数据，面对这些地质信息，地质工程师必然提出这样的问题，如何运用这些资料来推断其在研究区内的发育分布规律。即使能够预测地质信息在区域的分布情况，面对大量的输出数据，地质人员仍然会难于想象和分析。图形、图象是最直观的数据解释，且地质人员又习惯于用图件来反映地质信息，自然会希望利用计算机来显示结构面等在地质体中的分布情况。因此，空间地质模型及可视化系统的研究和应用是工程地质和地质灾害勘察评价领域计算机应用的必然趋势。三维地质可视化模型研究是当前数学地质、石油地质、化探、石油物探、水文地质与工程地质等研究的前沿和热点，也是快速、及时地再现地质体三维信息及综合分析的有效途径。在国外，近些年地质信息可视
31、化模型和系统研究发展较快。MINCOM、DGI 等公司分别在露天矿开采、石油物探和石油开采等领域进行了卓有成效的研究，他们开发的空间地质模型及其可视化系统已成为商品化软件，并在中国市场上销售。如 DGI 公司的EarthVision 软件包所生成的三维空间立体图形清楚的反映了地层与地质结构的空间分布及其相互交切关系。英国工程地质学家 M.J.White 在“Visualization of ElBerrocal granite applicationto rock engineering”一文中介绍了将 EarthVision 软件包成功地应用于核废料的处理中，来展示花岗岩体的三维可视化地质模
32、型，揭示了岩体中结构面的发育分布规律，为勘探布置、场地的选择提供了依据，为岩体渗流场模拟、工程地质数值模拟提供了地质模型。美国 Reservoir Characterization Reaserch and Consulting 公司集中了地质、地球物理、油气藏工程和地质统计学等学科的众多专家，于 1998 年推出了 3D Earth Modeling (RC)2软件。该软件提供了油气藏领域世界一流的咨询、训练和软件工具。具有以下功能：（1）ResPrep 数据库准备、建造和控制；（ 2）ResSeis 地震波型分析和解释；（3）ResGram 图形旋转分析；（4）ResMod 一维、二维、三
33、维地质统计模型；（5） ResScape 结构面三维显示和分析；（6） ResCalc 模型修改和不确定估计（图形交互功能） ；（7）ResScale 图形的放大和缩小；（8）复杂地形表面网格化等。由于国外软件费用高，并且受到具体地质条件的影响，在中国很难得到推广使用，而在国内，如此大型的三维软件尚未见出世。但可喜的是，近年来，我国的地学工作者已开展了空间地质模型的研究。如侯遵泽、徐振帮在随机数据数据网格化方面提出了分条、分块的 7快速算法和映射定点算法；在绘制等值线方面实现了快速三角连网方法，使成图更加灵活、快速。毛善军、许友志等提出了构造（包括断层） 、所有已知地质信息的网格化模型。张菊明
34、、夏炎、宁书年等提出了单地质属性面和多地质属性体的三维显示方法。但大都侧重于单层地质实体的研究，并且对断层、褶皱等构造因素的表示研究少，尤其断层三维显示的算法不成熟。但这些理论和方法的研究和探讨，为三维可视化模型的出现奠定了基础。自 1996 年，地质人员开始了这方面的工作，除在露天矿山开采和石油物探领域研究应用取得较好的效果外，北京市勘察设计研究院的陈昌彦博士等于 1997 年开发研制的“边坡工程地质信息的三维可视化”系统，根据实测的离散点信息建立起三维可视化模型，显示任意位置的剖面和平切图面，并成功的应用于长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构的模拟和三维再现。但总体看，目前的工程岩体结构
