地理信息系统技术在防灾减灾中的应用与前瞻

JOURNALOFCATASTROPHOLOGYVol.15No.4Dec.2000

地理信息系统技术在防灾减灾中

的应用与前瞻

(南京师范大学地理科学学院,南京　210097)

耿国梁,朱晓华

摘　要:在概括我国面临的严峻灾害形势的基础上,对地理信息系统技术在防灾减灾中的应用做出了相关探讨。并对其中存在的问题和其发展前景进行了必要的讨论、评述与展望。主题词:地理信息系统;防灾减灾;应用中图分类号:P208　文献标识码:A　文章编号:10002811X(2000)0420073205

1　我国面临的严峻灾害形势和应用地理信息系统技术的必要性和迫　切性　　由于我国地域广阔,地质、地理条件复杂,东面面临浩瀚的大洋,季风气候十分显著,同时又是人口众多的农业大国,经济相对比较落后,受灾承灾能力较弱,再加之生态基础脆弱等因素的综合影响,遂使得我国经常受到多种灾害的侵扰,并由此对中华民族的生存与发展产生了深远的影响。

在旱涝等各种灾害的频繁侵袭下,我国因此而蒙受了巨大的生命财产损失。据研究,建国以来我国平均每年倒塌房屋约200万间,平均每年因洪灾造成的直接死亡人数约5500人,平均每年灾害造成的受灾面积与成灾面积分别达到4000多万hm2和2000多万hm2;我国粮食生产每年也因洪涝灾害而减产平均约89亿kg,每年因旱灾而减产平均约100亿kg,我国每年因各种灾害造成的粮食损失约为390～425亿kg。同时,根据民政部公布的数据,1989～1998年灾害造成的年均国民经济损失约为1577164亿元,平均占了当年国民生产总值的3162%(同日本、美国相比,两国灾害损失分别占各自国民生产总值的0112%和0108%),占了当年新增国民生产总值的28191%,即灾害每年约造成我国大约三分之一的新增国民生产总值化为乌有。1998年灾害造成国民经济损失约300714亿元,占了当年新增国民生产总值的60158%,为历年之最。仅由上述系列数据,灾害对我国国民经济造成的影响略见一斑。

总的来说,灾害不仅在过去、现在给我国造成了巨大损失,而且随着生态环境整体上的进一步恶化,灾害的发生频率将逐渐增大,灾害给我国造成的损失也将越来越大。所以,深刻认识灾害问题及其危害,并采取积极的措施来防灾减灾就具有了重要的现实和长远意义。虽然我国面临灾害高发、灾情日益严重的严峻灾害形势,但是在我国的防灾减灾中还是存在着

　　收稿日期:2000_07_16

　　作者简介:耿国梁(1973-),男,硕士研究生,主要从事地理信息系统的研究和开发1

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　灾　害　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　15卷　74

这样或那样的一些问题,其中防灾减灾技术水平偏低就是其中一个较为显著的问题。传统的人工管理手段既与我国面临的严峻灾害形势不符,又与国外同行业发展的差距较大,所以提高其技术水平也就具有了现实的必要性和迫切性。而近年来,地理信息系统(GIS)技术的兴起和蓬勃发展,则为我国防灾减灾技术水平的迅速提高提供了难得的契机。

2　地理信息系统可以实现的基本功能

概括而言,地理信息系统可以实现下述基本功能[1]:

(1)数据的采集、检验与编辑　这主要是用以获取数据。地理信息系统可以通过数字化仪、扫描仪等设备来获得基本数据,这种得到的数据一般是栅格数据,如果需要的话,可以通过一些地理信息系统软件将其转化为矢量数据。(2)数据操作　这一功能主要包括二个方面:一是数据格式化功能,即是不同数据结构的数据间变换;二是数据转换功能,包括矢量数据与栅格数据之间的转换以及不同比例尺间数据的转换,数据比例尺的转换涉及到数据比例尺的缩放、平移、旋转等,而最重要的是投影变换。我国地图多采用高斯-克吕格投影,而这种投影在一般的地理信息系统软件中均未予以定义(因为我国目前使用的主要是国外的一些地理信息系统软件),所以在使用一些软件时,要十分注意重新定义高斯-克吕格投影及其与其它投影之间的变换关系。

