面向多用戶類型的泥石流應(yīng)急災(zāi)害信息特征可視化方法*

李維煉，朱　軍,2，胡　亞,2，張昀昊，尹靈芝，曹振宇

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756; 2.西南交通大學(xué) 高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 611756; 3.四川省應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 四川 成都 610041)

我國(guó)山地區(qū)域遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形起伏大，自然條件差異大。此外，近年來(lái)時(shí)常發(fā)生的極端天氣而產(chǎn)生連續(xù)集中降雨均成為了泥石流頻繁爆發(fā)的潛在因素[1-3]。泥石流具有突發(fā)性、發(fā)生地點(diǎn)不確定性、響應(yīng)時(shí)間緊迫、危害性嚴(yán)重等特點(diǎn)，單單依靠工程防治措施來(lái)達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的十分困難，而風(fēng)險(xiǎn)圖越來(lái)越被認(rèn)為是減輕自然災(zāi)害影響的重要因素[4-5]。泥石流風(fēng)險(xiǎn)圖通過(guò)三維演進(jìn)展示以及標(biāo)識(shí)淹沒(méi)范圍、泥深、到達(dá)時(shí)間等模擬信息和災(zāi)情損失、避難場(chǎng)所、道路可達(dá)性等專題信息，來(lái)反映泥石流區(qū)域受災(zāi)情況。因此，應(yīng)急狀態(tài)下泥石流風(fēng)險(xiǎn)圖可用于輔助科學(xué)決策、保障應(yīng)急救援能力以及提升公眾安全意識(shí)，進(jìn)而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的[6-7]。然而泥石流災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)可視化對(duì)象眾多，不僅涉及泥石流自然特征表達(dá)和模型結(jié)果的可視化，而且涉及災(zāi)情損失和部分應(yīng)急預(yù)案的展示[8]。如果將上述信息僅在一張風(fēng)險(xiǎn)圖中展示將出現(xiàn)信息量偏大以及用戶無(wú)法快速準(zhǔn)確獲取泥石流災(zāi)情信息的局面。此外，不同用戶類型的可視化需求和偏好不一樣，且不同用戶類型對(duì)制圖符號(hào)和顏色的認(rèn)知，以及判讀風(fēng)險(xiǎn)圖的能力差異較大，專業(yè)的可視化方式難以被不具備制圖知識(shí)的人所理解[9]，因此根據(jù)不同用戶類型，選定相應(yīng)的泥石流可視化表達(dá)內(nèi)容和特征可視化表達(dá)方法具有重要的意義。

基于上述問(wèn)題，本文選定汶川七盤溝泥石流為研究對(duì)象，以泥石流數(shù)值模擬結(jié)果和災(zāi)害專題數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，根據(jù)不同用戶類型在應(yīng)急狀態(tài)下對(duì)顏色和符號(hào)的認(rèn)知能力，以及相應(yīng)的可視化需求，構(gòu)建應(yīng)急狀態(tài)下面向多用戶類型的泥石流災(zāi)害信息特征可視化技術(shù)體系，為泥石流風(fēng)險(xiǎn)圖制作提供參考意見(jiàn)。

1　應(yīng)急條件下泥石流特征可視化用戶類型

應(yīng)急狀態(tài)下風(fēng)險(xiǎn)圖的制作應(yīng)該充分考慮用戶的需求、偏好以及對(duì)可視化的認(rèn)知能力，下面就泥石流災(zāi)害應(yīng)急狀態(tài)下主要的三種用戶類型展開(kāi)討論。

(1)應(yīng)急決策者

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖是災(zāi)害管理以及應(yīng)急決策的重要基礎(chǔ)，應(yīng)急決策者通常具備一定的專業(yè)知識(shí)，能夠根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)圖內(nèi)容作出準(zhǔn)確判斷和科學(xué)決策。其主要從宏觀層面把控整個(gè)災(zāi)情，且重點(diǎn)關(guān)注災(zāi)害范圍、受災(zāi)人口和重要設(shè)施位置。因此應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)圖采用色帶應(yīng)該鮮明，災(zāi)害應(yīng)急過(guò)程中決策者能夠根據(jù)層次分明的顏色和符號(hào)快速獲取災(zāi)情信息。