35、三维模拟大多对节理等随机结构面而言，不能反映工程设计和大型结构面及其结构面相互交切关系的综合信息和三维特征。因此，建立岩体结构三维地质模型和三维可视化系统，适时、较准确地为水电工程、岩土工程、边坡治理工程、公路铁路工程等实际工程的设计、施工、勘探工作量的布置、边坡开挖与治理、工程地质的数值模拟分析等提供地质依据或模型资料，为地质专家对工程地质问题的正确判断、分析提供综合信息，具有重要的实用价值。4基于信息技术的地质灾害防治风险决策由于地质体材料组成的非均匀性、特性表现的难以预见性和环境条件的可改变性，从而使得有关的灾害和地质工程问题均有很强的不确定性。这种非确定性很难用传统的确定性模型（如稳定
36、性系数或安全系数）来刻画，因而，给地质灾害的防治决策带来很大的实际困难。80 年代以来，人们就开始探索采用基于风险的设计和决策方法解决这类问题，称为“灾害的风险管理”或“风险决策” 。近年来，国外在滑坡灾害的风险管理和决策方面，应用成效最为显著。风险是不确定性结果的一种度量，所谓不确定性就是一个问题的结果存在两个或更多选择的问题。在灾害问题的研究中， “风险”可以定义为在一定的人员损伤或财产损失水平条件下，某一灾害发生的概率值。这里的概率指的是某一事件今后出现的可能性数值，可以通过“量化风险分析” （Quantified Risk Analysis， QRA）来计算。一般的”风险管理”（Ris
37、k Management）包括以下的 5 个步骤（R. L. Schuster, Haimes, 1998）:（1）风险的鉴别: 鉴别风险的来源、特性及与行为或现象有关的不确定性；（2）风险的量化与度量：利用主观或客观的概率，评价产生错误的可能性；模拟风险源与它们可能产生的影响之间的关系；评估各种可能选择的风险概率值；（3）风险评价：以上风险评估过程和风险管理之间的衔接步骤；（4）风险接受和规避：这一步代表“风险决策” 。它针对每一种决策，对所有的成本、效益和风险进行评估, 包括各种不同决策之间的成本核算、可能导致的潜在的社会经济、环境或政治问题，以及目前的决策对今后的选者可能带来的影响，即风
38、险的可接受程度;（5）风险管理：这一步代表在（4）基础上的“执行”的过程。简而言之，就是一套用来处理风险的方法（Molak,1997） 。在以上的 5 个步骤中，一般把步骤（1） 、 （2）称为“风险评估”过程；（4） 、 （5）称为“风险管理过程” 。Fell 和 Hartford (1997) 进一步把灾害的风险管理概括为图 1 所示的流程。 870 年代开始，风险决策的概念就被引入到边坡地质灾害的评价。一些研究者，如Tang 等 (1976),Vanmarcke(1980), Lessing(1983),Vanes(1984), Einstein(1988),Hartlen & Vibe
39、rg(1988), Fell(1994), Morgenstern(1995,1997), Wu(1996), Fell & Hartford(1997), Finlay & Fell(1997) Tang 等(1997) 在这方面的工作是卓有成效的。将风险评价的方法应用于大范围的地质灾害评价，其成果主要就体现为滑坡灾害或风险的分布图。这方面国际上已经做了许多很有意义的工作，美国在 1972 年完成的加州San Mateo 地区的“滑坡危险性图”就是早期的一个典型实例（Brabb 等，1972） ，后来这幅图成了指导这一地区开发的基础性图件。1982 年美国编制了全国小比例尺(1：7,500,
40、000) 的“滑坡危险性图”(Radbruch-Hall 等，1982) 。后来，陆续又有不少的国家编制了比例尺精度可用于规划目的的滑坡灾害分布图，如意大利、美国等。Einstein (1988,1997)建议的滑坡灾害风险制图顺序为:（1）基本条件图：只表示场地的地貌、地质、水文、植被、岩土数据和场地勘测结果，不作任何的推断和解释。（2）危害性图：标明已有和潜在的变形破坏现象，包括破坏可能的机制，如崩塌、滑坡、泥石流等。（3）灾害图：在灾害性图基础上，表明每类灾害破坏的概率值。对简单的失稳模式，斜坡在给定时间内的破坏概率可以根据斜坡的几何特征、岩土性质和触发因素等的出现概率来估计。结果在图上
