秦文濤 郭小坤 郭軍峰 郝 璐 洪碧武

（西南交通建設集團股份有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從20世紀90年代開始在商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用，在金融業(yè)、電子技術(shù)、圖像處理等海量數(shù)據(jù)密集行業(yè)的應用尤為廣泛和成熟。如王冬梅[1]結(jié)合醫(yī)院現(xiàn)有的HIS 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)輔助醫(yī)療診斷；王 云等[2]提出用多維關(guān)聯(lián)規(guī)則技術(shù)分析交通事故記錄，用于識別和發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生規(guī)律和起因；陳 起[3]將數(shù)據(jù)挖掘應用于電信客戶細分中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分群操作；數(shù)據(jù)倉庫的設計方式與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的組織和應用方面具有很大不同，其應用領(lǐng)域仍然有待繼續(xù)挖掘。

在滑坡地質(zhì)災害預測預報領(lǐng)域，由于滑坡相關(guān)的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)在空間和時間上具有不確定性，數(shù)據(jù)倉庫的應用非常少見，對于數(shù)據(jù)倉庫的認識也亟待建立和應用[4-6]。目前關(guān)于數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與地學的結(jié)合，最著名的是加拿海洋深度數(shù)據(jù)倉庫和美國國家水質(zhì)評價數(shù)據(jù)倉庫，前者利用Oracle 關(guān)系數(shù)據(jù)庫開發(fā)出水平和垂直方向的數(shù)值地形模型；后者的聯(lián)機數(shù)據(jù)庫保存約700 萬條記錄，用于監(jiān)測全美46個州大部分河流水質(zhì)數(shù)據(jù)。

本文根據(jù)數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，在對滑坡敏感性因子成因分析的基礎上，建立了滑坡敏感性多維數(shù)據(jù)模型，將滑坡區(qū)的致滑因子空間數(shù)據(jù)按不同地區(qū)、不同類型儲存于滑坡災害數(shù)據(jù)倉庫中，實現(xiàn)了滑坡預測預報的數(shù)據(jù)快速響應，為地區(qū)滑坡地質(zhì)災害防治提供了針對性建議。

1 滑坡數(shù)據(jù)倉庫設計

滑坡災害防治需要對各類地質(zhì)資料數(shù)據(jù)進行整合與分析，這些數(shù)據(jù)包括空間上的數(shù)據(jù)如滑坡地點、巖性條件、水文地質(zhì)條件和地形地貌等，以及時間尺度上的滑坡變形位移、歷史滑坡等。數(shù)據(jù)從類型上可以劃分為空間數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)三類，數(shù)據(jù)存放于不同的操作數(shù)據(jù)庫中，其目的是便于在預測預報時從中準確挖掘出有用數(shù)據(jù)，具有面向主體、高集成度、歷時快和能夠快速檢索等特點。

1.1 設計原則

滑坡災害數(shù)據(jù)倉庫設計中盡量采用已有的Oracle 關(guān)系數(shù)據(jù)庫，防止研究新型數(shù)據(jù)庫技術(shù)所導致的不成熟和不穩(wěn)定，保證系統(tǒng)擴展性好、易于維護和方便快捷。在數(shù)據(jù)倉庫的邏輯結(jié)構(gòu)上，分為數(shù)據(jù)獲取、管理和使用三步。

1.2 多維模型

數(shù)據(jù)倉庫基于多維模型，該模型可以更好地理解數(shù)據(jù)分析的目的，且適用于復雜分析查詢，多維模型由維和事實描述[7]。事實包括若干個相關(guān)的維，維用于描述屬性來提供上下文。所有的維被組成不同的聚集層次，這樣使得事實的度量能夠基于不同細節(jié)進行分析。在建立滑坡災害模型中它能夠幫助使用者理清數(shù)據(jù)來源，因此形成開一個對數(shù)據(jù)的具體求解方法。