(2)救援人員

救援人員與決策者不同，通常不具備專業(yè)制圖知識(shí)，因此提供給救援人員的應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)圖其表現(xiàn)的信息更應(yīng)該鮮明且足夠簡(jiǎn)單易于判讀，應(yīng)該以符號(hào)化表達(dá)的形式直觀展示受災(zāi)人口的分布、可能的撤離路線、道路的淹沒(méi)程度以及臨時(shí)安置點(diǎn)的位置。

(3)普通公眾

一般情況下災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖不直接面向公眾，因?yàn)榇蠖酁?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖需要專業(yè)的知識(shí)才能解讀地圖所傳達(dá)的信息，然而災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖對(duì)于傳遞災(zāi)情信息和提高公眾安全意識(shí)具有十分重要的作用。因此，面向公眾應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)該直觀展示與公眾切身利益相關(guān)的災(zāi)情信息。

2　應(yīng)急條件下泥石流特征可視化表達(dá)體系

2.1　泥石流可視化表達(dá)內(nèi)容

2.1.1地形場(chǎng)景

三維地形場(chǎng)景是虛擬地理環(huán)境的重要組成部分，是進(jìn)行泥石流災(zāi)害信息展示的基礎(chǔ)。通過(guò)在三維地形場(chǎng)景中對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行展示能夠提高人們對(duì)應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)圖的認(rèn)知以及風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)[10]，三維地形場(chǎng)景主要通過(guò)高分辨遙感影像和數(shù)字高程模型疊加生成。

2.1.2模擬信息

泥石流運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果主要包括泥石流演進(jìn)過(guò)程、淹沒(méi)范圍、演進(jìn)時(shí)間、流速、泥深以及動(dòng)能等災(zāi)情信息的時(shí)空分布[11]，其模擬結(jié)果對(duì)于應(yīng)急響應(yīng)的作用闡述如表1所示。

表1　模擬結(jié)果對(duì)于應(yīng)急響應(yīng)的作用

2.1.3專題信息

關(guān)于專題信息展示的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖通常強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)損失狀況，而忽略了其對(duì)于社會(huì)和環(huán)境因素帶來(lái)的影響[9]。經(jīng)濟(jì)因素能夠反映災(zāi)情損失情況，使決策者對(duì)整個(gè)災(zāi)害能夠有一個(gè)宏觀的把控。而社會(huì)和環(huán)境因素有助于應(yīng)急決策方案的制定，專題信息匯總見(jiàn)表2所示。

表2　專題信息匯總

2.2　泥石流特征可視化表達(dá)方法

2.2.1應(yīng)急顏色與符號(hào)認(rèn)知

(1)應(yīng)急顏色認(rèn)知

顏色是人們對(duì)于外部環(huán)境的一種普遍認(rèn)知體驗(yàn)，可以向人們傳遞信息并加強(qiáng)對(duì)信息的理解與認(rèn)知。而災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖提供了危險(xiǎn)級(jí)別、風(fēng)險(xiǎn)估算和資源分配等重要信息，能夠?yàn)闉?zāi)害各階段應(yīng)急管理人員提供重大的決策信息支持[12]。災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)當(dāng)具備易識(shí)別性、顯著性、清晰性和簡(jiǎn)潔性等特點(diǎn)，顏色作為地圖的基本要素，可以簡(jiǎn)化和澄清對(duì)象，并影響讀者對(duì)地圖的一般感知能力，從而引起讀者對(duì)于地圖的主觀反應(yīng)[13]。因此，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖上應(yīng)急顏色的合理使用能夠加強(qiáng)緊急狀態(tài)下應(yīng)急決策者、救援人員以及公眾之間的信息共享，以及應(yīng)急決策者在關(guān)鍵決策時(shí)刻能夠具備一目了然地了解災(zāi)情信息的能力。

