公眾和應急決策驅(qū)動的地震災害響應制圖

和海霞 李素菊 武斌

和海霞，應急管理部國家減災中心副研究員, 空間與重大災害國際憲章項目經(jīng)理。2009年畢業(yè)于中國科學院遙感應用研究所高光譜室，一直從事災害遙感機理研究、高光譜遙感應用與災害理論與應用研究工作。作為項目負責人和技術(shù)骨干主持和參與國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、863計劃、財政部等多項國家重大工程與科研項目20余項，先后參與10余顆衛(wèi)星論證工作，發(fā)表學術(shù)論文30余篇，參與出版災害圖集3部，參與發(fā)布國家標準2項、民政行業(yè)標準1項，專利4項。2009年以來，先后多次參與重特大自然災害災情監(jiān)測與損失評估工作，累計制作災害遙感監(jiān)測產(chǎn)品2000余期，在自然災害應急響應方面具備豐富的經(jīng)驗。

引言

地震災害頻發(fā)，對人民群眾生命和財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。據(jù)全球緊急事件數(shù)據(jù)庫（Emergency Events Database, EM-DAT）統(tǒng)計，1994年到2013年20年間全球地震災害致死人口占所有因災死亡人口的55%，達到750000人，比洪澇、颶風、極端氣候、旱災、火山噴發(fā)、火災、地質(zhì)災害等其他災害致死人口總和還多；地震災害造成的經(jīng)濟損失占所有因災經(jīng)濟損失的31%，達到了7870億美元。地震災害發(fā)生后，及時有效地完成地震災害應急響應制圖，可為人員緊急撤離、災害救援和災民救助等提供決策支撐，能夠有效提高應急響應決策的科學性、時效性和實用性，減輕地震災害造成的損失。地震災害應急響應制圖是面向公眾和救災決策等獲取震后災情信息的迫切需求，圍繞地震災情變化監(jiān)測、災害范圍評估、實物量損毀和綜合損失評估、次生災害分析、應急救援和救助計劃制訂等內(nèi)容開展的制圖服務。

地震災害應急響應制圖備受多方重視。聯(lián)合國人道主義事務協(xié)調(diào)辦公室（United Nations Office for the Coordination of Humanitarian Affairs，OCHA）是全球人道主義緊急事件應急響應的綜合機構(gòu)，一直致力于提供全方位的地震災害應急響應制圖服務；救災網(wǎng)（Reliefweb）是OCHA授權(quán)的全球人道主義事件數(shù)據(jù)提供者，從1996年開始收集、編輯、分析、分發(fā)來自全球4000個信息源的數(shù)據(jù)，為地震災害應急響應制圖提供災情數(shù)據(jù)；聯(lián)合國衛(wèi)星應用服務項目（UNOSAT）自2003年起開展地震災害快速制圖，為OCHA和其他機構(gòu)提供重大災害應急快速制圖服務；空間與重大災害國際憲章（International Charter Space and Major Disasters）充分發(fā)揮全球衛(wèi)星機構(gòu)的信息共享優(yōu)勢，每周7天、每天24小時為地震災害應急提供空間數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務。歐盟委員會資助的哥白尼應急管理服務項目（Copernicus Emergency Management Service，EMS）于2015年2月開始面向全球開展災害響應制圖服務，產(chǎn)品內(nèi)容包括災區(qū)背景圖（Reference maps）、災害范圍和趨勢圖（Delineation maps）、災害損失評估圖（Grading maps）。美國地調(diào)局地震災害項目（USGS Earthquake Hazards Program）是目前世界上業(yè)務化程度最高、最先進的地震災害應急響應制圖系統(tǒng)，產(chǎn)品包括地震災害基本信息、災害影響和損失評估、地震機理圖等。德國天基危機信息服務中心（Center for Satellite Based Crisis Information，ZKI），提供地震災害期間7d、24h的快速制圖服務，并在其網(wǎng)站免費共享應急服務產(chǎn)品。中國災害管理部門和學術(shù)界也高度重視地震災害應急響應制圖工作,“九五”期間中國地震局專門設立重點項目構(gòu)建地震災害應急快速響應信息系統(tǒng)；2002年民政部國家減災中心開始探索地震災害應急響應產(chǎn)品體系、運行機制等，并于2008年汶川地震期間開展了業(yè)務化應用。之后，在一系列重大專項支持下地震災害應急響應制圖得到了快速發(fā)展，可實現(xiàn)地震和震區(qū)基本情況快速制圖響應的中國地震臺網(wǎng)已開始穩(wěn)定業(yè)務化運行，國家減災中心實現(xiàn)了國內(nèi)外不同等級地震災害應急響應制圖業(yè)務化穩(wěn)定運行，為國家應急救援和救助提供了決策支撐。

