近年来，我国滑坡地质灾害对人类及财产造成的损失巨大，因此对滑坡灾害的预警问题受到人们的普遍关注。现有的滑坡地质灾害预测方法主要通过统计降雨量、岩石的构造、地形地貌等因素来预测滑坡，此种方法虽能预测滑坡，但其收集数据需要耗费大量的人力和时间，效率低。针对现有地质灾害预测方法的局限性，开发出一套快速、简单且直观的地质滑坡预警软件，其能够更加及时、快速地预测滑坡，减少地质险情区人民生命财产的损失。
本文在对现有预警软件功能进行分析的基础上，结合实际应用要求，对滑坡预警软件进行了功能需求分析，其主要包括三个功能模块，分别为：用户登录功能模块、数据库功能模块和预警功能模块。其中，数据库功能模块和预警功能模块是滑坡预警软件设计和实现的主要内容。数据库功能模块实现数据导入、存储、查询、删除等功能；滑坡预警功能模块实现地质滑坡的预警功能。滑坡预警功能主要通过基于灰度共生矩阵的纹理特征提取，提取出滑坡前和滑坡后的纹理特征，形成影像的纹理差值矩阵，然后运用基于自适应阀值选取的方法将影像分割成变化的点和未变化的点，再对其进行形态学腐蚀处理检测出滑坡区域，最终实现预警。
最后，利用遥感影像数据对软件功能进行了综合测试，具体包括：影像配准功能、影像分割功能、滑坡预警功能以及软件数据的导入、查询和删除功能。并对普通用户和管理员用户授予不同的权限：普通用户只能对数据进行录入和查询操作，管理员用户可以对数据进行录入、查询和删除操作。
关键词：滑坡预警，空间数据引擎，变化检测技术，影像配准
Abstract
In recent years, landslide disaster has caused great loss to the people and property in China, so the early waning of landslide disaster has been more and more concerned. The current prediction software of landslide disaster mainly forecasts landslide through various factors such as precipitation, rock structure and landform, etc, which takes much manpower and time to collect data. Though, it can predict the landslide disaster, the efficiency is very low. Aiming at the limitations of current predication method for geological disaster, a set of rapid, simple and visual early warning software of geological landslide has been developed based on multiple approaches of data acquisition, which can promptly and rapidly predict the hidden danger of landslide, reduce the loss of life and property in dangerous areas.
Based on functional analysis of current early warning software and combining with practical application demand, the thesis makes functional demand analysis about early warning software, it mainly includes three functional modules, respectively user login, database management and early warning. Database management function and early warning function are main contents to design and implement early warning software of landslide. Database management function includes various operating functions such as data import, storage, query and deletion, etc. Early warning function mainly warns geological landslide, which extracts the characteristics before and after landslide based on texture features of gray-level co-occurrence matrix, and then forms textural difference matrix of image. Afterwards, it adopts the method based on adaptive threshold selection to segment the image, and then segments the image to be changing points and invariable points. In the end, landslide area is detected through morphology corrosion processing, thus realizing the function of early warning.
Finally, comprehensive test about various software functions is conducted with remote sensing image data, including image registration, image segmentation, early warning of landslide, data import, query and deletion. Besides, general user and administrator user are authorized with different permissions, namely that the general user can only input and query data, while administrator user can input, query and delete data.