(3)数据的存储与组织　通过栅格模型、矢量模型或栅格󰃗矢量混合模型等空间数据组织方法实现对海量地理数据的存储与组织。

(4)数据的查询、检索与统计、计算　由于地理信息系统可以管理海量地理信息,所以通过这一功能可以迅速实现以往需要消耗大量人力、物力才能完成的计算工作。例如可迅速实现对海量地理数据的求和等操作。

(5)空间分析　空间分析功能是地理信息系统的核心功能,也是地理信息系统区别与其它计算机系统之根本所在。地理信息系统的空间分析功能具体包括数字地形模型分析、空间特征的几何分析、网络分析、数字影像分析以及地理变量的多元分析等。借助于地理信息系统的空间分析功能,可以轻易地实现地图的包含与叠加、面积的计算、淹没边界与最佳(短)路径的确定、地表形态的自动分类以及缓冲区分析等。

(6)可视化显示与输出　通过地理信息系统的这一功能,可以将分析结果通过生动直观的形式表现出来,既可以在计算机屏幕上直接显示,通过计算机实现总体略图到详细地图之间的迅速切换,也可以通过打印机和绘图仪输出报告、表格和专题地图、综合地图等。

3　地理信息系统在防灾减灾中的应用

地理信息系统作为一种应用技术系统,一方面在各个领域的应用需求促进了它的发展与逐渐完善,另一方面它也逐渐在一些新的领域中不断地进行着新的应用。综合而言,地理信息系统目前在防灾减灾中已经取得了一定程度的应用。目前地理信息系统已经在火灾、地震、旱灾、洪涝、地面沉降以及滑坡、泥石流等方面做出了一定的应用。通过地理信息系统,可以迅速实现各种灾害灾情的一定程度上的监测、灾害危害面积的确定、灾情的估算等,从而

　4期　　　　　　　　耿国梁等:地理信息系统技术在防灾减灾中的应用与前瞻　　　　　　　　　　75

为防灾减灾提供及时、准确的信息。例如,针对城市人口集中、灾害频发以及灾情严重的现实状况,在欧、美、日等国许多大中城市以及我国的上海市,都建立了用于城市消防的综合地理信息系统[2,3]。在该地理信息系统的数据库中,存储着城市一定区域范围内的各种相关信息,包括居民、工厂、商店的电话及地址、城市街道图、交通图、火险等级分布图、市区房屋结构图以及各个消防支队的位置、消防栓的位置、水源位置等。当接到火警电话,立即可以查找出火灾位置,并迅速分析出可执行灭火任务的最近消防支队的位置和到达火灾地点的最佳路径,同时,还可以根据火灾中燃烧物质的种类,提供适宜灭火器材的建议。再者,消防地理信息系统还可以通过空间分析功能(缓冲区分析)的应用,根据数据库中存储的相关信息,结合现场风向、风速等信息,迅速地绘制出火势可能蔓延的范围,并且清楚出显示出附近区域受到火灾的威胁程度,再结合该系统的空间分析功能(最优路径分析),选择出最佳的人员疏散路线。如果有人被困高层楼房,则该系统可以调出该楼房分屋分间的平面图,从而辅助确定灭火救人方案。在火灾发生后,还可以通过该系统的空间专题地图的迭加以及强大的数据统计、分析与查询功能,进行火灾灾情的大致估算。根据在我国上海市的实际运作,效果良好,它极大地辅助了各级部门迅速做出灾后应急响应,使领导部门能及时了解到灾情情况,并辅助领导正确决策,以及时采取相应应急措施,有效降低灾害可能带来的损失。再以地理信息系统在我国大兴安岭森林火灾预防中的应用为例[4],通过普查分析火灾实况,统计计算大量的气象数据,并从中筛选出气温、风速、降水、湿度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个指标因子,用模糊数学方法建构数学模型,建立基于地理信息系统的多因子综合指标森林火灾预报方法,对预报火险等级的准确率可达73%以上。

