自然災(zāi)害研究中遙感與地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用

文／盛新華 山東正元航空遙感技術(shù)有限公司 山東濟南 250000

引言：

1、自然災(zāi)害、遙感與地理信息系統(tǒng)概述

1.1 自然災(zāi)害

地質(zhì)災(zāi)害內(nèi)涵包括多個方面，包含致災(zāi)的動力條件和災(zāi)害事件的后果，自然災(zāi)害會產(chǎn)生大量的危害，造成人類生命、財產(chǎn)各方面的威脅，對人類社會產(chǎn)生嚴重的損失。我國是自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，也是世界上災(zāi)害嚴重、受災(zāi)歷史最早以及災(zāi)害種類最多國家之一。各種各樣自然災(zāi)害的產(chǎn)生，給人們的居住、生活環(huán)境帶來巨大的威脅。近年來氣候急劇變化，天氣變化越發(fā)極端，人類活動對自然界的影響越來越大，自然災(zāi)害的發(fā)生率也不斷提高。我國地貌廣大，幅員遼闊，地形復雜，出現(xiàn)自然災(zāi)害的概率巨大，如洪澇、泥石流、山體滑坡速、地震等，這些自然災(zāi)害的產(chǎn)生對人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴重的威脅。對于人類而言，自然災(zāi)害的發(fā)生存在突發(fā)性、不可預測性，同時還有巨大的毀滅性，因此需要提升對自然災(zāi)害的預警能力，Geogra Phicinformation system為地理信息系統(tǒng)的全稱，是重要的空間信息系統(tǒng)，為當前工程測量、測繪工作提供數(shù)據(jù)支持。作為重要空間信息系統(tǒng)，在計算機硬件與軟件的支持下，實現(xiàn)對自然資源地理要素的采集和存儲，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的分析與處理，對存在的特征進行可視化顯示、描述，精準得到自然災(zāi)害的數(shù)據(jù)信息。當前技術(shù)發(fā)展越發(fā)成熟，地理信息系統(tǒng)廣泛運用于諸多領(lǐng)域中，比如社會服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)等方面。另外將其運用于自然資源的管理和國土規(guī)劃中，進行土地規(guī)劃、生態(tài)管理、林業(yè)調(diào)查等。從各方面來看地理信息系統(tǒng)具備強大的自然災(zāi)害分析、動態(tài)預測能力，能夠高效快速得到符合地理要素的空間決策，將其運用在自然災(zāi)害的預測中，幫助管理人員預測實現(xiàn)全面的管理。

1.2 遙感系統(tǒng)

圖1 森林火災(zāi)

遙感系統(tǒng)發(fā)展并不緩慢，起源于六十年代，在航空攝影快速發(fā)展的背景下，遙感技術(shù)融合天空、計算機、信息化等手段，輔之生物科學、天文學等理論知識。整體來看該技術(shù)的使用具備極強的綜合性，在多個領(lǐng)域內(nèi)都得到廣泛使用。遙感技術(shù)主要是從遙控的外層空間平臺上，使用光學探測儀等常用設(shè)備，如攝影儀器、掃描設(shè)備、信息感應(yīng)等手段。探測儀器主要是識別地面物質(zhì)的性能、活動狀態(tài)，該技術(shù)使用具備極高的精度?，F(xiàn)代化過程中還可以從高空到地面進行監(jiān)測、觀測，精準處理數(shù)據(jù)，總結(jié)實際工作，為多個領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持。實際運用也是由遙感平臺、儀器等接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力。遙感系統(tǒng)具備極強的獨立性，為各個行業(yè)與領(lǐng)域內(nèi)提供豐富的信息資源，提供全面的數(shù)據(jù)資料，便利人們的生活。

1.3 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)也被人們認為是“地學信息系統(tǒng)”，是特定的重要空間信息系統(tǒng)，在計算機技術(shù)的支持下與軟硬件的配套使用下，采集地球表層與各個空間的數(shù)據(jù)信息，將其存儲在系統(tǒng)中分析運算。地理信息系統(tǒng)中位置與地理信息是核心，經(jīng)緯坐標應(yīng)落實，才可以被使用。用戶還需要獲取位置信息，了解所處環(huán)境獲取相關(guān)的信息，為用戶的活動提供支持與服務(wù)。地理信息系統(tǒng)是一項綜合性技術(shù)，涉及到地理學、地圖學等多項技術(shù)，為自然災(zāi)害的監(jiān)測的、預測、救災(zāi)提供了數(shù)據(jù)支持。

