摘 要：山区高速公路边坡水土流失会危害公路的运营安全，带来较大的经济财产损失，进行实时的水土流失预警对预防因水土流失造成的危害具有重要作用。鉴于此，从功能需求与数据需求方面分析，通过概念模型设计、逻辑结构设计、物理结构设计，分矢量数据、栅格数据和属性数据三种数据类型建立数据库；采用ArcEngine10.0组件式技术，通过Visual Studio 2010和C#语言进行二次开发，实现高速公路水土流失的动态预警，既可以实现数据存储、更新、修改、删除、查询等数据库管理功能，也可以进行空间查询、风险评估、制图等，为山区高速公路边坡水土流失监测提供基础性技术保障，为交通行业主管部门水土保持工作决策提供依据。
关键词：山区高速公路;水土流失监测;Geodatabase空间数据库;GIS预警系统;
作者简介：邱一丹（1987—），女，云南昆明人，博士，高级工程师，研究方向为交通行业水土保持。;
基金：高速公路隧道洞渣植被恢复技术研究（JKYZLX-2021-34）;
土壤侵蚀问题是目前人类面临的主要生态环境问题之一[1]。李智广等通过对广东省1986—1992年人为水土流失资料进行分析，认为大规模的基建工程是造成人为水土流失的主要因素[2]。根据相关研究，每公里高速公路的裸露边坡面积可达50000～70000m2，每年土壤侵蚀量按9000g/m3算，可造成450t的水土流失[3]。因此边坡是山区高速公路最为脆弱的部分，本文将以山区高速公路边坡作为研究对象。
目前国内外对于水土保持信息管理系统的研究日益成熟，不论在信息管理、监测、规划、预测等方面，还是在数据管理、空间分析、图形输出等具体功能实现方面都获得了较大发展，但以流域等区域尺度研究较多，针对某一行业或某类生产建设项目的水土保持信息系统鲜有涉及。而开发以特定行业为对象的水土保持信息系统有助于实现多方位的水土流失动态监测，强化水土保持信息化行业监管。我国针对公路GIS方面的研究主要集中在规划设计、运行管理及养护管理等方面。已有的公路灾害管理研究存在一些不足：如缺乏时效性、难以提供实时信息；数据大部分是以栅格形式存储的，分辨率低，灾害预测精度较低；缺少对人工及自然边坡的区分，空间分析方面还比较薄弱等。此外，传统的水土保持研究主要集中在坡度为20%及以下，但公路路基坡度一般达到或超过30%[4]。
因此，本文以高速公路全线边坡为主要研究对象，以云南新河高速公路为例，开发可以实现高速公路边坡可视化管理、数据查询、水土流失监测等功能的水土流失预警系统。由于ArcGIS Engine具有简洁易用、可移植性强、开发成本低等优点，是目前GIS软件二次开发的主流产品[5]。因此本文采用ArcEngine10.0组件式技术，在Visual Studio 2010开发环境下采用C#语言进行山区高速公路边坡水土流失预警系统开发。
1 系统需求分析系统的使用者主要为交通行业水土保持管理部门或监测单位。因此，在对数据库进行设计及建造前要先分析用户基本需求，为建立科学合理的数据库奠定基础[6]。
1.1 功能需求分析建立高速公路水土流失预警系统的目的是利用相关模型计算不同降雨强度下高速公路两侧边坡的水土流失强度，并对其水土流失危险度进行划分，实现高速公路边坡水土流失的实时预警。因此预警系统需具备以下的几项功能。
(1）定位功能：高速公路路线较长，为方便快速地查询高速公路各处的属性信息和水土流失情况，需通过数据库设计建立数据索引，实现空间定位。由于高速公路一般是根据桩号进行分段管理的，本文参照这种管理方法，采用建立桩号的方法建立系统数据索引。同时用户也可根据公路项目组成名称，如某某隧道、某某桥梁等属性进行信息查询和管理。
(2）数据输入及更新功能：选择模型中，静态因子可直接作为系统数据纳入系统中，动态因子需实时输入进行预警；预警数据库中的数据由人工获取，获取的数据需实时输入系统进行数据库更新；