總的來說，目前地震災害應急響應制圖產(chǎn)品體系建立、業(yè)務運行與服務工作已在全球范圍內(nèi)開展。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展和用戶需求不斷變化，產(chǎn)品體系需要不斷完善，產(chǎn)品生產(chǎn)的時效性需要不斷提高。我國相關(guān)涉災機構(gòu)雖然也非常重視相關(guān)工作，但地震災害的不確定性、災情的復雜性、災害損失的區(qū)域差異性、公眾和救災決策需求的多樣性等特征，造成我國現(xiàn)有的應急響應制圖存在以下問題：一是產(chǎn)品體系不完善，未建立起標準化、規(guī)范化的符合用戶需求的產(chǎn)品體系，尤其是與地震應急救援和救助密切相關(guān)的產(chǎn)品類型和內(nèi)容不明確；二是自動化程度低、時效性不強，現(xiàn)有的地震災害應急產(chǎn)品以手工生產(chǎn)為主，耗時長，地震災害背景影像圖制作需要3h，獲取災后數(shù)據(jù)后完成災后信息產(chǎn)品圖需4h，不能滿足公眾和救災決策日益增長的需求。因此，迫切需要進一步梳理產(chǎn)品體系、提高時效性。

本文圍繞公眾和應急決策對地震災害背景信息、災情分布、次生災害、災害救援與救助信息、災害影響范圍與趨勢和災害損失信息的需求，在分析我國地震災害減災救災特點的基礎(chǔ)上，梳理地震災害應急響應產(chǎn)品體系，研究如何在制圖綜合自決策的基礎(chǔ)上實現(xiàn)地震應急響應制圖。

研究方法

地震災害應急響應制圖是充分利用多源多尺度數(shù)據(jù)，分析公眾和救災決策特點與需求，開展自適應信息提取制圖綜合和產(chǎn)品服務的過程，技術(shù)流程如圖1所示：

圖1 技術(shù)流程圖

1.數(shù)據(jù)獲取與分析

（1）地震災害基本信息

地震災害基本信息是地震災害應急響應制圖的基礎(chǔ)輸入?yún)⒘?，主要包括震級、發(fā)震時刻、震中位置、震源深度、地理位置等，來源于中國地震臺網(wǎng)、美國地質(zhì)調(diào)查局。此外，歷史地震基本信息及損失數(shù)據(jù)是災害損失預判的重要支撐。

（2）災情信息

災情信息是地震災害應急響應制圖的核心要素，主要包括受災人口、因災死亡人口、因災失蹤人口，緊急轉(zhuǎn)移安置人口、需緊急生活救助人口、倒塌房屋間數(shù)、嚴重損壞房屋間數(shù)、一般損壞房屋間數(shù)、農(nóng)作物受災面積、農(nóng)作物絕收面積、損毀道路公里數(shù)、直接經(jīng)濟損失等，主要來源于國家自然災害災情管理系統(tǒng)、國際緊急事件數(shù)據(jù)庫、救災網(wǎng)等。

（3）遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)是災區(qū)環(huán)境分析和承災體信息提取的主要數(shù)據(jù)源，主要包括災前影像和災后影像，來源多樣，包括開源的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、國內(nèi)外合作機制獲取的數(shù)據(jù)、商業(yè)購買的數(shù)據(jù)。災前影像主要用于災害背景信息提取，災后數(shù)據(jù)主要用于倒損房屋評估、農(nóng)作物受災評估、損毀道路評估等災害專題信息提取。

（4）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是地震災害應急響應制圖中輔助表征災害位置和范圍的重要要素。主要包括行政區(qū)劃和界限、城市點位、鄉(xiāng)鎮(zhèn)點位和村點位、交通、水系等信息。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于國家地理信息公共服務平臺天地圖、open street map網(wǎng)站。

（5）地表覆蓋數(shù)據(jù)

地表覆蓋及其變化信息是地震災害應急響應中用于分析不可或缺的基礎(chǔ)信息和關(guān)鍵參量。全球30米地表覆蓋數(shù)據(jù)（Globe Land 30）包括耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪等10余種地表覆蓋類型。

（6）社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)

人口密度、人口數(shù)量和房屋數(shù)據(jù)對預判地震災害損失具有重要的意義。全國人口密度數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，人口數(shù)據(jù)和房屋數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局。

