基于3s的灾害管理系统的设计与应用

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1、 基于 3S 的灾害管理系统的设计与应用 基于 3S 的灾害管理系统的设计与应用 栗斌，刘纪平 （中国测绘科学研究院，北京，100039） 摘 要 摘 要 我国是一个灾害多发的国家，灾害每年都会造成巨大的人员伤亡和经济损失。当 今，通过建立灾害管理系统来预防和处理灾害事件已成为一种普遍和有效的方式，并在实践 中获得了一定的成功之处。本文在基于 3S（GIS、RS 和 GPS)的技术环境下，针对灾害管理系 统的设计和应用，提出了一些原则和方法，并进行了实践。 关键词 关键词 3S，灾害管理, 设计，应用 一、引言 一、引言 当今世界存在着多种类型的灾害，例如地震、水灾、海啸、滑坡 等等，它们一般

2、是不可预测的，给人类造成巨大的人员和物质损失。 据相关统计， 全世界每年约有两亿多人受灾。 2005 年美国 “卡特林那” 飓风中有上万人遇难； 2004 年 12 月东南亚海啸夺去了 12 万余人的生 命。我国也是个灾害多发之地，据统计，每年的自然灾害，造成一万 多人死亡和 2000 亿元的经济损失。70%以上的人口、80%以上的工农 业和城市受到气象、海洋、洪水和地震等灾害的严重威胁 1。因此， 如何有效地对灾害进行管理，尽量减少灾害对社会所造成的损失是各 国普遍面临的难题， 并得到政府部门的高度重视。 目前， 基于 3S(GIS、 RS 和 GPS)的灾害管理系统已发展成为一种综合的、有

3、效的用于灾害 管理的工具，被广泛应用于灾害管理的各个阶段。 二、3S 技术在灾害管理中的重要应用 二、3S 技术在灾害管理中的重要应用 近几十年来，灾害虽然在发生频率、破坏程度等方面都有显著的 增长，但人们通过利用 3S 技术，对灾害管理的能力也取得了显著的 提高，这些技术在实际中的应用如下所述： 1.GIS 作为一种强大的技术工具，具有采集、存储、处理、分析、建 模、显示海量数据的功能，能很好地用于灾害管理，作为灾害管理系 统全局总揽型、可视化的指挥平台 2。 2.使用 GIS 工具，利用和交通信息（例如流速、流量等）相关的道路 中心线数据，同时结合 GPS，规划疏散路线，指定最合理的路线，

4、实 现应急车辆的调度和跟踪，减少灾害造成的各种损失。此外，结合地 形、人口和植被等相关信息，利用 GIS 的分析功能进行网络分析、缓 冲区分析、叠加分析和淹没分析，得出非地理空间数据的空间分布规 律，进行人员和重要物质的搜索和救援。通过对这些规律的认识，利 162 用相关的统计和预测方法，对灾情进行预测和分析，方便灾害管理部 门进行辅助决策，提高决策的效率和水平。 3.基于网络的 GIS 可以把源自不同类型的空间数据网络的数据综合成 一种连续的支持 WEB 功能的 GIS 界面 3，实现不同救灾机构之间的通 信和数据共享，提高了工作效率。 4.随着遥感技术的发展，卫星遥感图像的空间分辨率、光谱

5、分辨率和 温度分辨率都有很大程度的提高。在 GIS 环境下对遥感影像（例如卫 片、航片等）进行遥感解译和信息提取，通过影像纠正和空间坐标匹 配，即可将解译的有关信息直接导入 GIS 数据库，可以方便快捷地提 取与灾情相关的灾害区域地形特征、地质条件、土地利用/变化、植 被覆盖等大量的环境背景资料信息。 5.利用不同时期、不同波段的遥感影像可以实现对受灾区域的动态遥 感监测，获取相应的动态变化信息，为数据的更新和完善提供有效的 方式。同时，通过对这些多源、多时态海量数据的分析，得到可靠的、 精确的和令人满意的信息 4，最终把这些信息以一种快捷、易用的方 式传送给相应的用户。 6.3S 技术相互结