(3）实时预警功能：主要是实现高速公路两侧的边坡水土流失强度的实时预警功能，并对计算结果进行分级；
(4）数据输出功能：作为预警结果的输出，生成预警专题图和各图层属性信息等；
(5) GIS相关功能：主要包括地图浏览、空间分析、图层管理等。
其中定位功能和实时预警功能需要数据库支持，而数据输入、更新、输出功能和GIS相关功能则只需要预警系统支持即可，所以在建立数据库时需重点考虑如何实现定位功能和水土流失实时预警功能。要达到该目的需完成以下两方面内容：①需选择合适的模型，模型的各项参数应容易获取，且能满足实时预警的需求；②需对预警数据进行科学设计，建立友好的图形显示界面和科学的数据索引，方便对高速公路各处的水土流失情况进行查询、定位和管理[7]。
1.2 数据需求分析根据系统的功能需求和预警模型的数据需求，确定高速公路水土流失预警数据库的数据需求为以下两类[8]。
(1）基础地理信息数据主要包括交通道路基本信息、边坡基本信息、水系、居住地、桩号等。
由于高速公路水土流失预警所需数据均线性分布在道路两侧，所以可以桩号为索引，为每一段的道路、桥梁、隧道、坡面赋予起止桩号信息，在地理信息系统统一管理的空间数据库支持之下，形成统一的数据库系统，方便查询和定位，可满足系统的定位需求。
(2）水土流失预警数据利用修正通用土壤流失方程进行水土流失预警，需计算降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、覆盖与管理因子和水土保持措施因子。计算这些因子需要降雨数据、土壤数据、地形数据、植被覆盖度数据和水保措施数据等。
其中降雨数据是随时间变化的，属于水土流失动态预警数据；其余的数据则是水土流失静态预警数据，如地形、地貌、植被、土壤和水保措施等，在一段时间内这些数值一般是固定不变的。在建立数据库时要考虑将两类因素进行分别处理，从而满足系统的水土流失预警需求[9]。
2 数据库设计与入库2.1 概念模型设计通过归纳，本研究数据主要包含基础地理信息属性、静态预警数据属性和动态预警数据属性（主要为降雨数据），据此抽象出的主要实体为：
(1）基础地理信息属性：遥感影像信息——描述研究区基本现状；道路信息——包括研究区范围、位置、桩号、桥梁、隧道等，方便定位查询，描述公路组成元素及工程信息；气象站信息——描述气象站位置；居民地信息——描述人为活动区域；边坡信息——包括类型、面积、桩号等，描述预测单元基本信息。
(2）静态预警数据属性：土壤信息——计算土壤可蚀性因子；地形信息——计算地形因子；土地利用类型信息——计算水土保持措施因子；植被覆盖度信息——计算覆盖与管理因子。
(3）动态预警数据属性：降雨量、降雨强度——计算降雨侵蚀力。
2.2 逻辑结构设计高速公路水土流失预警数据库包括两部分，分别是空间数据库和属性数据库[10]。空间数据采用Geodata⁃base数据库模型，以点、线、面形式表示，矢量和栅格两种数据存储结构进行存储，主要分为：基础地理信息图层、水土流失静态预警数据图层和水土流失动态预警数据图层。属性数据以属性表的形式存储在数据库中，通过唯一的标识码同图形数据库联系在一起[11]。属性数据库主要包括基础属性数据和水土流失预警数据。二者通过建立关键字标识进行关联，实现数据互通。矢量数据采用点、线、面表示，栅格数据采用栅格结构表示，与空间无关的数据利用对象表存储。
2.3 物理结构设计数据库的物理设计包括空间数据的物理表示和属性数据的物理表示。
(1）空间数据的物理表示按照各数据的逻辑类型不同，将其分为不同的数据层。空间实体在Geodatabase中的表达方式如表1所示。
表1 空间实体在Geodatabase中的表达方式 下载原图
下载原表
在高速公路水土流失预警数据库中，根据不同类型的数据来选择数据的物理表示类型，如表2～表3所示。
表2 基础地理信息数据表 下载原图