表1 公眾和救災決策地震災害應急響應需求分析與產(chǎn)品體系梳理

2.公眾與救災決策需求分析

公眾主要包括受災人員、專業(yè)救援和救助人員、志愿者、關(guān)注災害的民眾等，公眾對應急響應產(chǎn)品的需求具有聚集熱點地區(qū)、通俗易懂、互動性強等特點。救災決策對應急響應產(chǎn)品的需求具有系統(tǒng)性強、專業(yè)性強、建議性強、可操作性強等特點。在不同的災害階段，公眾和救災決策對地震災害應急響應圖的內(nèi)容、要素和更新周期具有不同的需求。震后1天內(nèi)是搶救生命的關(guān)鍵時段，公眾和救災決策者亟須了解地震災害背景信息，不僅包括地震發(fā)生地、發(fā)生時間及震區(qū)人口、房屋、道路、重大基礎(chǔ)設施等數(shù)量和空間分布信息，還包括地震可能會造成的人員和經(jīng)濟損失情況等災情初步研判信息；震后1～7天是搶救生命和災民安置的黃金期，公眾和救災決策者亟須獲取災情分布信息、災害救援與救助信息和次生災害分布信息等；震后8～60天是搶救生命、災民安置和損失評估的關(guān)鍵期，公眾和救災決策者亟須獲取災害影響范圍、趨勢和損失綜合評估情況等。具體需求如表1所示。

針對不同破壞性地震，應急響應等級和產(chǎn)品內(nèi)容也有所不同。破壞性大的地震，造成的損失嚴重，公眾和決策者對應急產(chǎn)品的需求量大，需要產(chǎn)品體系里的全部或大部分產(chǎn)品；破壞性小的地震，造成的損失較輕，公眾和決策者對應急產(chǎn)品的需求量相對較小，僅需要產(chǎn)品體系中的一種或多種產(chǎn)品，有時甚至不用啟動應急響應制圖。

3.災害信息提取

災害信息提取是地震災害應急響應制圖中的核心環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容包括地震災害背景信息篩選、災情分布分析、災害救援與救助信息分析、地震影響范圍和趨勢分析、災害損失和次生災害分布分析等。①災后初期，在未獲得災后有效數(shù)據(jù)的情況下，主要依靠地震災害背景信息篩選，從相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)庫中自動選擇地震基礎(chǔ)信息及與地震損失密切相關(guān)的人口、土地利用與覆蓋、地理環(huán)境、災情等信息，開展災情信息初步研判；在獲得地方上報災情、現(xiàn)場調(diào)查災情、輿情等災后有效信息后，開展災情的時間和空間分布特征提?。虎谠跒暮仍c救助期，重點開展救援力量分布、救援地分布、帳篷安置、救援物資分布、運送和分發(fā)等信息提?。虎墼跒暮p失評估期，首先利用地震局提供的烈度數(shù)據(jù)、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測等數(shù)據(jù)開展地震影響范圍和趨勢分析，然后基于災后遙感影像采用分類和目標識別的方法，開展房屋損毀、農(nóng)作物損毀、生命線損毀、基礎(chǔ)設施損毀、次生災害等災害損失和次生災害信息提取。

4.制圖綜合自決策

制圖綜合自決策是地震災害應急響應制圖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地震災害應急響應制圖綜合過程是針對不同破壞性的地震，選取公眾和救災決策感興趣的地圖要素，根據(jù)規(guī)則，采用多人多機器協(xié)同方式進行信息綜合、概括和符號化的過程，其特點是制圖內(nèi)容和比例尺不固定，隨地震等級、破壞等級和震區(qū)承災體脆弱性變化，需要大量的人機交互決策。

首先，根據(jù)重要性綜合原則，在不同的災害階段選取不同的地圖內(nèi)容要素，強化公眾和救災決策關(guān)注的災害損失、災害救援和救助、次生災害分布及風險等信息，舍去或者化簡與災情連接不緊密的背景要素。如應優(yōu)先表達居民地、道路、基礎(chǔ)設施分布和損毀等地震制圖重點信息；次要表達農(nóng)作物等信息。

其次，根據(jù)特殊性和臨近性綜合方法對應急響應制圖對象進行分類分級，根據(jù)制圖用途，進行質(zhì)量或數(shù)量的概括。如距離震中最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地和重大基礎(chǔ)設施因其位置特殊和功能特殊，可能受災最嚴重，對應急響應制圖意義重大，不能因其一般意義上的“小”而在制圖綜合中被刪除，應優(yōu)先表達。

最后，將這些決策知識信息存入計算機，存入專家知識庫，以實現(xiàn)計算機簡單問題自決策。需要指出的是，制圖綜合是一項復雜性的系統(tǒng)工程，計算機不能有效模擬所有人的全部思維方式，需充分發(fā)揮人的主導作用和計算機的輔助支撐作用。

