地理信息系統(tǒng)在自然災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用探討

文/張民榮 薛 誠(chéng) （.蕪湖市灣沚區(qū)自然資源和規(guī)劃局 .安徽省第四測(cè)繪院）

一、概述

近年來(lái)，隨著氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然的影響越來(lái)越大，自然災(zāi)害的發(fā)生率逐漸提高。我國(guó)幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，人口眾多，是世界上受自然災(zāi)害危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，洪澇、泥石流、山體滑坡、地震等自然災(zāi)害對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了不可估量的損失。而大部分自然災(zāi)害通常都具有突發(fā)性，不容易預(yù)測(cè)，因此盡快提升對(duì)自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力至關(guān)重要。

地理信息系統(tǒng)（geographic information system，簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）是重要的空間信息系統(tǒng)，是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件的支持下，對(duì)自然資源中的地理要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存，進(jìn)而對(duì)空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，同時(shí)能夠?qū)ζ涮卣鬟M(jìn)行可視化顯示和科學(xué)描述的技術(shù)系統(tǒng)[1]。近年來(lái)，隨著技術(shù)的愈發(fā)成熟，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如社會(huì)服務(wù)和基礎(chǔ)建設(shè)等方面；其在自然資源領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛，包括自然資源管理、土地規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境管理、林業(yè)資源調(diào)查等。由于地理信息系統(tǒng)擁有極強(qiáng)的空間綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，可以高效地作出最符合地理要素的空間決策，其在自然災(zāi)害預(yù)警中的作用被逐漸重視。本文探討地理信息系統(tǒng)在自然災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用。

二、GIS 在自然災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)通過(guò)采集和存儲(chǔ)地理空間要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。一個(gè)地理信息系統(tǒng)在應(yīng)用上可分為輸入層和輸出層。輸入層指對(duì)氣候、地理信息、地理要素等數(shù)據(jù)的收集、分類(lèi)和存儲(chǔ)，存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)可按需求進(jìn)行分析處理，為數(shù)據(jù)的有效輸出作準(zhǔn)備。輸出層則是將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示和統(tǒng)計(jì)分析圖表功能，同時(shí)依托于對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警，具體如圖1 所示。

圖1 地理信息系統(tǒng)在災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用圖示

1.輸入層：數(shù)據(jù)收集、分類(lèi)和存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)的核心，輸出層的數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)圖表以及數(shù)據(jù)分析都建立在準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)上，所以數(shù)據(jù)的收集和存儲(chǔ)是地理信息系統(tǒng)能夠良好運(yùn)作的前提。數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)依托于設(shè)計(jì)合理規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)，因此按照需求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和歸納表中字段屬性是非常必要的。

數(shù)據(jù)的來(lái)源多種多樣，一部分來(lái)自歷年的災(zāi)害統(tǒng)計(jì)和氣候、水文等數(shù)據(jù)，另一部分則來(lái)自于災(zāi)害隱患點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)在隱患點(diǎn)附近設(shè)置監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，依靠外置的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如攝像頭和感應(yīng)儀器等，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)自然災(zāi)害發(fā)生的必要條件進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)獲取和全天候監(jiān)測(cè)[2]。

地理信息系統(tǒng)把地理分析功能與數(shù)據(jù)庫(kù)操作結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的規(guī)范存儲(chǔ)和查詢(xún)。但是，通過(guò)多種類(lèi)的數(shù)據(jù)收集方式收集的數(shù)據(jù)量有時(shí)太過(guò)于龐大，一定程度上也造成了數(shù)據(jù)的冗余。因此在存儲(chǔ)前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分類(lèi)，需要技術(shù)人員從專(zhuān)業(yè)角度剖析自然災(zāi)害發(fā)生的原因，結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域特點(diǎn)，篩選有效數(shù)據(jù)，保證入庫(kù)數(shù)據(jù)精煉、合理。

2.輸出層：數(shù)據(jù)展示、輔助災(zāi)害預(yù)警

通過(guò)輸入層，收集的數(shù)據(jù)已被存入結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容精煉的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便輸出層的使用。對(duì)于數(shù)據(jù)的應(yīng)用不僅僅體現(xiàn)在可視化展示，更重要的是要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，得出輔助災(zāi)害預(yù)警的有效信息。數(shù)據(jù)的輸出層主要包括三個(gè)方面功能：一是數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)，如災(zāi)害隱患點(diǎn)的區(qū)域地圖、水流區(qū)域圖、山地地形圖等，還可將區(qū)域行政圖與隱患點(diǎn)結(jié)合在一起形成災(zāi)害隱患點(diǎn)專(zhuān)題地圖；二是對(duì)數(shù)據(jù)篩選后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖表展示，包括數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖、對(duì)比圖以及變化趨勢(shì)圖；三是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深層次分析來(lái)輔助災(zāi)害預(yù)警工作。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深層次分析來(lái)輔助災(zāi)害預(yù)警工作，具體有以下幾方面。