1.3 數(shù)據(jù)倉庫體系

數(shù)據(jù)倉庫體系主要分為三層：數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)存儲層和數(shù)據(jù)訪問層[8]。三個層次分別對應著后端層、數(shù)據(jù)倉庫層以及用戶層。其中，后端層用于傳回數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)倉庫之前，其主要作用是對數(shù)據(jù)進行集成和轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)倉庫層的主要作用是保存數(shù)據(jù)；用戶層主要用于處理和分析數(shù)據(jù)，包括報告、統(tǒng)計以及數(shù)據(jù)挖掘等直接面向用戶的操作。體系結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)

1.4 數(shù)據(jù)倉庫設計

數(shù)據(jù)倉庫的設計參照傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計進行，滑坡地質(zhì)災害數(shù)據(jù)倉庫設計過程中采用“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的設計思路，包含如下兩個方面：

（1）盡量利用已有數(shù)據(jù)，在已有的基礎數(shù)據(jù)庫上進行建設，這是數(shù)據(jù)驅(qū)動的出發(fā)點。

（2）面向主體而非面向應用，從數(shù)據(jù)系統(tǒng)出發(fā)，按照地質(zhì)災害領(lǐng)域的要求設計數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，來組織數(shù)據(jù)倉庫中的主題。

本文所研究的基于地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)倉庫ETL 的滑坡數(shù)據(jù)倉庫設計內(nèi)容包括數(shù)據(jù)選擇、轉(zhuǎn)換、清晰和加載，具體架構(gòu)實現(xiàn)過程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)倉庫設計流程

2 概念模型

滑坡預測預報的概念模型包括兩方面：第一是模型的事實、維和劃分標準；第二是多維模型的架構(gòu)設計?；聰?shù)據(jù)倉庫建立過程中，逐步對每個主題進行求解和分析。本文設計了兩個主題：滑坡預測預報主題與滑坡數(shù)據(jù)監(jiān)測主題，每個主題的維、度量方法和劃分層次不盡相同。

2.1 滑坡預測預報

滑坡地質(zhì)災害預測預報是在數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘的基礎上，針對滑坡區(qū)域的致滑因子搜集數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析，然后對此區(qū)域的滑坡危險性進行評價，為地質(zhì)災害的預測預報提供可靠依據(jù)。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，致滑因子的數(shù)據(jù)來源可分為如下幾大類：

（1）所在區(qū)域地形地質(zhì)圖、地質(zhì)災害分布圖、植被覆蓋情況、土地規(guī)劃圖。

（2）區(qū)域內(nèi)滑坡歷史數(shù)據(jù)，包括滑坡分布地點、滑坡體外貌、坡腳特征，巖土體性質(zhì)、歷史滑動數(shù)據(jù)等具體數(shù)據(jù)。

（3）環(huán)境資料，包括氣候條件、溫濕度變化、降雨量等。

（4）經(jīng)濟建設與人文資料，包括研究區(qū)域人文地理，重要建筑物、道路橋梁隧道、地下管線等與人類活動相關(guān)的工程設施分布情況數(shù)據(jù)。

（5）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要是危險滑坡體的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及防治工程監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（6）各級相關(guān)部門通訊方式和資料。

（7）國家和地區(qū)相關(guān)政策法規(guī)關(guān)于滑坡地質(zhì)災害預測預報的規(guī)定。

2.2 層次劃分

在數(shù)據(jù)收集的基礎上，通過對滑坡成因分析，從而將致滑因子劃分為如下四個層次：

（1）區(qū)域滑坡概況，包括一個地區(qū)滑坡的地理位置、滑坡類型（土質(zhì)滑坡、巖質(zhì)滑坡、變形體等）、每個滑坡組成部分（滑坡體、滑動面、滑坡床、滑動帶等）的特征、滑坡發(fā)生頻率以及所有相關(guān)的數(shù)據(jù)。

（2）賦存環(huán)境，包括滑坡的巖土體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及相關(guān)的水文條件（如水系分布等）。