2、遙感與地理信息系統(tǒng)

2.1 遙感與地理信息系統(tǒng)運用優(yōu)勢

在信號傳輸和遠程監(jiān)測技術(shù)快速發(fā)展的背景下， 遙感與地理信息系統(tǒng)在近年來得到蓬勃發(fā)展，集多項先進技術(shù)為一體，包含通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、地理與生物等學科的最新技術(shù)，現(xiàn)階段將該技術(shù)運用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、地質(zhì)預測、水文監(jiān)測、氣象與海洋預測測繪當中，發(fā)揮了十分重要的作用。新的全球定位給技術(shù)出現(xiàn)直接影響到地球生命科學的研究，實際的方式與內(nèi)容產(chǎn)生巨大變化，這標志著地球研究速的變革。遙感與地理信息系統(tǒng)優(yōu)勢表現(xiàn)在：首先能夠提供全球范圍之內(nèi)的高清圖像，深刻揭示大氣圈、生物圈與巖石圈內(nèi)的相互作用，促進地球系統(tǒng)研究的不斷深入。通過技術(shù)升級，實現(xiàn)從可見光到微波、紅外線技術(shù)的提升，在遙感與地理信息技術(shù)支持的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)模型，奠定定量化分析的基礎(chǔ)。遙感與信息系統(tǒng)的運用，為我國重點環(huán)境資源事件的運用提供精準而全面的監(jiān)測評估報告，保障我國能夠快速而準確對自然災(zāi)害情況做出反應(yīng)。遙感與地理信息系統(tǒng)的運用為我國經(jīng)濟發(fā)展提供詳細而全面的生態(tài)資源數(shù)據(jù)。根據(jù)實際調(diào)查數(shù)據(jù)和具體發(fā)展情況，能夠為我國生物量進行精準的評估和預測，為我國重要經(jīng)濟領(lǐng)域提供基礎(chǔ)而全面的信息服務(wù)。

2.2 遙感與地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

圖2 地理信息系統(tǒng)組成

遙感技術(shù)運用范圍很廣，包含航天、航空、地面觀察臺等組成的對地觀測系統(tǒng)，為其提供定量、定性、全面的數(shù)據(jù)，是綜合性技術(shù)系統(tǒng)。實際運用過程中能夠提供全方位、全天候的資源保護、監(jiān)測和監(jiān)控，為資源開發(fā)和環(huán)境保護等提供數(shù)據(jù)支持，為資源管理規(guī)劃提供系統(tǒng)化的依據(jù)和服務(wù)。從技術(shù)方面開看，遙感與地理信息系統(tǒng)之間存在緊密的聯(lián)系。地理信息系統(tǒng)使用遙感大數(shù)據(jù)來更新數(shù)據(jù)庫，遙感的影像識別技術(shù)精度提升需要得到遙感技術(shù)的支持。當前遙感與地理信息一體化已經(jīng)成為趨勢，遙感圖像技術(shù)具備柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換在當前取得了突破性的進展，為長遠發(fā)展提供了良好助力。

3、自然災(zāi)害預警中的GIS、遙感技術(shù)運用

地理信息系統(tǒng)收集到數(shù)據(jù)資料之后，得到地理空間要素信息，可視化展示數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)在運用上分為輸入層與輸出層，輸入層主要是收集氣候和地理信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行分類存儲，存儲后的數(shù)據(jù)可以根據(jù)需求來分析和處理，保證數(shù)據(jù)分析的有效性，為數(shù)據(jù)輸出做準備。輸出層是將收集好的數(shù)據(jù)描述，借助現(xiàn)代信息技術(shù)進行數(shù)據(jù)的可視化展示，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之后，利用圖表展示出來，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，判斷災(zāi)害情況，對其進行預警。