制定預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)制定直觀的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的災(zāi)害預(yù)警判斷。例如，通過(guò)地表滑行位移監(jiān)測(cè)山體滑坡、短期降雨量變化監(jiān)測(cè)山洪或內(nèi)澇、土壤含水量變化監(jiān)測(cè)泥石流等。但此類(lèi)方法的有效預(yù)警是建立在準(zhǔn)確的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的，因此需要尋求有關(guān)地質(zhì)部門(mén)或氣象部門(mén)來(lái)協(xié)助標(biāo)準(zhǔn)的制定。另外，還可以通過(guò)綜合分析歷年災(zāi)害數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)氐匦?、氣候特點(diǎn)，總結(jié)出災(zāi)害發(fā)生的高頻時(shí)間段，更好地為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

建立災(zāi)害模型。地理信息系統(tǒng)能為建立災(zāi)害模型和區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估提供有力支持。結(jié)合分析災(zāi)害發(fā)生的高頻時(shí)間段、發(fā)生氣候和地質(zhì)條件以及災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)建模，可以得出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值算法和災(zāi)害模擬模型，進(jìn)而將各個(gè)區(qū)域的地形特征、流域水量、氣候等數(shù)值套入算法和模型，計(jì)算出未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)災(zāi)害發(fā)生的概率。通過(guò)套用成熟的災(zāi)害模擬模型，預(yù)警中心可以對(duì)有關(guān)區(qū)域加大監(jiān)控和巡查力度，進(jìn)而在災(zāi)害發(fā)生前及時(shí)聯(lián)系當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)進(jìn)行群眾疏散或加固防御工事，有針對(duì)性地對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估，力爭(zhēng)從源頭上阻止或減少自然災(zāi)害的形成。

輔助巡查人員實(shí)地巡護(hù)。地理信息系統(tǒng)也可以配合區(qū)域巡查員進(jìn)行巡護(hù)。例如在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和發(fā)生災(zāi)害的高頻期加大巡護(hù)頻率，并依托于巡查員手持GPS 等移動(dòng)終端，通過(guò)接口將系統(tǒng)遠(yuǎn)程與其對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而監(jiān)測(cè)巡查員的巡查范圍，形成巡查地圖，提供巡查重點(diǎn)，排查巡查盲點(diǎn)，提高巡查效率；同時(shí)，由于可以對(duì)接移動(dòng)終端設(shè)備，系統(tǒng)還可以向其發(fā)送預(yù)警信息，并接收設(shè)備上傳的巡查現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和圖片，從而輔助預(yù)警中心遠(yuǎn)程分析和判斷，為災(zāi)害預(yù)警方案和決策的形成提供有效支撐。

3.與其他技術(shù)結(jié)合

地理信息系統(tǒng)與其他技術(shù)結(jié)合可以發(fā)揮更優(yōu)質(zhì)的作用。在目前的應(yīng)用中，結(jié)合較多的技術(shù)是遙感技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。

遙感技術(shù)是利用傳感器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行無(wú)接觸探測(cè)，已被廣泛應(yīng)用于地理數(shù)據(jù)獲取。目前，對(duì)于遙感在自然災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)后輔助救援中的作用已有很多研究，如無(wú)人機(jī)遙感與GIS 結(jié)合監(jiān)測(cè)泥石流[3]，遙感監(jiān)測(cè)輔助水災(zāi)的災(zāi)后救援[4]，遙感和地理信息技術(shù)結(jié)合在地質(zhì)災(zāi)害防治中的作用研究[5]等。遙感技術(shù)不受地面惡劣條件限制，能夠遠(yuǎn)程迅速準(zhǔn)確地獲取圖形信息，更好地發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的作用。

大數(shù)據(jù)技術(shù)近些年方興未艾，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提高了整個(gè)社會(huì)的數(shù)據(jù)獲取、處理的能力和智能程度。大數(shù)據(jù)在自然災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)中的應(yīng)用研究也有不少，如基于山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)成果對(duì)全國(guó)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的分區(qū)研究[6]，依托于水文氣象大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)洪澇災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)探討[7]，大數(shù)據(jù)在提升災(zāi)難信息管理水平中的作用[8]等。通過(guò)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，地理信息系統(tǒng)能夠更高效地獲取和處理大批量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)的多樣性，更好地提升地理信息系統(tǒng)的預(yù)警功能。

三、結(jié)語(yǔ)

地理信息系統(tǒng)在自然災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用意義重大。一方面，立足于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，依托于系統(tǒng)的信息分析和處理能力，地理信息系統(tǒng)有助于地理空間數(shù)據(jù)和氣候、災(zāi)害數(shù)據(jù)的聯(lián)合應(yīng)用，提高了數(shù)據(jù)的使用效率；另一方面，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析形成的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法和災(zāi)害模擬模型，為自然災(zāi)害的預(yù)警提供準(zhǔn)確和科學(xué)的支撐，有效提升了自然災(zāi)害的科學(xué)預(yù)警水平，減輕預(yù)警壓力和難度，提高預(yù)警效率和成果。

地理信息系統(tǒng)在自然災(zāi)害預(yù)警中能夠發(fā)揮持續(xù)有效的作用，為有關(guān)部門(mén)的決策人員提供強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。在今后的防災(zāi)減災(zāi)工作中，技術(shù)人員可以充分挖掘地理信息系統(tǒng)的功能，使其能夠被更廣泛更深入地應(yīng)用于自然災(zāi)害預(yù)警中，并依托大數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、云計(jì)算等技術(shù)，提高我國(guó)自然災(zāi)害預(yù)警的綜合能力和科學(xué)水平。