Keywords: landslide warning, Spatial Data Engine, change detection technology, image registration
目录
图录 VI
表录 VIII
注释表 IX
第1章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 滑坡地质灾害预警系统的研究现状 2
1.2.1 滑坡地质灾害预警系统的研究现状 2
1.2.2 GIS在滑坡地质灾害预警系统中的应用现状 2
1.2.3 变化检测技术的研究现状 3
1.3 本论文主要研究内容 4
第2章 滑坡预警系统软件设计的理论基础 6
2.1 滑坡地质灾害预警软件设计使用的关键技术 6
2.1.1 关键技术介绍 6
2.1.2 基于纹理特征差值的变化检测技术 7
2.2 滑坡预警系统软件设计的理论依据 9
2.3 滑坡地质灾害预警软件设计中的变化检测技术 9
2.3.1 基于共生矩阵的纹理特征提取 10
2.3.2 基于自适应阀值选取的影像分割 12
2.4 本章小结 13
第3章 滑坡预警软件的设计 14
3.1 预警软件的需求分析 14
3.2 预警软件的设计 15
3.2.1 用户登录模块的设计 16
3.2.2 数据库功能模块的设计 18
3.2.3 预警功能模块的设计 21
3.3 本章小结 27
第4章 滑坡预警软件功能模块的实现 28
4.1 软件平台介绍 28
4.2 用户登录模块的实现 29
4.3 数据库功能模块的实现 30
4.4 预警功能模块的实现 34
4.5 本章小结 42
第5章 滑坡预警软件系统的测试及分析 43
5.1 滑坡预警系统软件测试概述 43
5.1.1 测试方案的介绍和选择 43
5.1.2 测试环境的配置和数据来源 44
5.2 功能测试和分析 44
5.2.1 用户登录界面的测试 44
5.2.2 数据库功能测试 45
5.2.3 预警功能测试 47
5.3 本章小结 49
第6章 总结与展望 50
参考文献 52
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 56
图录
图2.1 遥感影像变化检测流程图 8
图2.2 纹理特征差值的变化检测流程 9
图3.1 软件功能需求图 14
图3.2 软件框架设计 15
图3.3 软件主界面 16
图3.4 主要功能及相互间关系 16
图3.5 用户登录设计流程图 17
图3.6 登录窗口 17
图3.7 遥感影像在Oracle中的存储表及其部分字段 19
图3.8 数据库功能 20
图3.9 导入影像及其属性数据的界面效果图 20
图3.10 影像及其属性数据查询功能 21
图3.11 变化检测流程图 22
图3.12 影像配准设计流程 23
图3.13 影像配准界面 24
图3.14 滑坡预警功能设计流程图 24
图3.15 影像的分割流程 26
图4.1 软件操作流程图 28
图4.2 相关表项目录 31
图4.3 数据库非查询函数实现过程 32
图4.4 查询函数的是实现过程 32
图4.5 数据导入和查询结果 33
图4.6 影像配准操作流程 34
图4.7 手动选取特征点 35
图4.8 配准前的基准影像和待配准影像 36
图4.9 配准后的影像 36
图4.10 GDAL数据模型 36
图4.11 灰度转换处理流程 38
图4.12 直方图均衡化处理流程 39
图4.13 影像的纹理特征提取 39
图4.14 预分割过程 40
图4.15 分割影像实现流程 41
图5.1 创建用户名 45
图5.2 登录界面 45
图5.3 主界面 45
图5.4用户名测试 45
图5.5 导入影像测试 45
图5.6 查询数据测试 46
图5.7普通用户权限测试 46
图5.8 管理员用户权限测试 46
图5.9 删除数据后的效果 46