（3）誘發(fā)因素，包括降雨、地震、人為活動（植被破壞、修筑建筑物、爆破等）。

（4）潛在受災對象，滑坡周圍可能因受到潛在危險而導致經(jīng)濟損失的地區(qū)，如人口、建筑物、生態(tài)環(huán)境等。

2.3 評價指標確定

滑坡預測預報基于滑坡敏感性區(qū)劃來進行，對于滑坡敏感性的區(qū)劃，需要對導致滑坡形成的所有因子的貢獻進行權(quán)值劃分，并對每個因子的貢獻大小定量化，評價指標的目的就是通過深入分析滑坡形成因素的基礎上對致滑因子定量化取值。各個致滑因子的評價指標如下：

（1）滑坡分布：對于所在區(qū)域各地點是否有滑坡，已知滑坡由數(shù)1 表示，不存在滑坡用數(shù)值0 表示。

（2）滑坡結(jié)構(gòu)：滑坡所在地區(qū)地層巖性是控制滑坡發(fā)生的重要條件，由松散堆積體、碎石土、風化殼組成的坡體抗剪強度低易于發(fā)生滑坡，堅硬巖質(zhì)坡體抗剪強度高不易發(fā)生滑坡，坡體中存在軟弱滑動面的斜坡在觸發(fā)因素作用下易發(fā)生滑塌；從順向坡、順斜坡、橫向坡、逆斜坡至逆向坡，滑坡危險性逐漸降低。

（3）滑坡坡度：將滑坡坡度分為五個維度，分別為0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°以 及＞60°。坡度越大，發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性越高，其賦值從1 至0 呈5 級遞減。

（4）海拔高度：通過分析工程區(qū)滑坡分布高度發(fā)現(xiàn)，海拔越低地方滑坡體發(fā)生概率越小。根據(jù)海拔高度的不同統(tǒng)計不同類型滑坡數(shù)量，本文將海拔高度按小于100 m，100～200 m，200～250 m，250～300 m和大于300 m 分成5 個級別，海拔高度較低區(qū)域發(fā)生滑坡的風險性越低。

（5）水系分布：河流對于滑坡坡腳底部侵蝕作用非常明顯，沖蝕掏空直接導致滑坡底部產(chǎn)生臨空面，從而使滑動面暴露于外部環(huán)境中；通過統(tǒng)計滑坡所在位置與河流水系的距離，對其危險性分級，其距離以200 m 作為分界線，在河流流域200 m 以內(nèi)的滑坡受影響作用明顯，200 m 以外的影響忽略不計。

（6）人類工程活動：人類工程活動（如修筑公路開挖坡腳）對于滑坡影響較大，因此以工程建筑物與滑坡距離作為衡量尺度進行分級。本文設定滑坡區(qū)與公路的距離來進行量化，距離公路直線距離100 m作為分界，100 m 以內(nèi)滑坡受影響明顯，100 m 以外影響忽略不計。

3 系統(tǒng)設計

3.1 界面設計原則

在不妨礙用戶使用方便快捷的基礎上，盡量保證系統(tǒng)的界面布局相同、操作方式一致、對信息的讀取一目了然。

3.2 功能設計

（1）數(shù)據(jù)管理：數(shù)據(jù)管理主要指對數(shù)據(jù)倉庫的實際操作功能的設計，對于滑坡數(shù)據(jù)中多維度、模型和ETL 設計都必須及時同步至數(shù)據(jù)庫，對于數(shù)據(jù)庫用戶設置不同權(quán)限便于其對數(shù)據(jù)倉庫進行整理，對數(shù)據(jù)資料做好備份防止丟失。

（2）數(shù)據(jù)顯示：方便用戶直觀地了解數(shù)據(jù)變化情況，目標區(qū)域降雨量、地震活動、人類活動等觸發(fā)因素，以及所在區(qū)域巖性條件、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等環(huán)境條件等，都需要及時準確顯示。