地理信息系统目前已经在多种灾害的日常管理与预测预防中做出了一定的实际应用,文中鉴于篇幅也不可能举出更多的例子,但从上述两个范例中就可以看出应用地理信息系统的巨大价值,并且随着灾害发生频率的逐渐增大、灾情的日益加重,应用地理信息系统的价值也必然随之增加。

4　结论、讨论与展望

目前,地理信息系统在我国防灾减灾中的应用还处于起步阶段,还刚刚是应用的开始,虽然这已经有了好的开始,但其中也存在着一些值得注意的问题:

(1)地理信息系统知识的普及与地理信息系统专业人员的培养　目前国内只有北京大学、南京大学、武汉测绘科技大学、南京师范大学以及中国科学院系统的遥感所与地理所等少数科研单位和高等院校有着相对较好的硬、软件条件来从事地理信息系统的研究、设计与开发工作,虽然已经建设了一些示范性系统,但这些系统未能及时地转化为可运行的实用系统,没有成为现实生产力,且大多数专业应用系统还处在探索和实验阶段,实际投入应用的不多,即使是投入运行的,令人满意的不多。在人才培养方面,各科研院所和高等院校能正常开设课程的不多,即使能开课,能深入涉及综合或专题地理信息系统研究、设计与开发的也不多,不仅培养出来的相关应用人才少,而且也远没有形成完善的可操作教育体系。缺乏合格的地理信息系统专业人员是当今地理信息系统应用中最为突出的问题之一。对于建设防

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　灾　害　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　15卷　76

灾减灾管理地理信息系统,不仅需要地理信息系统相关知识,还需要有深厚的灾害学相关知识,否则建设的灾害地理信息系统只会是简单的管理信息系统,而难以建构相关的应用模型和体现出其强大的空间分析功能。所以,加强对地理信息系统知识的普及与了解以及专业地理信息系统人员的培养是地理信息系统在防灾减灾中进一步深入应用的现实关键。

(2)数据共享问题　在基于单机平台的地理信息系统软件推出之后,由于不同部门、不同人员用它来采集数据,因此数据不仅为各个单位、部门所拥有,而且数据格式以及遵循的编码原则等都存在着许多的不同,再加之目前尚缺乏必要的协调和管理,就导致了数据的难以共享和部门重复建设地理数据库的现象经常发生。目前我国作为各部门可以共同使用的基础数据严重缺乏,而现有的全国性基础地理信息产品比例过小,内容不足,不能满足许多专业领域应用的需要,由此也导致了各个领域大量重复建设,并由此消耗了巨大的人力、物力与资金。所以,无论是对于建设我国防灾减灾综合地理信息系统,还是建设防灾减灾专题地理信息系统,都必须认真考虑和妥善解决数据的共享问题,当务之急是在基于国家相关标准基础上先行制定防灾减灾专业信息化标准,从而为防灾减灾的数据共享和网络地理信息系统协同提前打下良好的基础。

(3)防灾减灾应用模型的开发　地理信息系统区别于一般的计算机系统就在于其强大的空间分析能力,而其空间分析能力又来自于地理信息系统应用模型的开发,而这又涉及到对建设地理信息系统知识的了解和掌握,以及对灾害学知识的熟悉程度。目前防灾减灾的应用模型已经有了一定的开发,例如我国大兴安岭森林火灾预防、国外开发的洪水灾害及其损失评估的空间决策模型[1]等。总的来说,目前开发的应用模型不仅少,而且基本上是处于实验、研究阶段,实际应用的较少,同时,模型涉及的灾种较少。通过防灾减灾应用模型的开发,将一般信息系统提升到知识库的层次,进而提出可施行的工程方案和战略决策,从而更好地为现实服务。