《中華人民共和國(guó)突發(fā)事件應(yīng)對(duì)法》第42條關(guān)于國(guó)家建立健全突發(fā)事件預(yù)警制度中，將突發(fā)事件發(fā)生的緊急程度 、發(fā)展勢(shì)態(tài)和以及可能造成的危害程度分為1～4級(jí)，分別用紅、橙、黃、藍(lán)表示，其中紅色表示最高級(jí)別[14]。災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖中的色彩設(shè)計(jì)可以部分采用安全色系、預(yù)警色系、預(yù)警色系的組合搭配以及預(yù)警色系相關(guān)色系的延伸，為了能夠清晰判讀，其顏色數(shù)量不應(yīng)超過(guò)8種[13]。具體如圖1所示。

(2)應(yīng)急符號(hào)認(rèn)知

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖專題符號(hào)是用來(lái)傳遞和表達(dá)災(zāi)情信息的圖形符號(hào)，并表示與制圖目的相關(guān)的災(zāi)害應(yīng)急要素的性質(zhì)及其相互關(guān)系，用戶可根據(jù)專題符號(hào)來(lái)快速、準(zhǔn)確判讀相關(guān)災(zāi)情信息的空間位置及其影響，能夠使災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖在應(yīng)急狀態(tài)具備快速解釋災(zāi)情信息及影響的能力[12,15]。

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖專題符號(hào)除應(yīng)具備地圖符號(hào)設(shè)計(jì)的可定位性、系統(tǒng)性、邏輯性、等級(jí)性等一般性原則以外，還應(yīng)具備直觀性和延續(xù)性[16]。直觀性使得針對(duì)具體不同文化背景和專業(yè)知識(shí)的用戶類型都能夠快速獲取災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖中的災(zāi)情信息，延續(xù)性指災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖專題符號(hào)應(yīng)當(dāng)盡量使用當(dāng)前應(yīng)急專題符號(hào)系統(tǒng)中已有的符號(hào)，使得符號(hào)具有通用性和易判讀性。針對(duì)泥石流災(zāi)害的特征可視化對(duì)象，分別采用點(diǎn)、線、面符號(hào)表示災(zāi)害要素，如圖2所示。

圖1　泥石流災(zāi)害信息特征可視化配色方案

圖2　專題符號(hào)匯總

用戶類型決策者救援人員公眾模擬信息淹沒(méi)范圍、到達(dá)時(shí)間范圍、泥深、流速淹沒(méi)范圍、泥深專題信息受災(zāi)人口重要設(shè)施分布建筑、道路評(píng)估救援安置點(diǎn)受災(zāi)人口、建筑評(píng)估財(cái)產(chǎn)損失信息密度低中低圖例數(shù)量不超過(guò)5種不超過(guò)3種不超過(guò)3種地圖要素符號(hào)、文字符號(hào)、文字符號(hào)、文字

2.2.2面向多用戶類型模擬信息與專題信息可視化

泥石流災(zāi)害涉及的不同人員對(duì)災(zāi)害場(chǎng)景內(nèi)容的關(guān)注點(diǎn)有所不同，導(dǎo)致其對(duì)泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖的需求也不一樣[4]，因此需要根據(jù)不同用戶類型采用不同的特征可視化方法，選擇對(duì)應(yīng)的可視化內(nèi)容，提供相應(yīng)的泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖。不同用戶風(fēng)險(xiǎn)圖內(nèi)容如表3所示。

3　實(shí)驗(yàn)分析

3.1　實(shí)驗(yàn)區(qū)介紹

七盤溝位于汶川縣城西南7 km，距成都139 km，是一條災(zāi)害性泥石流溝,源出龍門山南延余脈西北坡,自東南向西北流,于汶川縣城西南5 km處由左岸注入峨江，流域面積52.4 km2，主溝長(zhǎng)15.8 km，溝口海拔1.32 km，分水嶺最高點(diǎn)海拔4.36 km，兩者高差3.04 km[17]。由于其地理位置和地質(zhì)條件的原因，受地形地貌的垂直差異影響，降雨量少但降雨集中等影響，七盤溝爆發(fā)過(guò)多次泥石流災(zāi)害(圖3)。