（3）數(shù)據(jù)挖掘：方便用于快速瀏覽和提取特征數(shù)據(jù)進行對比分析，為滑坡預測預報提供詳盡資料。

圖3是滑坡預測預報系統(tǒng)的管理員界面，通過此界面，管理可以實時對數(shù)據(jù)庫進行更新操作，調(diào)用某個特定數(shù)據(jù)進行特征分析，并可以將不同地區(qū)降雨量與滑坡危險性相關(guān)聯(lián)，利用實體化視圖顯示出來。

圖3 滑坡預測預報系統(tǒng)界面

4 實例分析

研究區(qū)為巴東縣，其城區(qū)面積約為1 km2，此區(qū)域?qū)儆谒拇ㄅ璧?，地形深切割明顯，沖溝發(fā)育較多，降雨量大，其詳盡地質(zhì)資料見文獻[4]。

4.1 預測變量

根據(jù)巴東縣數(shù)據(jù)收集情況，選擇如下5 個因子的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整理：滑坡海拔高程、坡度、滑坡結(jié)構(gòu)以及與水系、公路的距離。其中，前三個因子需通過滑坡區(qū)地形地質(zhì)圖，結(jié)合滑坡產(chǎn)狀、地層條件等綜合分析得出，后兩個因子可直接測量得到。在統(tǒng)計分析過程中，對巴東縣滑坡危險性區(qū)劃的分割選擇100 m2的正方形面積作為最小單位，每個單位面積統(tǒng)計5 個因子權(quán)值按照給定模型計算出其危險性系數(shù)。權(quán)值分布見表1。

表1 影響因子權(quán)值分布

4.2 數(shù)據(jù)疊加模型

滑坡影響因子的疊加模型選擇Logistic 回歸模型進行分析，邏輯回歸模型并沒有直接說明滑坡發(fā)生的可能性，而是用量化的概率進行推導，邏輯回歸模型用概率計算公式進行疊加操作[9-10]：

式中：P為滑坡發(fā)生概率；Y為擬合因變量，Y的計算公式為：

式中：C0～Cn為相關(guān)系數(shù)，代表貢獻率大??；X為因子的值。

通過邏輯回歸模型計算出5 個致滑因子的相關(guān)性大小分別為：坡度（0.488），海拔高程（1.18），河流距離（16.263），公路距離（4.19），結(jié)構(gòu)（0.205）?；旅舾行詤^(qū)劃見圖4，圖中紅色部分代表滑坡災害發(fā)生概率較高，綠色部分說明地區(qū)受滑坡災害影響較小，安全系數(shù)較高，從紅色到綠色滑坡危險性逐漸降低。

圖4 巴東縣滑坡敏感性分布圖

5 結(jié)論

本文將數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與地質(zhì)災害相關(guān)知識結(jié)合，以巴東縣為例建立了基于數(shù)據(jù)倉庫的滑坡災害區(qū)劃與預測預報模型，得出了巴東縣新城區(qū)的滑坡危險性區(qū)劃圖，并形成如下結(jié)論：

（1）數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有高度集成性、面向用戶和快速的數(shù)據(jù)支持與決策等優(yōu)勢，能夠?qū)聻暮?shù)據(jù)進行分級重組，檢索速度快；在滑坡預測預報過程中，可以根據(jù)分析統(tǒng)計在海量的數(shù)據(jù)庫中挖掘有效的地質(zhì)災害信息，使得預測過程迅速、準確。

（2）在對滑坡成因深入分析的基礎上，設計出影響滑坡發(fā)生五個致滑因子：坡度、海拔、結(jié)構(gòu)以及與公路、水系的距離，將這五個致滑因子通過邏輯回歸模型加權(quán)分析后，存放于滑坡災害數(shù)據(jù)庫中，滿足滑坡空間分布預測的需求。

（3）本文所述數(shù)據(jù)庫模型對滑坡致滑因子的考慮還不夠精細（如未考慮降雨量、地震和人類工程活動等因素），預測預報模型的可靠性也還需要時間檢驗，期待在以后的滑坡預測數(shù)據(jù)庫建設與挖掘工作中進一步細化和完善。