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1.1 輸入層

關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平（relational leve1）：采用兩種或兩種以上的分析方法，得到至少兩種結(jié)果．如：由于，加上烏市有兩個優(yōu)級天氣，所以烏市空氣質(zhì)量好；由，昆明空氣質(zhì)量穩(wěn)定，且昆明沒有污染等級的天氣，所以昆明空氣質(zhì)量好．

GIS系統(tǒng)輸入層，數(shù)據(jù)收集、分析、存儲是該系統(tǒng)核心，展示輸出層數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示和統(tǒng)計圖標、數(shù)據(jù)分析都需要精準的數(shù)據(jù)，因此GIS系統(tǒng)的使用需要精準而全面的數(shù)據(jù)作為支持。數(shù)據(jù)有效性存儲依托數(shù)據(jù)庫設(shè)計的規(guī)范性與合理性，因此按照需求來設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，歸納系統(tǒng)當中的字段屬性。在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)來源種類豐富，囊括歷年的災(zāi)害統(tǒng)計表、氣候狀況、殊為難數(shù)據(jù)資料，根據(jù)數(shù)據(jù)常年變動規(guī)律，來自災(zāi)害隱患點的實時監(jiān)測。對于隱患點，在隱患點附近設(shè)置監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，依靠外置設(shè)備將自然災(zāi)害的數(shù)據(jù)信息傳輸回數(shù)據(jù)庫，對自然災(zāi)害的發(fā)生情況進行監(jiān)控，獲得全天候監(jiān)測。地理信息系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫操作結(jié)合在一起，對地理空間數(shù)據(jù)規(guī)范進行存儲、查詢。對于系統(tǒng)來講所接納的數(shù)據(jù)過于龐大，系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)冗余的隱患，因此存儲之前對數(shù)據(jù)進行挖掘、分類，技術(shù)人員需要從專業(yè)角度剖析自然災(zāi)害發(fā)生的原因，結(jié)合地區(qū)情況篩選數(shù)據(jù)分析，提煉數(shù)據(jù)，得到精準的結(jié)果。

3.1.2 輸出層

輸出層主要是數(shù)據(jù)展示和輔助災(zāi)害預警，此時收集數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫當中，為輸出層提供精準數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用除了可視化展示以外，最主要是數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計后，得到災(zāi)害預警的數(shù)據(jù)信息。輸出層包含3個方面：

（1）數(shù)據(jù)可視化清晰展示自然災(zāi)害的隱患點，如水流區(qū)域、山地地形等，也可以講區(qū)域行政圖和隱患點結(jié)合形成專門的區(qū)域災(zāi)害隱患地圖。

（2）對數(shù)據(jù)篩選后，進行統(tǒng)計圖展示，包含數(shù)據(jù)統(tǒng)計、對比、變化趨勢分析示意圖。

（3）數(shù)據(jù)的深層次分析有利于輔助自然災(zāi)害的預警分析，根據(jù)數(shù)據(jù)資料，制定預警標準判斷簡單的災(zāi)害預警。如地形圖上，根據(jù)地形變化規(guī)律動態(tài)監(jiān)測，對地表滑行位移進行監(jiān)測判斷山體滑坡與泥石流情況；結(jié)合短期降雨量變化預測山洪與城市內(nèi)澇；根據(jù)土壤含水量變化情況判斷地質(zhì)存在的隱患。上述目標的實現(xiàn)都需要精準的數(shù)據(jù)支持，需要地質(zhì)相關(guān)部門制定相關(guān)協(xié)議和標準。

3.2 具體運用

3.2.1 建立災(zāi)害模型

根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，得到歷年災(zāi)害數(shù)據(jù)、區(qū)域內(nèi)的地形、氣候等多方面的特征總結(jié)災(zāi)害頻發(fā)時段，得到災(zāi)害發(fā)生的時間和地點，為自然災(zāi)害預測制定相關(guān)的標準。建立災(zāi)害模型，GIS能夠為建立模型提供有利的支持，也能為預警標準制定提供依據(jù)。結(jié)合災(zāi)害發(fā)生的高頻時段，結(jié)合歷年數(shù)據(jù)建立起可視化模型，得到風險值算法和模擬模型，對區(qū)域內(nèi)的水流、地形特征、氣候變化情況等套入到計算中，計算出近期內(nèi)災(zāi)害發(fā)生的概率。運用成熟的災(zāi)害模擬圖形幫助預警中心了解自然災(zāi)害的發(fā)生情況，加大對隱患區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控、巡查，在災(zāi)害發(fā)生之前及時聯(lián)系當?shù)夭块T做好疏散管理，如疏散群眾、加強工程防御減少自然災(zāi)害產(chǎn)生的威脅，有針對性的降低高風險，從源頭上阻止和減少危害現(xiàn)象的存在。

