韓用順，彭述剛，朱穎彥，孔亞平，李龍偉，付 玉

(1．湖南科技大學(xué)地理空間信息湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南湘潭411201;2．中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;3．交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院交通環(huán)保與安全研究中心，北京100029)

一、引 言

公路交通對于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活水平，起到了十分重要的作用。震區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害已成為災(zāi)后恢復(fù)重建和道路交通安全面臨的突出問題和重要制約因素，大型公路災(zāi)害專題地圖集具有系統(tǒng)科學(xué)、綜合集成、形象直觀等特點(diǎn)，成為公路交通科技防災(zāi)減災(zāi)管理的重要技術(shù)手段之一。目前，關(guān)于汶川地震次生地質(zhì)災(zāi)害及震區(qū)道路交通的研究成果較多，而有關(guān)汶川地震災(zāi)害方面的地圖集相對較少[1-4]，僅有的幾部地圖集也多從遙感和災(zāi)情方面反映汶川地震或其次生地質(zhì)災(zāi)害的分布與危害，仍沒有高烈度地震區(qū)公路次生地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評估方面的大型綜合性專題地圖集。本文介紹了面向我國西部高烈度地震區(qū)公路建設(shè)發(fā)展及其防災(zāi)減災(zāi)需求，整合公路交通領(lǐng)域抗震救災(zāi)、次生災(zāi)害形成機(jī)理、分布規(guī)律、識別診斷、監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)害評價(jià)和防治規(guī)劃等相關(guān)科技成果，進(jìn)行震區(qū)公路次生地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評估地圖集設(shè)計(jì)，采用3S和數(shù)字制圖技術(shù)，建立了地圖數(shù)據(jù)庫和制圖信息平臺，編制了國內(nèi)外首部高烈度地震區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評估地圖集，可為我國山區(qū)公路選線設(shè)計(jì)、重建規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)管理提供依據(jù)和參考，并為震區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害研究積累豐富的數(shù)據(jù)資料。

二、地圖集設(shè)計(jì)

1．設(shè)計(jì)思想

《震區(qū)公路次生地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評估地圖集》從災(zāi)害系統(tǒng)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，進(jìn)行圖集的總體設(shè)計(jì)(圖1)。公路地質(zhì)災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)體、承災(zāi)體和災(zāi)情之間相互作用、相互影響、相互聯(lián)系，形成了一個具有一定結(jié)構(gòu)、功能和特征的復(fù)雜系統(tǒng)，即公路地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)。孕災(zāi)子系統(tǒng)包括地質(zhì)、地貌、氣象、水文及土地利用等自然環(huán)境子系統(tǒng);致災(zāi)子系統(tǒng)包括地震、地質(zhì)災(zāi)害及其運(yùn)動與危害特征等子系統(tǒng);承災(zāi)子系統(tǒng)包括人、各類產(chǎn)業(yè)、道路交通及資源環(huán)境等社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng);災(zāi)情子系統(tǒng)包括人員傷亡、社會經(jīng)濟(jì)損失、各種財(cái)富性與資源性資產(chǎn)損失等破壞損失子系統(tǒng)。公路地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)是一個動態(tài)、復(fù)雜、非線性系統(tǒng)，需要引入風(fēng)險(xiǎn)管理概念，以定量的方式對其加以完整的研究。公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合反映了公路地質(zhì)災(zāi)害自然屬性和社會屬性，由其致災(zāi)體的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的易損性和孕災(zāi)環(huán)境的暴露性組合而成。因此，需要從系統(tǒng)的角度將公路次生地質(zhì)災(zāi)害看做一個整體，以形成機(jī)理和成災(zāi)機(jī)制為基礎(chǔ)，以災(zāi)害監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評估為核心，以防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理為目標(biāo)，進(jìn)行其專題地圖集設(shè)計(jì)與編制，反映震區(qū)孕災(zāi)環(huán)境及其地理特征，揭示震后公路次生地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理、分布與演化規(guī)律，提出次生地質(zhì)災(zāi)害識別診斷、動態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評估方法，構(gòu)建公路災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)體系，為震區(qū)公路恢復(fù)重建和運(yùn)營管理提供科技支撐。

2．內(nèi)容設(shè)計(jì)

