秦文濤 郭小坤 郭軍峰 郝 璐 洪碧武

（西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始在商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(yīng)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(shí)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(shí)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(yīng)用于電信客戶細(xì)分中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分群操作；數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)方式與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的組織和應(yīng)用方面具有很大不同，其應(yīng)用領(lǐng)域仍然有待繼續(xù)挖掘。

在滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(shí)間上具有不確定性，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用非常少見，對(duì)于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的認(rèn)識(shí)也亟待建立和應(yīng)用[4-6]。目前關(guān)于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與地學(xué)的結(jié)合，最著名的是加拿海洋深度數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和美國(guó)國(guó)家水質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，前者利用Oracle 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)保存約700 萬(wàn)條記錄，用于監(jiān)測(cè)全美46個(gè)州大部分河流水質(zhì)數(shù)據(jù)。

本文根據(jù)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)，在對(duì)滑坡敏感性因子成因分析的基礎(chǔ)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(chǔ)存于滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)了滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)快速響應(yīng)，為地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治提供了針對(duì)性建議。

1 滑坡數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)

滑坡災(zāi)害防治需要對(duì)各類地質(zhì)資料數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)、巖性條件、水文地質(zhì)條件和地形地貌等，以及時(shí)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(shí)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(kù)中，其目的是便于在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)從中準(zhǔn)確挖掘出有用數(shù)據(jù)，具有面向主體、高集成度、歷時(shí)快和能夠快速檢索等特點(diǎn)。

1.1 設(shè)計(jì)原則

滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)中盡量采用已有的Oracle 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，防止研究新型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)所導(dǎo)致的不成熟和不穩(wěn)定，保證系統(tǒng)擴(kuò)展性好、易于維護(hù)和方便快捷。在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)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(fù)雜分析查詢，多維模型由維和事實(shí)描述[7]。事實(shí)包括若干個(gè)相關(guān)的維，維用于描述屬性來(lái)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(shí)的度量能夠基于不同細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。在建立滑坡災(zāi)害模型中它能夠幫助使用者理清數(shù)據(jù)來(lái)源，因此形成開一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)的具體求解方法。

1.3 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)體系

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)體系主要分為三層：數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層[8]。三個(gè)層次分別對(duì)應(yīng)著后端層、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)層以及用戶層。其中，后端層用于傳回?cái)?shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)之前，其主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)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(bào)告、統(tǒng)計(jì)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(cāng)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)

1.4 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)參照傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)進(jìn)行，滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的設(shè)計(jì)思路，包含如下兩個(gè)方面：

（1）盡量利用已有數(shù)據(jù)，在已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行建設(shè)，這是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)。

（2）面向主體而非面向應(yīng)用，從數(shù)據(jù)系統(tǒng)出發(fā)，按照地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，來(lái)組織數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的主題。

本文所研究的基于地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)ETL 的滑坡數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)流程

2 概念模型

滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的概念模型包括兩方面：第一是模型的事實(shí)、維和劃分標(biāo)準(zhǔn)；第二是多維模型的架構(gòu)設(shè)計(jì)?；聰?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建立過(guò)程中，逐步對(duì)每個(gè)主題進(jìn)行求解和分析。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)主題：滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)主題與滑坡數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主題，每個(gè)主題的維、度量方法和劃分層次不盡相同。

2.1 滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上，針對(duì)滑坡區(qū)域的致滑因子搜集數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后對(duì)此區(qū)域的滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，致滑因子的數(shù)據(jù)來(lái)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(zāi)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(diǎn)、滑坡體外貌、坡腳特征，巖土體性質(zhì)、歷史滑動(dòng)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(jì)建設(shè)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(dòng)相關(guān)的工程設(shè)施分布情況數(shù)據(jù)。

（5）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要是危險(xiǎn)滑坡體的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及防治工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（6）各級(jí)相關(guān)部門通訊方式和資料。

（7）國(guó)家和地區(qū)相關(guān)政策法規(guī)關(guān)于滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的規(guī)定。

2.2 層次劃分

在數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)滑坡成因分析，從而將致滑因子劃分為如下四個(gè)層次：

（1）區(qū)域滑坡概況，包括一個(gè)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(gè)滑坡組成部分（滑坡體、滑動(dòng)面、滑坡床、滑動(dòng)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(dòng)（植被破壞、修筑建筑物、爆破等）。

（4）潛在受災(zāi)對(duì)象，滑坡周圍可能因受到潛在危險(xiǎn)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失的地區(qū)，如人口、建筑物、生態(tài)環(huán)境等。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)基于滑坡敏感性區(qū)劃來(lái)進(jìn)行，對(duì)于滑坡敏感性的區(qū)劃，需要對(duì)導(dǎo)致滑坡形成的所有因子的貢獻(xiàn)進(jìn)行權(quán)值劃分，并對(duì)每個(gè)因子的貢獻(xiàn)大小定量化，評(píng)價(jià)指標(biāo)的目的就是通過(guò)深入分析滑坡形成因素的基礎(chǔ)上對(duì)致滑因子定量化取值。各個(gè)致滑因子的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