图5.10 配准前测试 47
图5.11 配准过程测试 47
图5.12 影像配准后 48
图5.13 预警区域测试1 48
图5.14 预警区域测试2 49
表录
表5.1 系统指标 44
注释表
GIS Geographic Information System，地理信息系统
GDAL Geospatial Data Abstraction Library，空间数据抽象库
SDE Spatial Database Engine，空间数据引擎
第1章 绪论
1.1 选题背景及意义
地质灾害实质上是指地球表层岩土体的移动，它的形成是自然和人为的结果。常见的地质灾害有滑坡、泥石流等几种形式[1]，其不仅严重破坏了人类生存和发展
的环境，而且强烈威胁着人类生命和财产的安全。与其他西方国家相比，我国发生地质灾害的次数比较频繁，这与我国的地质构造特点和自然条件有很大的关系。每年我国都有大量的地质灾害发生，这对我国经济的发展和人民生活水平的提高产生了巨大的威胁。
在常见的地质灾害中，滑坡是仅次于地震的第二大灾害[2]，其发生主要受两个因素的影响，第一，与边坡自身的基础条件有关，第二，与边坡受到的营力作用、人为作用有关。通过对第二个影响因素的分析，发现滑坡经常发生在两种区域，一是现今地壳运动的区域，二是人类工程活动频繁的区域，这是由于外界因素和人为作用能够使滑坡发生的基本条件产生变化，从而诱发滑坡的发生。除了降雨能够引起滑坡外，地震、融雪、多种地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷和不合理的人类工程活动，如开挖坡脚、矿山开采等都可能诱发滑坡。诱发滑坡的原因各种各样，且其发生经常造成房屋倒塌甚至人员伤亡，给人类造成了巨大的危害。因此如果在滑坡发生前能够对滑坡地质灾害进行比较快速和准确的预测，政府部门或居民就可以尽早采取防灾措施和对策，以减少地质灾害对人类的伤害。
地质灾害危险性评价理论方法正在逐步完善，对防灾和减灾工作的进行起到至关重要的作用。但是传统的地质灾害危险性评价方法仍然存在很多不足之处，如资源分散、数据难以共享、部门间沟通较少等。而且灾害评估过程中通常数据量大、涵盖领域广，且数据资料形式多样，这在很大程度上限制了调查成果的灵活性。除此之外，传统的评价方法大多是基于对滑坡影响因素的统计而建立的预警模型，但是影响滑坡发生的因素很多且影响程度不一，在滑坡预警研究过程中很难全面考虑和衡量滑坡的影响因素和影响程度，并且此种方法需要收集的数据量很大且周期较长，耗费很大的人力和时间。因此基于传统方法开发的滑坡预警软件效率低，且预警结果不直观。
针对以上问题，本文设计了一套滑坡预警软件。该软件首先使用遥感技术平台采集遥感影像数据，以节省大量的人力和时间；其次，采用GIS (Geographic Information System，GIS)平台实现数据库的管理功能；最后，运用变化检测技术实现对滑坡地质灾害的预警。
1.2 滑坡地质灾害预警系统的研究现状
1.2.1 滑坡地质灾害预警系统的研究现状
滑坡预警作为滑坡研究中最重要的内容之一，越来越受到人们的关注，且迅速发展。实际上，早在1960年，人们就开始对滑坡预测进行研究，到目前为止，已经取得了一定的成果。这其中包括许多预报成功的案例，但是由于我国地形复杂、地质结构多样以及气象条件的地域性差异，很难准确并及时地预测滑坡的发生。因此对滑坡的预警已成为我国地质灾害研究中亟待解决的问题[3]。
近年来对滑坡灾害的研究进展非常快，尤其是一些新兴学科的兴起以及相邻学科的渗透为滑坡灾害预警的研究提供了新的理论和计算方法[4]。滑坡地质灾害预警方法在上个世纪的研究中，经历了60、70年代根据现象、经验等带有主观性质的预警阶段，到80年代的位移-时间统计分析、灰色预警阶段，再到90年代的非线性理论预警，滑坡预警的理论和方法已经有了较大的改进和发展[5]，现己进入了系统综合预警的新阶段，例如根据降雨量模型建立滑坡预警系统[6]。但是到目前为止，仍然没有形成能够普遍适用且有效统一的滑坡预警系统，因此在滑坡预警的研究领域中还有很多方面有待研究。