本地圖集共分為序圖、汶川地震、次生地質(zhì)災(zāi)害、災(zāi)害分布規(guī)律、公路災(zāi)害監(jiān)測、公路災(zāi)害評估和災(zāi)害防治規(guī)劃等7個圖組，共142幅圖。序圖主要介紹震區(qū)地理環(huán)境、地質(zhì)條件、歷史地震、震前地質(zhì)災(zāi)害、道路交通及其內(nèi)在聯(lián)系，是整個圖集的先導(dǎo)。汶川地震圖組根據(jù)地震及其次生地質(zhì)災(zāi)害的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)狀況等孕災(zāi)條件，選編災(zāi)區(qū)地理環(huán)境、地質(zhì)背景、氣象水文、土地利用、社會經(jīng)濟(jì)和主震余震等內(nèi)容，反映我國西部山區(qū)主要地震帶的孕災(zāi)環(huán)境及強(qiáng)震活動。次生地質(zhì)災(zāi)害圖組歸納總結(jié)次生地質(zhì)災(zāi)害的概念、類型、成災(zāi)特點(diǎn)與危害，是科學(xué)認(rèn)識次生地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)。災(zāi)害分布規(guī)律圖組在全面掌握震前震后地質(zhì)災(zāi)害信息的基礎(chǔ)上，按照不同時(shí)空尺度，分析次生地質(zhì)災(zāi)害的活動特征，揭示其分布與演化規(guī)律，是關(guān)于震后次生災(zāi)害客觀規(guī)律和總體態(tài)勢的基本認(rèn)知，也是科學(xué)研究和防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)。公路災(zāi)害監(jiān)測圖組基于災(zāi)害形成機(jī)理，提出潛在地質(zhì)災(zāi)害識別診斷技術(shù)，構(gòu)建次生地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系，是最為直接有效的防災(zāi)減災(zāi)非工程措施(圖2)。公路災(zāi)害評價(jià)圖組介紹次生地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估原理與方法，進(jìn)行不同空間尺度下不同類型次生地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性、易損性和風(fēng)險(xiǎn)評估與等級區(qū)劃，形成震區(qū)次生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的技術(shù)基礎(chǔ)。災(zāi)害防治規(guī)劃圖組分析總結(jié)次生地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)，進(jìn)行防治工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與方案優(yōu)選，開發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害輔助決策支持系統(tǒng)，介紹震區(qū)公路交通抗震救災(zāi)、恢復(fù)重建及次生地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃成果，為震區(qū)公路選線設(shè)計(jì)、恢復(fù)重建和防災(zāi)減災(zāi)管理提供依據(jù)和參考。

圖1 地圖集總體設(shè)計(jì)

圖2 重大災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)原位監(jiān)測技術(shù)體系

3．?dāng)?shù)學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是數(shù)字制圖與空間分析的基礎(chǔ)，也是地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范表達(dá)的前提，主要包括統(tǒng)一地圖投影系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、比例尺系統(tǒng)和地理編碼系統(tǒng)。本圖集主要有災(zāi)區(qū)51縣、災(zāi)區(qū)32縣、龍門山區(qū)、岷江上游、汶川縣、都汶公路沿線、震中牛圈溝等7個不同空間尺度和地理特征的制圖區(qū)域，根據(jù)制圖目的、要求與制圖對象分布特點(diǎn)，采用高斯投影系統(tǒng)、WGS-84坐標(biāo)系和黃海85高程系統(tǒng)，其基本比例尺分別為1∶200萬、1∶1 50萬、1∶100 萬、1∶50 萬、1∶20 萬、1∶5 萬和 1∶1 萬，部分典型工程區(qū)和重大工程點(diǎn)則采用1∶2000和1∶1000。依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定空間數(shù)據(jù)分層方案和非空間數(shù)據(jù)分類與編碼體系，并在此基礎(chǔ)上，完成地圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理。

4．地圖語言設(shè)計(jì)

地圖語言是地理信息表達(dá)和傳遞的基本工具，主要包括地圖符號、色彩和注記。地圖語言的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響地圖信息表達(dá)和傳遞的效果[5-6]。本圖集采用ArcGIS為基礎(chǔ)制圖平臺，該軟件具有豐富的符號庫、色彩庫和注記功能，并提供了擴(kuò)展的二次開發(fā)接口，但缺乏對地震、地質(zhì)災(zāi)害和公路交通等專題要素符號與色彩的定義與描述。因此，地圖語言設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于專題要素的地圖符號設(shè)計(jì)。普通地理要素及其表達(dá)，根據(jù)地圖圖式和制圖規(guī)范，在ArcGIS中按照給定的圖例符號、色彩和注記進(jìn)行地圖語言設(shè)計(jì)與制作。地震、地質(zhì)災(zāi)害和公路交通等專題要素地圖符號則在優(yōu)先考慮各要素分類分級要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)顧及構(gòu)成地圖符號的形狀、尺寸、方向、色彩、結(jié)構(gòu)、密度等6個圖形變量，并以形狀、尺寸和色彩為主，結(jié)合 CorelDraw、Auto-CAD、DWGConvertor和Photoshop等輔助工具，進(jìn)行公路次生地質(zhì)災(zāi)害地圖符號庫和色彩庫的設(shè)計(jì)與制作，形成一個較為完整的公路地質(zhì)災(zāi)害符號庫和色彩庫，最后將其添加到ArcGIS中，方便后續(xù)制圖工作需要。本圖集中，設(shè)計(jì)了點(diǎn)狀符號2304個、線狀符號307個、面狀符號412個，按照4色配比法配置了523種顏色，整編了19 058個地名，初步建立了公路次生地質(zhì)災(zāi)害地圖符號庫、色彩庫和地名數(shù)據(jù)庫。