3.2　面向多用戶的泥石流特征可視化展示

3.2.1面向公眾的泥石流特征可視化展示

面向公眾的泥石流特征可視化展示包括泥石流淹沒(méi)的范圍和深度，深度信息認(rèn)為大于2m處于危險(xiǎn)狀態(tài)，可視化顏色采用符合公眾對(duì)泥石流認(rèn)知的灰色(從淺至深)；其次包括風(fēng)險(xiǎn)建筑物可視化展示，采用紅、黃、綠分別從高至低表示建筑物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，這樣有助于公眾評(píng)判當(dāng)泥石流真實(shí)發(fā)生后自己的財(cái)產(chǎn)是否會(huì)遭受損失；最后是道路淹沒(méi)情況、撤離路線以及臨時(shí)安置點(diǎn)的展示，使其泥石流發(fā)生時(shí)盡量減少對(duì)公眾的人身安全構(gòu)成傷害(圖4)。

3.2.2面向救援人員的泥石流特征可視化展示

應(yīng)急狀態(tài)下，救援人員首先關(guān)注受災(zāi)的人群，然而受災(zāi)人群與建筑物息息相關(guān)，因此在上述災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖中首先展示了中度風(fēng)險(xiǎn)和高度風(fēng)險(xiǎn)的建筑物；其次是道路的暢通性和臨時(shí)安置點(diǎn)的位置，因?yàn)榈缆吠ǔ＞仍纳ǖ?，?duì)于道路暢通情況的直觀展示能夠?yàn)榫仍?jié)約寶貴的時(shí)間；最后是學(xué)校、養(yǎng)老院這種特殊設(shè)施空間位置的展示，有助于救援人員節(jié)約時(shí)間救助行動(dòng)不便的人群(圖5)。

圖3　案例區(qū)域

圖4　面向公眾的泥石流可視化

圖5　面向救援人員的泥石流可視化

3.2.3面向決策者的泥石流特征可視化展示

災(zāi)害過(guò)程中最重要的對(duì)象是人，因此面向決策者的泥石流可視化展示首先是風(fēng)險(xiǎn)人口的可視化(圖6)，即災(zāi)害中低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)的人口比重；其次是泥石流災(zāi)害的范圍，以泥石流到達(dá)時(shí)間來(lái)展示對(duì)應(yīng)時(shí)刻泥石流災(zāi)害的淹沒(méi)范圍；最后是災(zāi)害范圍內(nèi)學(xué)校、醫(yī)院、應(yīng)急避難場(chǎng)所等重要設(shè)施以及危險(xiǎn)設(shè)施(例如：加油站、火電站等)的空間位置分布，以節(jié)約時(shí)間救援行動(dòng)能力不便的人群和防止次生災(zāi)害的發(fā)生。

圖6　面向決策者的泥石流可視化

4　結(jié)論與展望

針對(duì)泥石流災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)可視化對(duì)象錯(cuò)綜復(fù)雜、信息量偏大以及不同用戶類型對(duì)于可視化的關(guān)注點(diǎn)和需求不同等問(wèn)題，本文開(kāi)展了應(yīng)急狀態(tài)下面向多用戶類型的泥石流災(zāi)情信息特征可視化方法研究。首先厘清了泥石流災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的災(zāi)害信息可視化類型，分為模擬信息的展示和專題信息的展示；其次探討了泥石流特征可視化表達(dá)方法，采用應(yīng)急預(yù)警顏色與專題符號(hào)協(xié)同可視化的方法對(duì)泥石流災(zāi)情信息進(jìn)行特征可視化展示；最后根據(jù)公眾、救援人員和決策者的可視化需求和判讀專題風(fēng)險(xiǎn)圖的能力定制對(duì)應(yīng)的泥石流災(zāi)情信息特征可視化表達(dá)模式。其研究成果有助于提供公眾對(duì)于泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，為決策者科學(xué)有效決策和救援人員快速救援提供參考意見(jiàn)。

在下一步的工作中，需要繼續(xù)開(kāi)展以下幾方面的研究：①當(dāng)前關(guān)于災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)圖的展示主要包括模擬信息和專題信息展示，缺少關(guān)于災(zāi)害區(qū)域歷史災(zāi)情背景信息的展示；②關(guān)于災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)圖的展示可結(jié)合最新的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以增強(qiáng)人們對(duì)于災(zāi)害的認(rèn)知。

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