(4)“3S”的集成问题　“3S”集成即是地理信息系统(GIS)与遥感(RemoteSensing,RS)、全球定位系统(GlobalPositionSystems,GPS)的结合。单纯的地理信息系统在灾害的管理方面虽然较传统的人工管理有了很大程度的改进与提高,但是人们应用地理信息系统的目的决不仅此,还希望建设起来的系统能对对象进行动态的监测和预测预报,而这就需要GIS与RS和GPS很好地结合起来。基于“3S”的地理信息系统不仅可以提供灾害的基础信息,而且还可以通过RS与GPS来实现系统的实时数据更新,从而通过相关操作和分析,获得新的信息。例如,通过对遥感获得的最新影像信息与基础地理信息的迭加,可以得到灾区的最新灾情,通过对不同时段(每天或每小时)的多时相遥感影像数据进行迭加,则可了解到灾害发展变化的最新趋势。从而实现对灾害的动态监测,再结合相关应用模型,则可以进行灾害发生的预测预报,从而为相关部门提供实时的决策参考。

(5)相关地理信息系统软件的国产化问题　比较而言,虽然目前国外一些公司在技术、人员、资金等方面有着比较优势,大部分成熟的商品化地理信息系统软件也都是他们的产品,例如MAPINFO、ARC󰃗INFO、INTERGRAPH等,但是中国的事还是最终要由中国人自己来做,特别是一些关系国计民生的大事。例如水旱震灾地理信息系统的建设,这里面还存在着一个安全性和独立性的问题,千万不可小视。1991年海湾战争中伊拉克大量操作系统的瞬间破坏,不能不让我们有所警醒。由于我国灾害发生频数大、灾种多,危害极为广泛,所以防

　4期　　　　　　　　耿国梁等:地理信息系统技术在防灾减灾中的应用与前瞻　　　　　　　　　　77

灾减灾地理信息系统市场十分广阔,过分依赖进口软件,将使我们主动放弃这一庞大的市场。这不仅意味着巨大的经济损失,而且将使我们丧失建设防灾减灾地理信息系统的关键或核心技术,从而在系统操作、维护与更新等方面既仰人鼻息,又大大增加建设成本。所以,开发我国防灾减灾的地理信息系统软件,一是要注意吸取国外相关系统建设的长处和经验,又要立足于自身,建设属于自己的拳头产品。

(6)要及时跟踪地理信息系统的发展前沿,注意在开发防灾减灾地理信息系统软件的过程中考虑开放式地理信息系统以及网络地理信息系统的问题　建设开发式防灾减灾地理信息系统,就是要求同行业采用相同数据格式、数据存储得数据处理的原则与方法,使用易维护、易操作的统一地理信息系统软件,从而实现各个综合或专题防灾减灾地理信息系统的互操作,为进一步的深入应用打下良好的基础。建设网络防灾减灾地理信息系统,就是要求在建设防灾减灾地理信息系统的过程中,要充分考虑利用网络这一现代化的传输工具,从而实现基础数据的充分共享、大众用户便利地使用查询,以及不同等级和不同类别信息系统之间的沟通和兼容。

总之,地理信息系统的发展为其在防灾减灾中的应用既提供了良好的机遇,又带来了新的挑战。可以相信,通过有关学人、相关部门、单位的大力协同与努力,地理信息系统一定能够在防灾减灾中取得更加广泛地应用,并为我国防灾减灾技术水平的提高和工作的深化做出大的贡献!

参考文献:

[1]　陈述彭,鲁学军,周成虎1地理信息系统导论[M]1北京:科学出版社,2000,1-1621[2]　秦其明1管理地球的工具——地理信息系统漫谈[M]1广州:广东教育出版社,1995,52-561

[3]　李　琦,吴少岩1数字地球——人类认识地球的第三次飞跃[M]1北京:北京大学出版社,1999,168-1941[4]　黄杏元、汤　勤1地理信息系统概论[M]1北京:高等教育出版社,1989,1-181

ApplicationofGIStechnologyindisasterprevention

andreductionanditsfuture

GENGGuo2liang,ZHUXiao2hua

(CollegeofGeographicalScience,NanjingNormalUniverisity,Nanjing210097,China)

Abstract:BasedonthesummaryoftheaustereconditionofdisasterinChina,the

applicationofGIStechnologyindisasterpreventionandreductionissummarized1Itsprospectandsomeproblemsarediscussedandevaluated1

Keywords:GIS;disasterpreventionandreduction;application