5．圖型與版式設(shè)計(jì)

該圖集中的普通地理要素根據(jù)相應(yīng)的地圖內(nèi)容，按地圖圖式和制圖規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與表達(dá)。地震、次生地質(zhì)災(zāi)害和公路交通等專題要素，則運(yùn)用定點(diǎn)符號法、定位圖表法、等值線法、動線法、范圍法、質(zhì)底法、分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖、分級統(tǒng)計(jì)圖等表達(dá)方法，結(jié)合文字、圖表、照片、影像等輔助手段，綜合設(shè)計(jì)，靈活應(yīng)用，科學(xué)地表達(dá)(圖3)。此外，采用遙感制圖、三維數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行震區(qū)地理環(huán)境、防治工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，危巖危險(xiǎn)性評價(jià)等內(nèi)容的三維模擬與虛擬仿真，創(chuàng)新了圖型表達(dá)方式和地圖表現(xiàn)力(圖4)。

圖3 汶川地震及其次生地質(zhì)災(zāi)害危害道路交通

圖4 龍門山區(qū)地理環(huán)境三維虛擬仿真

為了便于使用與保存，根據(jù)地圖主題、制圖區(qū)域特點(diǎn)和成圖比例尺要求，本圖集開本設(shè)置為16開，主要版式有展開頁、標(biāo)準(zhǔn)圖幅、兩拼和四拼。標(biāo)準(zhǔn)圖幅的版面規(guī)格為高280 mm×寬210 mm，包括頁邊距、頁眉頁腳裝幀和成圖區(qū)，其中成圖規(guī)格為高250mm×寬165 mm;展開頁為8開，版面規(guī)格為高280mm×寬420mm、其中成圖規(guī)格為高250 mm×寬380mm。

三、地圖集編制

1．編輯準(zhǔn)備

收集與整理制圖所需的基本資料、補(bǔ)充資料和參考資料，分析編圖資料的政治性、完備性、精確性和現(xiàn)勢性，研究制圖區(qū)域地理特征和制圖對象分布特點(diǎn)，根據(jù)圖集的主題、用途和比例尺，確定所編地圖的內(nèi)容、表示方法、作業(yè)程序等，撰寫編圖大綱，制作地圖生產(chǎn)工藝流程及綜合樣圖。本圖集大量制圖資料來源于抗震救災(zāi)和震后現(xiàn)場調(diào)查與災(zāi)害監(jiān)測過程中的第一手資料，借鑒和引用了相關(guān)單位專家學(xué)者研究成果[1-3，7]。

2．工作底圖制作

工作底圖是專題地圖的骨架和控制系統(tǒng)，直接影響到圖集科學(xué)內(nèi)容表達(dá)的精度以及內(nèi)容綜合的協(xié)調(diào)，解決相同底圖多次出現(xiàn)的統(tǒng)一性。工作底圖的要素起著說明專題現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的地理環(huán)境的作用，因此是退居第2或第3個層面的背景要素層，用色淺淡，內(nèi)容量不能干擾專題要素的表達(dá)。針對不同的專題主題、用途和表示方法，工作底圖的設(shè)計(jì)與表達(dá)方法也不同。本圖集共設(shè)計(jì)與制作了震中牛圈溝、都汶公路沿線、汶川縣、岷江上游、龍門山區(qū)、災(zāi)區(qū)32縣和災(zāi)區(qū)51縣等7類工作底圖(圖5)，從點(diǎn)、線、面和區(qū)域4個空間尺度綜合表達(dá)震區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)主題與內(nèi)容，其主要地理要素包括行政界線、居民地、地名、DEM、水系等，且各類要素均分級設(shè)計(jì)與制作，并保持整個圖幅的信息載負(fù)量平衡與協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上，只需專注于各專題要素的設(shè)計(jì)與制作。

圖5 重災(zāi)區(qū)32縣基礎(chǔ)工作底圖設(shè)計(jì)與樣圖制作

3．地圖編制與出版

該圖集根據(jù)設(shè)計(jì)與編制大綱要求進(jìn)行編制。本圖集設(shè)計(jì)與編制過程中，成立了編纂委員會、科學(xué)顧問委員會和圖集編輯部，采用多學(xué)科與3S技術(shù)相結(jié)合的方法，利用現(xiàn)代數(shù)字制圖、數(shù)值仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，完成了7個圖組的142幅圖件的編制(圖6～圖9)。經(jīng)質(zhì)量檢核、專家評審和校樣修改后，根據(jù)地圖出版印刷的分色要求，直接按分色要素將各專題圖件自動分為專色文件，通過激光照排系統(tǒng)輸出印刷專用膠片，提供給出版社和印刷廠出版印刷。