41、用具有不同破坏概率的分区来表达。将灾害图与破坏的结果联系在一起就得到了“滑坡风险图” ，此图可以用于滑坡灾害的管理（Wu 等， 1996） ；最有效的方法是将灾害图与土地利用图叠加得到“滑坡风险图” 。灾害图与风险图在滑坡灾害管理中并不是最终的成果，但是，它们构成滑坡管理决策的重要组成部分（Einstein,1997） 。我国香港特别行政区是世界上开展滑坡风险评价和风险决策较早的地区，也是目前世界上应用风险决策进行边坡安全管理最为成功的地区之一。香港独特的地理条件决定了这范围的确定灾害的鉴别频率分析 成果分析风险估计风险分析选择/变更分析风险接受：风险值，评判，基于风险的决策准则 风险评价风险
42、管理风险评估监测风险决策 风险控制 9座他在城市的发展过程中必然涉及大量山坡地的开发问题，加之这一地区人口稠密和夏季低压槽带来的强降雨过程，因此，香港在 70 年代是世界上滑坡风险最高的地区之一。70年代以来，香港采取了一系列严格的措施来控制滑坡风险，最为代表的举措就是建立和逐步完善了“边坡安全系统” 。这个系统的目标就是降低滑坡风险和提高公众的风险意思。围绕这个系统的建立，香港对境内近 4 万个人工边坡进行了编录，建立了相应的边坡数据库和信息系统。将政府的政策管理行为、岩土工程师的专业技术以及边坡所有者和公众的参与有效地结合起来，共同参与降低滑坡风险的边坡安全管理行动，并在此过程中，通过风险
43、评估，不断完善边坡安全体系。这一体系在香港的应用取得了显著成效，80 年代以来，香港滑坡灾害风险被显著降低了，其降低幅度是没有建立边坡安全系统之前的 10 倍。三、面向 21 世纪信息技术在我国地质灾害防治与地质环境管理中的应用展望3.1 基本框架由于地质体的复杂性、人类活动的多样性、灾害过程的随机性和结果可能的非确定性，从而导致地质灾害评价与地质环境管理不仅是一个信息高度集中，而且也是一个在决策上对信息依赖程度很高的领域。实际上，在整个地质灾害评价和地质环境管理决策中，都必须有高度发达的信息技术为支撑，这一点，随着当今灾害与环境问题的突出而表现得愈发强烈。根据国内外在这一领域及相关领域的发展
44、状况及我国目前的实际发展水平，我们构建下世纪初，支撑我国地质灾害评价及地质环境保护领域的信息技术系统构架如图 2 所示。作为一个全面的支撑系统，它包含了以下几部分或子系统：现场数据采集和信息获取技术系统；数据管理与信息集成系统；建模、分析与评价系统；风险评估与防治决策系统；成果应用的网络发布系统计算机网络支撑系统。各部分的具体技术内容如图 2，技术集成如图 3 所示。图 3 地质灾害评价与地质环境管理的信息技术集成数据哭系统和基于 GIS 的信息系统基于 GIS 的地质灾害区域评价与危险区划系统（RS ）地面变形全球定位系统监测（GPS）干涉雷达(SAR)遥感和 SPOT 图象监测基于监测信息
45、的地质灾害预测及预警系统地质建模系统监测及环境信息获取数据库及信息系统评价、预测与防治图形支持系统地质灾害防灾减灾风险决策支持系统其他监测网络技术网络技术 1地质调查或地质填图常规监测技术（包括变形、降雨、地震等）遥感监测技术（针对变形）干涉雷达技术Spot 图象技术航空遥感监测技术GPS 变形监测技术变形的数值化量测技术数值激光量测技术数值容栅量测技术数值图象遥测技术其它数据管理与信息集成现场数据采集和信息获取风险评估与防治决策建模、分析与评价指标体系的建立及标准化关系型数据库管理GIS 系统信息管理图层管理空间属性数据管理多媒体信息管理DEM 图形开发及应用多源信息集成与管理国家基础地理信息大地变形网测量信息地震及降雨监测信息基于 GIS 的空间分 析与区划模型基于时间序列监测的灾害预测及预警模型三维地质建模数据结构图形技术模型分析技术虚拟现实技术成果的网络发布灾害风险管理风险识别及性质确定风险的量化与度量风险评价风险评估风险决策边坡安全体系的建立决策机构政府部门专业技术人员非公益部门公 众图 3 地质灾害评价与地质环境管理中的信息技术支撑系统网络传输