1.2.2 GIS在滑坡地质灾害预警系统中的应用现状
目前在GIS领域，已经出现了很多地理信息系统软件，但总结起来不外乎两种情况：第一种是运用GIS系统直接处理用户需要的数据；第二种是在GIS的基础上进行二次开发，将GIS系统的开发函数库和用户需求结合起来开发出专用的地理信息系统软件。目前，地理信息系统软件已成功地应用到了一百多个领域，如资源管理、人口和商业管理等相关领域，而在西方发达国家，地理信息系统的应用领域更加广泛。
近年来，GIS技术在地球科学领域获得了快速发展，并为滑坡地质灾害的研究提供了一个新途径[7]，对评价滑坡地质灾害带来的后果和减轻滑坡地质灾害的影响具有重要的作用[8]。目前，GIS技术主要运用在滑坡地质灾害研究的以下几个方面。
1. 基于GIS的空间数据库功能，建立滑坡地质灾害空间信息管理系统。由于影响滑坡发生的因素很多，如降雨量、岩石构造特点、滑坡本身特点等，搜集这些数据资料周期较长，数据量大且这些数据中大多是基于空间实体的空间数据。因此采用空间信息管理系统对空间数据进行存储和管理，更有助于分析滑坡发生的可能性。
2. 利用GIS能够对收集到的大量基础地质环境资料进行有效地处理，从而提高数据的可靠性以及方便数据的运用。除此之外，还经常运用GIS强大的空间数据管理与分析功能，对地质灾害调查所获取的空间数据和信息进行处理，为用户使用这些数据提供了极大的方便。
3. 目前国内外对滑坡地质灾害的危险性研究较少，现在较广泛应用的模型和算法有：信息量模型、人下神经网络遗传算法、滑坡分类方法[9]等。其中，将GIS技术与其它模型、预警方法结合起来实现对区域性滑坡地质灾害危险性分析，也是一种有效的方法。
总之，GIS在滑坡地质灾害预警系统的研究中有着广泛应用和重要作用[10]。目前，它已经渗透到了多种学科领域，尤其在地质灾害评价、管理以及危险区域评价等应用方面有着飞速的进展，对人类生活水平的提高和国民经济的快速发展起着重要的作用。在未来的几十年中，GIS可能会成为高科技领域中的核心技术。
1.2.3 变化检测技术的研究现状
针对某个物体的状态变化或某种现象的变化过程，通过不同时间的多次观测来确定的技术方法称为变化检测技术，这是变化检测的广泛定义。在遥感领域中，变化检测是指通过对不同时间获取的覆盖同一区域的遥感影像进行解译来分析和确定地表的变化[11]。从狭义上讲，遥感领域中的变化检测是指通过对地表分析来判断这一区域是否发生了变化以及确定变化的区域。
近年来，变化检测技术在国内外得到了很大的发展，并得到了十分广泛的应用，很多领域包括检测地形、地物的变化、环境监测方面的变化以及农业领域的变化等都运用了变化检测技术。随着遥感技术的蓬勃发展，变化检测技术使用的数据[12]中，影像空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率都有所提高，更加趋近于卫星遥感影像。
除此之外，变化检测的方法也更趋于多样化。早期变化检测的方法是在像元级变化检测的基础上发展起来的，主要是针对图像的检测[13]。而现在变化检测的方法更加复杂和多样化，总结起来分为两大类：监督检测法和非监督检测法。监督检测法是从真实的地面数据中获取变化区域的训练样区，从而进行变化检测。非监督检测法不需要其他任何的信息，采用影像的像元特征值就能够对两个不同时相的遥感影像进行变化检测。但是由于地面的真实信息很难采集到，所以我们通常用非监督变化检测方法进行变化检测。
1.3 本论文主要研究内容
近年来，滑坡地质灾害带给人类的伤害和损失越来越严重，虽然许多研究人员和科研机构都为此做出了辛勤的努力，同时也取得了一些成果。然而仍然没有形成有效、统一的滑坡预警软件，本文针对传统方法中收集数据需要浪费很大的时间和人力，并且预警结果不直观等缺点，运用遥感技术获取影像并采用变化检测技术实现滑坡预警功能，节约了大量的时间和人力并且能直观地反映滑坡预警区域。本文章节具体安排如下：