6、合可以显著地增强 GPS 对灾害的定位能力、RS 对灾 害的识别能力及 GIS 对的空间分析水平，有助于灾害管理部门采取正 确的预防和管理措施。 三、基于 3S 技术的灾害管理系统的设计 1.灾害管理的信息流动过程 三、基于 3S 技术的灾害管理系统的设计 1.灾害管理的信息流动过程 在当代社会和自然环境中，灾害发生的起因和变化的模式变得越 来越复杂，对灾害的管理水平带来更高的要求。对灾害进行科学管理 就要清楚相关信息的流动过程。灾害管理的信息流动过程一般分为以 下几个阶段，即准备、减灾、预防、响应、恢复和重建，其中准备、 减灾、预防属于灾前管理过程，而响应、恢复和重建属于灾后管理过 程，它们

7、形成了一个循环，如图 1 所示： 响应 重建 恢复 预防 减灾 准备 图 1.灾害管理的信息流动过程 灾害管理 163 （1）准备：该阶段主要利用 GIS 对海量数据进行管理，对灾害风险 评估和设计，用于分析和证明灾害发生的概率和其对社会、环境的潜 在影响，为后续阶段的工作打好基础。利用 GIS 可以对灾害进行建模 和显示，方便管理机构进行综合评估和设计减灾计划 2。此外，利用 GIS 显示灾害源的位置、在大范围区域内全程跟踪、安排应急物质、 装备等运输路线。 （2）减灾：减少或减轻灾害发生的概率。利用 GIS 的关联功能进行 分析，可以确定在潜在的受影响区域内潜在的人员伤亡和基础设施被 破坏

8、的情况，以便采取相应的措施进行保护。基于地形特征，采用相 关数据，利用 GIS 可以确定洪水经过的路线。 （3）预防：在某种程度上是减灾阶段不能预防或防止的活动，例如 基于 GIS 平台结合 RS、GPS 等技术建立灾害与预警系统 2、设计应急 指挥中心、应急演习训练、救援队的位置和布点、规划疏散路线、向 公众发布公告等等。 （4）响应：提供应急帮助，稳定灾区形势，减少相关（次要）衍生 灾害发生的概率。例如：搜索、救援、提供医疗服务、切断被污染的 水源、对危险区域进行隔离等。 （5）恢复：顾名思义，恢复到正常或更高水平的状态，包括短期恢 复和长期恢复两种。优先恢复关键的设施和系统，例如食物、水

9、源的 供应。结合 GPS 技术确定灾害源、类型和破坏的程度，优先行动。组 织灾后的损失信息、人口普查信息，并对灾后进行评估以便重建。 （6）重建：即对在灾害中遭到破坏的基础设施及其它相关项目等进 行重新建设。 2系统设计中存在的主要难题 2系统设计中存在的主要难题 基于 3S 的灾害管理系统涉及多方面的内容，具有科学性、实用性 和复杂性的特征。在系统的设计过程中包含以下主要难题： （1）数据的实用性不高。很多情况下，系统中存在很多数据，但缺 少灾害发生区域的实时的、准确的、实用的数据，影响灾害管理部门 方便地利用系统协同工作。 （2）在不同层次、不同部门之间缺少良好的数据传送通道。灾害管 理机

10、构往往面临一个难题，即如何以一种实时的方式把精确的、实用 的信息传送到灾害管理部门，并进一步对这些信息（数据）按需要进 行优化 5，尽最大程度利用。 （3）缺乏数据元、数据交换的标准。各数据源提供部门报送的数据 较多，格式多样化，不能直接加载到系统中供用户使用，要从中进行 筛选，提取适宜的数据。此外,还要制订数据交换的标准，把不同格 式的数据加载到同一平台中。 164 （4）数据共享的程度不高。各灾害管理部门都有相应的灾情数据， 但一般在各自的区域网络内使用，不能实现跨部门、跨区域的信息共 享和交换，不利于系统的协同运行。 （5）对系统中现有数据的访问、信息的发布速度一般比较慢。 3.系统框架

11、的设计3.系统框架的设计 在灾害管理过程中，与灾害相关的数据类型呈现多样化，主要包 括空间数据（矢量数据、影象数据、栅格数据、DEM 数据等）和非空 间数据（属性数据、专题数据、统计数据等）等。灾害一般是在一定 空间位置范围和时间内发生的事件。单一或复合灾害数据类型的选择 严重依赖其在空间和时间中分布的范围 6，而空间数据具有多源性、 多语义、多时空、多尺度和获取手段的复杂性等特点。人们在实践中 已逐渐达成共识：成功的灾害管理系统在很大程度上要依靠灾害管理 机构对实时的、精确的空间数据进行有效地利用 3。通过 GIS 技术把 现有的海量、分散的空间和非空间数据等集中起来进行提取、分析和 集成。