3.2.2 輔助巡查巡護

GIS系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)資料后，配合區(qū)域內(nèi)巡查員巡護區(qū)域，降低自然災(zāi)害存在的風險。高風險區(qū)域加強巡護頻率，發(fā)生災(zāi)害的高頻期更要加大巡護。巡護人員使用GPS等移動設(shè)備、傳感器，通過接口與系統(tǒng)對接，實現(xiàn)遠程測繪監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，監(jiān)測巡檢范圍。根據(jù)循環(huán)情況生成巡查地圖，找到巡查盲點提高檢查的效率，同時對薄弱環(huán)節(jié)做好排查。另外也可以使用移動終端設(shè)備完善功能，發(fā)送預警信息，接收設(shè)備的上傳數(shù)據(jù)、圖片，幫助預警中心實現(xiàn)遠程分析，為預警人員的決策提供有效的數(shù)據(jù)支持。

（1）結(jié)合先進技術(shù)對自然災(zāi)害預警

地理信息系統(tǒng)與其他技術(shù)結(jié)合，能夠發(fā)揮更大的價值和作用。當前多街二號遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)。遙感技術(shù)主要是利用傳感器對遠距離目標進行無接觸探測，當前被廣泛運用在地理數(shù)據(jù)獲取中?，F(xiàn)階段遙感技術(shù)在自然災(zāi)害、災(zāi)后輔助救援中起到了巨大的作用。比如使用無人機遙感與GIS技術(shù)結(jié)合監(jiān)測泥石流、輔助監(jiān)測水災(zāi)后的救援工作等等。GIS技術(shù)的運用具備顯著的優(yōu)勢，遙感技術(shù)使用不受到外界環(huán)境的限制，能夠遠程快速獲取圖形信息，發(fā)揮地理信息之間的價值、作用。大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展越發(fā)成熟，提高了人們數(shù)據(jù)獲取、處理能力的提升。

（2）災(zāi)害識別與信息提取

以洪澇災(zāi)害為例，災(zāi)害信息提取是災(zāi)害損失動態(tài)評估、減災(zāi)方案等前提。洪澇災(zāi)害承載體主要是指淹沒區(qū)域內(nèi)的地物屬性，比如農(nóng)田、工況、居民地、道路與人口等。提取承災(zāi)體數(shù)據(jù)調(diào)查傳統(tǒng)多使用專題地圖、現(xiàn)場勘察測繪。專題地圖不具備現(xiàn)實性，現(xiàn)場調(diào)查消耗時間和精力，災(zāi)情發(fā)生之后難以實現(xiàn)現(xiàn)場的實際調(diào)查。如果調(diào)查過程中背景數(shù)據(jù)庫資料齊全完整、內(nèi)容齊備，能夠從災(zāi)害中得到災(zāi)害的具體數(shù)據(jù)、范圍。結(jié)合GIS技術(shù)進行多數(shù)據(jù)層的空間的疊加操作，即可實現(xiàn)對承載體的快速提取。如洪澇災(zāi)害發(fā)生之后，利用時間序列的遙感數(shù)據(jù)識別洪水與動態(tài)信息，進行監(jiān)測后將數(shù)據(jù)進行分析，為救災(zāi)工作提供重要的支持。淹沒范圍使用多波段衛(wèi)星進行圖像分類，提取水體信息和淹沒信息。在自然災(zāi)害發(fā)生期間內(nèi)，遙感影像多會受到受云量的影像，要排除云量的干擾，可以使用雷達數(shù)據(jù)來排除干擾。雷達數(shù)據(jù)圖像具備全天候、全天時的特征，對預測洪澇災(zāi)害有更多的優(yōu)勢。