第二章分析了滑坡预警软件需要用到的关键技术，如遥感技术、GIS技术和变化检测技术，紧接着简述了滑坡预警软件的理论依据和变化检测技术在滑坡预警软件中的应用。
第三章结合实际的应用需求，对滑坡预警软件进行了需求分析，根据滑坡预警软件的需求分析进行软件框架的设计和功能模块的设计。滑坡预警软件功能模块主要有用户登录功能模块、数据库功能模块和预警功能模块。用户登录功能模块主要用于不同用户的登录，不同的用户具有不同的数据操作权限；数据库功能模块主要实现对遥感影像数据和属性数据的导入、查询和删除等操作；预警功能模块主要实现对滑坡区域的预警，然后根据预警信息通知附近相关居民采取应急措施或撤离。
第四章首先搭建软件开发的平台，然后对软件的各个功能模块进行了具体的实现。滑坡预警软件模块主要包括用户登录模块、数据库功能模块和预警模块，用户登录模块通过验证不同用户的身份进入软件主界面，其主要实现了数据库功能和预警功能；数据库功能运用基于ArcSDE的空间数据库技术建立数据库并实现对数据的操作；预警功能通过对影像的配准、纹理特征提取、基于自适应阀值选取的影像分割等一系列的变换检测过程检测出滑坡区域，从而实现对滑坡的预警。
第五章简述软件的测试方案，对滑坡预警软件各个模块进行了测试和结果分析，测试结果表明，软件达到了预期的效果。
第2章 滑坡预警系统软件设计的理论基础
本章将进一步了解滑坡预警系统的软件设计所涉及到的关键技术，重点对遥感技术、GIS技术和变化检测技术进行介绍。其次阐明了滑坡预警软件的理论依据，最后重点分析了变化检测技术在滑坡预警软件中的应用。
2.1 滑坡地质灾害预警软件设计使用的关键技术
滑坡地质灾害预警系统的软件设计运用了一些关键技术，这些关键技术在滑坡地质灾害预警软件的设计和实现中占据了重要的地位。
2.1.1 关键技术介绍
滑坡地质灾害预警系统的软件设计运用的关键技术包含采集遥感影像的无人飞机运用的遥感技术、设计软件运用的GIS技术和设计滑坡预警功能用到的变化检测技术。下面对其进行简要地介绍。
1. 遥感技术
遥感技术是一门结合现代光学和电子学的综合性探测技术，它可以在远离目标物的情况下，记录其电磁波特性并进行分析和解译，从而展现目标物的特性和变化规律[14]。其原理是地球上任何一个物体都以电磁波的形式不断地吸收、发射、反射信息和能量，遥感就是根据不同物体的电磁波特性不同这一特点，在远距离的平台上利用遥感器探测和接收地球表面物体发射的电磁波和地表物体对电磁波的反射，进而提取物体的大量信息，完成对物体的远距离识别[15]。
运用遥感技术通过对大面积地表区域的观测，能够在较短的时间内采集大量有用的遥感数据，它能够让人们详细地了解地表事物的状况，并为研究人员对自然现象和规律的研究提供了宝贵的资料。其次，遥感能动态反映地面事物的变化，这是由于遥感能对同一区域进行重复性的观测，通过获取不同时期同一地区的遥感数据，能观测到事物的变化。最后，通过在同一时间对一个区域大范围地观测获取遥感数据，其具有综合性并能综合地展现地球表面事物的形态和特征，揭示地理事物之间的关联性。总之，遥感技术的客观、高效和准确性是手工作业无法替代的。
2. GIS技术
地理信息系统是以地理空间数据为基础，运用地理模型分析法为用户提供多种空间和动态地理信息的空间信息系统。同时，GIS不仅能够获取、处理、分析和应用地理空间数据，而且也是存储和管理这些数据的重要技术和工具。确切地说，GIS是建立在数据库管理系统的基础上，对空间对象进行分析和管理的信息系统。与其他信息系统的根本区别是将地理空间数据作为操作对象。
3. 遥感影像的变化检测技术