12、同时，通过数据交换服务，实现基于事件的各专业指挥中心辅 助和参考业务数据的交互 2。以“防灾减灾系统”为例，系统的框架 设计如图 2 所示： 四、系统应用实践四、系统应用实践 1灾害预警功能 1灾害预警功能 人们不能消除灾害，但可以通过建立早期预警功能来减轻灾害所 造成的损失和由此带来的影响，这也是灾害管理的主要目的之一。由 于灾害类型的多样性，对灾害事件的预防应该是面向多类型的、多比 例尺的、多方位的。3S 技术在此过程中具有重要而独特的作用。通过 RS 技术对相关区域的遥感影象进行解译和信息提取， 可以得到该区域 各种地物（例如河流、地质、植被等）的现状和变化趋势，利用 GIS 入库 通过

13、关键字匹配 图 2.系统设计框架 入库 Oracle 数据库 数 据 交 换 数 据 提 取 地 理 空 间 数 据 矢量数据 影象数据 栅格数据 DEM 数据 属性数据 统计数据 数 据 交 换 数 据 提 取 非 地 理 空 间 数 据 数据库接口 空间分析查询/检索 数据调度与管理预警动态评估 三维可视化辅助决策 专题数据 165 这一地理空间定位平台和可视化工具，利用多媒体技术、统计图表、 专题统计图等功能，对这些现状和变化趋势等内容进行直观的显示， 方便灾害管理部门和决策者对灾害进行灾前分析，结合地形信息和遥 感影像,进行有效的资源调度，采取相应的防灾减灾措施和行动。如 下图所示，图

14、 3 表示通过遥感卫星获得的洪涝灾害遥感监测图像，图 4 表示应用 GIS 平台对水库信息进行预警显示和灾前分析。 2灾害响应功能 2灾害响应功能 这是基于 3S 的灾害管理系统建设的核心部分，主要实现以下功 能： （1）集信息获取、信息传输、信息利用、信息发布功能于一体，实 现人力、 物力和通信等多种资源的统一调度， 形成一种连续的支持 Web 功能的 GIS 界面， 并把源自不同类型的空间数据网络的数据进行综合。 既实现全局信息的汇总和显示，为指挥调度及分析、决策提供综合支 持信息，还能提供连续的地理信息和处理过程，并对相关区域的新信 息进行评估 5。 （2）结合 GPS 快速地在系统图中

15、对灾害发生的地区和位置进行标识， 实现空间定位和搜索；显示公共应急设施（例如消防、救护、通讯车 辆等）和实时状态资源的当前位置，以便灾害管理部门进行有效的分 发和调度，实现快速响应、搜索和救援，实现基于位置的服务。 （3）借助 GIS 的网络分析功能，对灾害波及的公众和资源制定最佳 救援和疏散路线，尽量降低灾害所造成的损失。如图 5 所示，在国道 网络图中，选择一个始结点（出发点）和终结点（目的地） ，系统会 自动显示最短的国道路径、 国道长度和名称， 该国道即是最佳的路线。 图 4.水库水位报警图 3.洪涝遥感图像 166 （4）结合 RS 技术实时、 在线地与系统连接用于跟踪、通报灾害蔓延

16、、 变化的情况 7，对灾害进行多方位、多时段、多波段的实时视频监控。 无论地面气候和地面条件如何，通过对地面环境变化的监控，地球观 测卫星（EOS）能提供精确的、覆盖全区范围的地面信息。 （5）通过信息发布代理服务，定期或不定期地向公众发布基于灾害 事件的状态和变化的统计信息；通过网络代理服务，实现对于移动应 用终端的接入和基础信息的传载服务 2。因为终端用户在救灾环境的 压力下工作，他们所接受的灾情信息在内容和形式方面应该是简单和 易于理解的，能在较短时间内对信息进行解译。尽可能用最佳的图形 和影象信息，但较小的文件数据量在 PDA、掌上电脑和其它救援设备 中实现最佳的应用 46，提高救援效率，尽量减少灾害所造成的损失。 3灾害的动态评估 3灾害的动态评估 灾害的动态评估是灾害管理系统的重要构成部分，是进行减灾、 防灾、救灾和重建等决策的重要依据，贯穿灾害管理的整个过程。按 照灾害发生的不同阶段和过程，灾害的动态评估可分为灾前预先评 估、灾中跟踪评估和灾后调查评估等三类 1。利用 3