（3）處理災(zāi)害數(shù)據(jù)

任何數(shù)據(jù)對災(zāi)害研究有重要影響和作用，是災(zāi)害研究的重要部分。無論是單災(zāi)種還是多災(zāi)種，數(shù)據(jù)都分為多個時段的數(shù)據(jù)，分為歷史、現(xiàn)代、實時數(shù)據(jù)，比如地震災(zāi)害板塊運動、地質(zhì)學等，數(shù)據(jù)組成當中，會產(chǎn)生與實際相符合的數(shù)據(jù)，如旱災(zāi)對氣候條件、水文等產(chǎn)生的影響能得到不同的數(shù)據(jù)，對于災(zāi)害的不同，系統(tǒng)也會采集到不同的數(shù)據(jù)。災(zāi)害與地理空間分布中，利用GIS進行數(shù)據(jù)的分析與處理非常方便，確保數(shù)據(jù)的真實與完整。GIS功能的實現(xiàn)主要依托數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將收集到的數(shù)據(jù)進行整合與存儲之后，利用最優(yōu)方式進行一個或者是多個數(shù)據(jù)時提供對應(yīng)的服務(wù)，自身存儲大部分都獨立存在，保證數(shù)據(jù)資料共享的同時，減少系統(tǒng)內(nèi)的冗余資料。大部分情況下人們將80%的成本投入到數(shù)據(jù)庫的建立中。由此可知數(shù)據(jù)庫建立的重要性。運用成熟的GIS技術(shù)會提供高精度的數(shù)據(jù)支持，這樣不僅僅可以從根本上實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，也可以解決模型分析存在的問題，快速解決災(zāi)害實現(xiàn)救災(zāi)，最大可能減少災(zāi)害產(chǎn)生的損失。

（4）災(zāi)害動態(tài)分析

災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測與分析在自然災(zāi)害的預測與管理中，是至關(guān)重要的組成部分，動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容十分重要。對于災(zāi)害監(jiān)測而言，動態(tài)監(jiān)測不僅是單純的模擬災(zāi)害情況，動態(tài)監(jiān)測是對信息進行接收、傳輸、處理、分析，將這些步驟融入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。動態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)實時、有效的監(jiān)測，還可以深入了解災(zāi)害發(fā)生的實際情況，準確得到災(zāi)害的數(shù)據(jù)資料。GIS的動態(tài)監(jiān)測當中，除了分析與GIS軟件相關(guān)的數(shù)據(jù)資料以外，在實際使用過程中還針對災(zāi)害信息數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)的有效傳輸、數(shù)據(jù)顯示的，以及與GIS技術(shù)之間形成良好的結(jié)合，優(yōu)化系統(tǒng)功能。

（5）評估自然災(zāi)害

自然災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高，會嚴重影響到人們的日常生活、自然環(huán)境，甚至嚴重影響社會經(jīng)濟。針對這一現(xiàn)狀，利用遙感信息建立起自然災(zāi)害監(jiān)測評估體系，從而確定災(zāi)害目標、防御措施，同時對其進行優(yōu)化，在保證自然災(zāi)害監(jiān)測精準的基礎(chǔ)上，為災(zāi)害預防提供有效的數(shù)據(jù)支持。GIS技術(shù)支持的背景下，能夠?qū)崿F(xiàn)對災(zāi)害信息的采集、收集、存儲，建立對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為災(zāi)害決策管理提供數(shù)據(jù)支持。為滿足需要，對數(shù)據(jù)進行綜合分析、模擬、預測，滿足災(zāi)害預警的需要。遙感技術(shù)研究中通過使用不同的災(zāi)害分析模型建立對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，保證信息源的更新，能夠保證信息的準確與有效。

結(jié)語：

綜上所述，自然災(zāi)害的預測、防范是最大程度降低事故隱患的主要原因。新時期的自然災(zāi)害預測當中，將遙感技術(shù)與地理信息技術(shù)相結(jié)合，充分融合現(xiàn)代信息技術(shù)，保證災(zāi)情信息收集的正確有效，建立可視化模型，為災(zāi)情預防提供有效的數(shù)據(jù)支持，同時為后續(xù)的處理提供有效的保證。