遥感影像变化检测技术是根据同一区域在不同时期获取的遥感影像和相关的辅助性数据来分析和确定地表区域的变化技术。在遥感影像的变化检测研究中，根据变化检测所用的信息将变化检测分为三个层次，分别为基于像元的变化检测、基于特征的变化检测和基于目标的变化检测[16]。基于像元的变化检测是在采集的原始影像上直接进行变化检测。这种方法虽有一定的局限性，但它是建立在最原始的影像数据基础上进行比较得出的结果，因此在很大程度上能保留原有影像的真实感，提供更多的细微信息。基于特征的变化检测是从原始图像中运用一定的算法提取特征信息，然后对这些特征信息进行综合分析[17]，从而进行变化检测，具有更高的可信度和准确性[18]。基于目标的变化检测主要检测某些特定对象，是在对影像理解和识别的基础上进行的变化检测。这种方法虽能提取更加准确的变化信息，但较难实现。到目前为止，基于特征的变化检测是最常见的变化检测技术。
2.1.2 基于纹理特征差值的变化检测技术
由于在实际的变化检测中，其所用信息的三个层次在实现上各有千秋，因此在具体的应用中究竟选用哪种信息进行检测需要根据具体的任务确定。由于基于像元的变化检测仅考虑了像素属性的变化，因此检测结果并不理想。基于目标的变化检测直接提取目标困难性很大，通常难以实现。而基于特征的变化检测不仅能考虑到空间形状的变化，而且还能考虑特征属性的变化，虽然实现起来会有些困难，但能够检测出变化的区域，因此滑坡预警软件采用基于特征的变化检测技术[19]。
遥感影像变化检测技术的处理流程如下图2.1所示，首先对不同时相的遥感影像进行预处理，然后提取出变化的特征，再根据提取的变化特征确定两幅影像中
信息变化的部分，最后对变化的部分进行检测得出检测的结果。
图2.1 遥感影像变化检测流程图
基于特征的变化检测通过比较不同时间采集到的影像中的特征信息，从而分析出某种现象在一定时间段内的变化过程。随着遥感影像分辨率的不断提高，影像具有更多有价值的结构信息[20]，怎样合理地运用这些结构信息已成为变化检测技术研究的重点问题。
基于纹理特征差值的变化检测是根据从不同时相提取的纹理特征值进行比较分析，通过选取合理的阀值来确定变化的区域，从而完成变换检测的过程。其在实现的过程中，先对不同时期的遥感影像进行合适的预处理，然后计算灰度共生矩阵，并在灰度共生矩阵的基础上提取图像的纹理特征。利用获得的纹理特征求得不同时相的图像纹理特征差值，对差值设定阈值提取出变化信息，再经过后处理得到变换检测结果，最后对变化检测结果图像中的变化信息进行处理与分析[17]。基于纹理特征差值进行变化检测的具体算法流程如图2.2。
图2.2 纹理特征差值的变化检测流程
2.2 滑坡预警系统软件设计的理论依据
随着高分辨率卫星的广泛应用和对其不断地探索，具有高分辨率的遥感影像已经在诸多领域起到越来越重要的作用。从常理上讲，随着遥感影像分辨率的提高，其分类精度也会提高。然而，根据黄丽梅对纹理信息在遥感影像分类中的应用研究[21]，在遥感影像光谱模式识别技术上，空间分辨率的提高并没有使分类精度有所提高，反而使其降低。相反，随着空间分辨率的提高，目视判读精度越来越高。究其原因，这是因为相同种类地物的内部空间结构有很大的相似性，而不同种类地物之间却有很大的差异[22]，因此地物的内部结构越来越清晰，在遥感影像中，这种特性表现为地物的纹理结构越来越清晰。同时也导致同一种地物并不是只由一种光谱信息表示，而是由多种光谱信息表示[21]。在对遥感影像的地物光谱信息进行分类时，便会出现许多误分和错分，其得到的精度也不能满足需求，而纹理特征的提取能充分运用遥感影像中的重要信息和特征[23]。
2.3 滑坡地质灾害预警软件设计中的变化检测技术
滑坡预警软件通过检测滑坡前后遥感影像的纹理特征来确定影像的变化区域，
并根据变化区域分析出滑坡区域，从而对滑坡区域进行预警。通过遥感影像纹理差值的变化检测技术和滑坡预警软件设计的理论依据可知，该设计方案在理论上是切实可行的。下面对具体的纹理特征提取和阈值选取进行分析[24]。
2.3.1 基于共生矩阵的纹理特征提取