圖6 災(zāi)區(qū)51縣歷史地震分布圖

圖7 都汶公路沿線崩塌滑坡分布與演化規(guī)律

圖8 都汶公路沿線危巖危險(xiǎn)性評價(jià)圖

圖9 震中牛圈溝防治工程分布圖

四、地圖集特點(diǎn)

1)特色鮮明。本圖集立足汶川地震災(zāi)區(qū)，面向我國高烈度地震山區(qū)公路防災(zāi)減災(zāi)需求，依托公路交通領(lǐng)域行業(yè)優(yōu)勢，集成震后交通科技救災(zāi)最新成果，具有鮮明的震區(qū)地域特色、交通行業(yè)特色、防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐特色和多學(xué)科多技術(shù)綜合集成特色。

2)科學(xué)性強(qiáng)。本圖集數(shù)據(jù)資料全面翔實(shí)、現(xiàn)勢性強(qiáng)，60%以上圖件在國內(nèi)首次公布，綜合了交通和災(zāi)害領(lǐng)域的震區(qū)公路次生地質(zhì)災(zāi)害最新技術(shù)和研究成果，系統(tǒng)介紹了公路次生地質(zhì)災(zāi)害形成條件、致災(zāi)機(jī)理、分布規(guī)律、識別診斷、監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和防治規(guī)劃，形成了較為完整的公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)體系，成果豐富、科學(xué)具體。

3)通俗易懂。圖文并茂、制作精美，專業(yè)性強(qiáng)或較難理解的原理、技術(shù)與方法則多配以形象直觀的原理圖、結(jié)構(gòu)圖、示意圖和淺顯易懂的文字、照片、圖表或影像等輔助說明，整個圖集在保證科學(xué)性的前提下，兼具藝術(shù)性和科普性。

4)技術(shù)先進(jìn)。本圖集設(shè)計(jì)新穎，制作先進(jìn)，采用數(shù)字制圖、3S、三維建模、數(shù)值仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)成果，建立了專題地圖數(shù)據(jù)庫和制圖技術(shù)平臺，在傳統(tǒng)數(shù)字制圖的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字制圖、多媒體制圖和電子地圖等多維動態(tài)效果。

5)實(shí)用性廣。本圖集可以為震區(qū)公路恢復(fù)重建、交通防災(zāi)減災(zāi)管理、政府宏觀決策、大眾科普教育和相關(guān)科學(xué)研究等提供依據(jù)和參考，其相關(guān)成果已成功應(yīng)用于國家汶川地震災(zāi)后重建規(guī)劃和災(zāi)區(qū)公路恢復(fù)重建，取得了良好社會與經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)論與討論

本圖集匯集了相關(guān)單位專家學(xué)者汶川地震后獲取的大量珍貴的第一手資料和多年研究成果，采用了高水平地圖制圖與地圖信息可視化技術(shù)，融合了多種表達(dá)方式，反映了震區(qū)公路次生地質(zhì)災(zāi)害的時(shí)空分布與過程，總結(jié)了公路次生地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)體系，展示了豐富的科學(xué)內(nèi)容，圖文并茂、形象直觀、科學(xué)系統(tǒng)，可為震區(qū)公路恢復(fù)重建和運(yùn)營管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，也可以地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)管理提供借鑒和參考。震后災(zāi)區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害問題復(fù)雜，需要長時(shí)間序列的深入研究，由于研究時(shí)間等條件所限，本地圖集中的一些原理和方法還有待實(shí)踐檢驗(yàn)和完善，次生地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律、形成機(jī)理、識別診斷、災(zāi)害評估、監(jiān)測預(yù)警與減災(zāi)技術(shù)等一系列科學(xué)問題仍有待于進(jìn)一步深化。本地圖集僅反映汶川地震次生地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評估的初步研究成果，希望為災(zāi)區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)管理提供借鑒和參考，為后續(xù)研究提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

致謝：中國科學(xué)院對地觀測中心、中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所、國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局和國家測繪地理信息局等單位提供了部分成果和數(shù)據(jù)支持，鐘敦倫研究員、陳昱研究員、王兆印教授、袁勘省教授等給予了悉心指導(dǎo)和幫助，圖集引用了相關(guān)單位專家學(xué)者的部分研究成果，在此一并感謝。

[1]郭華東．汶川地震災(zāi)害遙感圖集[M]．北京：科學(xué)出版社，2008．

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[3]樊杰，周成虎，顧行發(fā)，等．國家汶川地震災(zāi)后重建規(guī)劃-資源環(huán)境承載能力評價(jià)[M]．北京：科學(xué)出版社，2009．

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