（1）滑坡分布：對(duì)于所在區(qū)域各地點(diǎn)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(fēng)化殼組成的坡體抗剪強(qiáng)度低易于發(fā)生滑坡，堅(jiān)硬巖質(zhì)坡體抗剪強(qiáng)度高不易發(fā)生滑坡，坡體中存在軟弱滑動(dòng)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(xiǎn)性逐漸降低。

（3）滑坡坡度：將滑坡坡度分為五個(gè)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(jí)遞減。

（4）海拔高度：通過(guò)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(jì)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(gè)級(jí)別，海拔高度較低區(qū)域發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)性越低。

（5）水系分布：河流對(duì)于滑坡坡腳底部侵蝕作用非常明顯，沖蝕掏空直接導(dǎo)致滑坡底部產(chǎn)生臨空面，從而使滑動(dòng)面暴露于外部環(huán)境中；通過(guò)統(tǒng)計(jì)滑坡所在位置與河流水系的距離，對(duì)其危險(xiǎn)性分級(jí)，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(jì)。

（6）人類工程活動(dòng)：人類工程活動(dòng)（如修筑公路開挖坡腳）對(duì)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(jìn)行分級(jí)。本文設(shè)定滑坡區(qū)與公路的距離來(lái)進(jìn)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(jì)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 界面設(shè)計(jì)原則

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

3.2 功能設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)管理：數(shù)據(jù)管理主要指對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的實(shí)際操作功能的設(shè)計(jì)，對(duì)于滑坡數(shù)據(jù)中多維度、模型和ETL 設(shè)計(jì)都必須及時(shí)同步至數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)用戶設(shè)置不同權(quán)限便于其對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行整理，對(duì)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(biāo)區(qū)域降雨量、地震活動(dòng)、人類活動(dòng)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(shí)準(zhǔn)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(jìn)行對(duì)比分析，為滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供詳盡資料。

圖3是滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的管理員界面，通過(guò)此界面，管理可以實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新操作，調(diào)用某個(gè)特定數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，并可以將不同地區(qū)降雨量與滑坡危險(xiǎn)性相關(guān)聯(lián)，利用實(shí)體化視圖顯示出來(lái)。

圖3 滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)界面

4 實(shí)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(xiàn)[4]。

4.1 預(yù)測(cè)變量

根據(jù)巴東縣數(shù)據(jù)收集情況，選擇如下5 個(gè)因子的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)因子需通過(guò)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(gè)因子可直接測(cè)量得到。在統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中，對(duì)巴東縣滑坡危險(xiǎn)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(gè)單位面積統(tǒng)計(jì)5 個(gè)因子權(quán)值按照給定模型計(jì)算出其危險(xiǎn)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(jìn)行分析，邏輯回歸模型并沒(méi)有直接說(shuō)明滑坡發(fā)生的可能性，而是用量化的概率進(jìn)行推導(dǎo)，邏輯回歸模型用概率計(jì)算公式進(jìn)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(jì)算公式為：

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

通過(guò)邏輯回歸模型計(jì)算出5 個(gè)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(zāi)害發(fā)生概率較高，綠色部分說(shuō)明地區(qū)受滑坡災(zāi)害影響較小，安全系數(shù)較高，從紅色到綠色滑坡危險(xiǎn)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(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)知識(shí)結(jié)合，以巴東縣為例建立了基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的滑坡災(zāi)害區(qū)劃與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，得出了巴東縣新城區(qū)的滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖，并形成如下結(jié)論：

（1）數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)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(shì)，能夠?qū)聻?zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)重組，檢索速度快；在滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)過(guò)程中，可以根據(jù)分析統(tǒng)計(jì)在海量的數(shù)據(jù)庫(kù)中挖掘有效的地質(zhì)災(zāi)害信息，使得預(yù)測(cè)過(guò)程迅速、準(zhǔn)確。

（2）在對(duì)滑坡成因深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出影響滑坡發(fā)生五個(gè)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(gè)致滑因子通過(guò)邏輯回歸模型加權(quán)分析后，存放于滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)中，滿足滑坡空間分布預(yù)測(cè)的需求。

（3）本文所述數(shù)據(jù)庫(kù)模型對(duì)滑坡致滑因子的考慮還不夠精細(xì)（如未考慮降雨量、地震和人類工程活動(dòng)等因素），預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型的可靠性也還需要時(shí)間檢驗(yàn)，期待在以后的滑坡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)與挖掘工作中進(jìn)一步細(xì)化和完善。