5.制圖輸出與服務

地震災害應急響應制圖是根據(jù)地震等級和可能造成的損失選擇相應的災害信息，按照不同的比例尺和制圖模板，在制圖綜合基礎(chǔ)上，選定震中附近人口密集區(qū)、重大基礎(chǔ)設施分布區(qū)、災害隱患點、災情嚴重區(qū)等制圖重點地區(qū)開展專題制圖工作。制圖過程包括圖件名稱、圖件編號、縮略圖、地震基本信息、震區(qū)環(huán)境和人口信息、數(shù)據(jù)源信息、制圖時間、制圖單位、制圖人員等制圖要素自動添加，專題信息符號化智能表示，在移動終端、打印機等不同終端自動顯示模式。

圖2 地震災區(qū)遙感影像圖

應用案例及結(jié)果

圖3 地震災區(qū)人口密度分布圖

圖4 地震災區(qū)地表覆蓋圖

2014年8月3日16時30分，云南省昭通市魯?shù)榭h(27.1°N，103.3°E) 發(fā)生6.5級地震，震源深度12km，造成617人死亡，112人失蹤。地震災害發(fā)生后，國家減災中心根據(jù)本次地震能量在短時間內(nèi)集中釋放、震級高、震源淺等特點，迅速啟動應急機制，根據(jù)公眾和救災決策關(guān)注的信息，開展應急制圖。利用基于本文方法開發(fā)的應用軟件，在獲取災害基礎(chǔ)信息后，20分鐘內(nèi)完成地震災害背景信息系列圖的制作（圖2～圖5）；在獲取災情信息、地震烈度、災后遙感影像后，30分鐘內(nèi)完成災情分布、次生災害、災害救援與救助信息、災害影響范圍與趨勢和災害損失等系列圖的制作（圖6～圖9）。其中，地震災區(qū)遙感影像圖（圖2）表示震中距居民點的距離、周圍河流、道路狀況等信息；人口密度分布圖（圖3）表示地震是否發(fā)生在人口密集區(qū)；地表覆蓋圖（圖4）表示震區(qū)附近的農(nóng)用地狀況；重點區(qū)遙感影像圖（圖5）選擇人口密集區(qū)、重大基礎(chǔ)設施、災害隱患點、災情嚴重區(qū)開展高分辨率遙感制圖；災情分布圖（圖6）表示死亡和失蹤人口、緊急轉(zhuǎn)移安置人口、需緊急生活救助、農(nóng)作物受災、農(nóng)作物絕收、直接經(jīng)濟損失等指標空間分布；次生災害分布圖（圖7）表示滑坡、泥石流等次生災害的數(shù)量和空間分布；帳篷安置圖（圖8）表明災害救援與救助信息；災害影響范圍圖（圖9）表示不同等級災害影響分布情況；災害損失分布圖（圖10）表示道路和房屋損毀分布情況。

圖5 魯?shù)榭h城區(qū)遙感影像圖

圖7 次生災害分布圖

圖8 帳篷安置圖

圖9 災害影響范圍圖

圖10 災害損失分布圖

結(jié)論

地震災害應急響應制圖是提高應急救助和應急救援水平的有效手段。本文基于面向公眾和救災決策的特點和信息需求，針對目前我國地震災害應急響應制圖中存在的產(chǎn)品體系不完善、時效性不強、自動化程度低等問題，根據(jù)不同的地震應急階段梳理地震災害應急響應產(chǎn)品體系，明確了地震災害背景信息、災情分布、災害救援與救助信息、災害影響范圍和趨勢、災害損失和次生災害等地震災害應急響應圖的內(nèi)容、用途和表達方式，具有直觀性強、針對性強、可操作性強等特點，對提高公眾、救災決策者、救援救助人員和災民等的溝通效率和水平具有重要的意義；在此基礎(chǔ)上，提出一種制圖綜合自決策的地震應急響應制圖方法。將該產(chǎn)品體系和制圖方法應用于2014年魯?shù)榈卣馂暮表憫?，實踐表明，依據(jù)該產(chǎn)品體系可在災害發(fā)生后第一時間啟動應急產(chǎn)品生產(chǎn)，相比過去的臨時制定產(chǎn)品制作方案、制作內(nèi)容的方式，產(chǎn)品的豐富性、規(guī)范性、標準型、時效性顯著提高。

目前地震災害應急響應制圖產(chǎn)品體系和制圖方法還存在一些不足，主要表現(xiàn)在兩個方面，一是產(chǎn)品體系的完整性、準確性、標準化水平還不夠，需要面向公眾和救災決策不斷變化的需求，結(jié)合業(yè)務實際，不斷補充、驗證和規(guī)范；二是還未實現(xiàn)“一鍵制圖”，還需根據(jù)不同地震災害的特點，開展現(xiàn)場、公眾、遙感等多手段災情信息自動獲取、處理和制圖，不斷提升科學性、時效性和自動化水平。