地理信息系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理中的應(yīng)用

張永術(shù)

(福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

我國是地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一,除了自然因素外，人類的活動如工程建設(shè)、礦產(chǎn)開發(fā)等也可能引起地質(zhì)災(zāi)害。而泥石流、滑坡、崩塌等災(zāi)害嚴(yán)重制約著地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。目前的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)時代發(fā)展，存在人工管理、查詢困難，辦公效率低等不足。地理信息系統(tǒng)(GIS)具有采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物體定位及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的強大功能,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可得出精準(zhǔn)有效的結(jié)論，為決策提供強有力的支撐[2]。通過互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與各相關(guān)部門進(jìn)行信息傳遞，從而提高應(yīng)急管理的工作效率[3]。地理信息系統(tǒng)和計算機技術(shù)的結(jié)合，為地質(zhì)災(zāi)害問題的解決提供了技術(shù)支持。

1 地理信息系統(tǒng)概述

地理信息系統(tǒng)具有十分廣泛的功能，例如地質(zhì)災(zāi)害空間信息管理、資料調(diào)查、顯示并查詢地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征信息、評價地質(zhì)災(zāi)害的危害程度、分析地質(zhì)災(zāi)害的影響因素等,有利于提出減輕和防治地質(zhì)災(zāi)害的措施，對將來可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，有力有效服務(wù)于應(yīng)急管理決策。

國外早在20世紀(jì)60年代末就進(jìn)行了相關(guān)研究，而我國起步工作較晚，直到20世紀(jì)90年代中后期該技術(shù)才在中國得到全面的發(fā)展和使用。我國以GIS技術(shù)為支撐，通過統(tǒng)計分析法、信息量法、因子疊加法、層次分析法、模糊評判法、主成分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等進(jìn)行拓展研究，取得了一些實質(zhì)性進(jìn)展[4]。在研究GIS技術(shù)時，需要對地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)劃選取一定的定量指標(biāo)，例如災(zāi)害密度、強度等展開研究，還需要可以選擇相關(guān)的基礎(chǔ)條件，然后通過關(guān)聯(lián)灰色分析來確定其權(quán)重值、層次分析和專家評判，最后結(jié)合GIS的空間疊置分析技術(shù)，從而形成一個整體的系統(tǒng)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險性評估[5]。

傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)存在一些不足之處。一是缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃。由于部分地區(qū)沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實施或因條件受限，結(jié)合自身條件建立了相應(yīng)的系統(tǒng)，雖然起到了一定的作用，但是各管理系統(tǒng)之間沒有合理的聯(lián)系，出現(xiàn)了較多的“數(shù)據(jù)煙囪”，數(shù)據(jù)無法進(jìn)行交換與共享，工作效率較低并導(dǎo)致了人力、物力、財力的浪費。發(fā)生災(zāi)害后，無法采集及時有效的數(shù)據(jù)，也無法及時上傳相關(guān)數(shù)據(jù)，延誤了寶貴的搶災(zāi)救險時間。二是缺乏實用性。GIS技術(shù)與地質(zhì)學(xué)和應(yīng)急管理之間關(guān)聯(lián)不夠緊密，三是缺乏對地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)性和前瞻性的結(jié)構(gòu)框架，因此開發(fā)出來的產(chǎn)品不能很好地滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理部門的需要。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)開發(fā)時間較長，從建設(shè)初始到完成，整個階段普遍在三年以上。在這個過程中，實際情況已經(jīng)發(fā)生改變，但卻還按照原方案進(jìn)行設(shè)計，從而缺少了與時俱進(jìn)的前瞻性，導(dǎo)致了系統(tǒng)剛剛完成就已經(jīng)過時了。

因各地區(qū)地質(zhì)因素不同，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)收集上處于棘手的情境，通過GIS技術(shù)收集大量基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境資料，可以提高其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及辦公效率。利用GIS可以通過選取最佳的定量目標(biāo)來完成評價預(yù)測指標(biāo)，通過數(shù)學(xué)分析模型對地質(zhì)災(zāi)害的危險性進(jìn)行劃分等級，從而為其防治和預(yù)警提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

2 GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用分析

2.1 GIS技術(shù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用

系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理對于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警具有非常重要的意義，GIS技術(shù)的使用可以體現(xiàn)在不同職務(wù)、專業(yè)的人員方面。系統(tǒng)通過一個具體的數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理和分組，最終形成一個整體數(shù)據(jù)的集合；也可以結(jié)合不同用戶的使用需求進(jìn)行具體分組，更加便于操作和分析，滿足使用者需求。用戶數(shù)據(jù)管理可以針對不同的用戶進(jìn)行管理，授予其不同的權(quán)限，從而維護(hù)數(shù)據(jù)安全、方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新。除此之外，系統(tǒng)還可以對相關(guān)信息進(jìn)行有序的分層儲存，便于用戶操作，不需要用戶再進(jìn)行深層次的操作，使用起來更加便捷。系統(tǒng)加強對影響因子數(shù)據(jù)的管理，使管理和更新數(shù)據(jù)更有效，在設(shè)置權(quán)重值、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化或歸一化處理時，不會影響到地質(zhì)災(zāi)害信息的瀏覽和查詢。在結(jié)果數(shù)據(jù)管理方面，系統(tǒng)可以完成對分析結(jié)果、生成的圖表、新災(zāi)害點的應(yīng)急預(yù)案等數(shù)據(jù)的存儲和高效管理。

2.2 GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮中的應(yīng)用

基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮系統(tǒng)的功能主要包括：一是應(yīng)急響應(yīng)，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)險情速報與審核處理；二是應(yīng)急調(diào)查，實現(xiàn)通過手持終端采集現(xiàn)場災(zāi)情信息，支持現(xiàn)場拍照、獲取坐標(biāo)、標(biāo)注危險點和危險區(qū)、撤離路線等；三是應(yīng)急處置，制定應(yīng)急處置方案，包括應(yīng)急專家組與工作組的設(shè)置、應(yīng)急物資及裝備的配置；四是災(zāi)情評估，實現(xiàn)對災(zāi)情的統(tǒng)計與描述，包括災(zāi)情現(xiàn)場照片上傳、災(zāi)害點周邊建筑物和交通破壞情況、經(jīng)濟(jì)和人口損失統(tǒng)計及其他災(zāi)情描述信息等的編輯，評估災(zāi)害的實際情況，從而有助于采取相應(yīng)的處理措施。

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮信息源主要來自當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害防治工作的基礎(chǔ)研究，包括災(zāi)害波及范圍和具體位置等，在應(yīng)急指揮時可以將災(zāi)害區(qū)域的情況以三維的方式生動直觀地顯示出來，從而為救災(zāi)提供可靠數(shù)據(jù)。在預(yù)警之后，該系統(tǒng)可以針對可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域制圖，及時了解地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的詳細(xì)資料，如地形概況等。以災(zāi)害點的位置為依據(jù)，結(jié)合有關(guān)的空間數(shù)據(jù)，如路網(wǎng)、水系等，制定出最合理的救助策略以及運送、分配救災(zāi)物資方案，為該區(qū)域制定完整的、系統(tǒng)的應(yīng)急管理預(yù)案(圖1)。

圖1 城市應(yīng)急管理部門數(shù)據(jù)共享示意圖Fig.1 Schematic diagram of the data sharing of the urban emergency management departments

2.3 利用GIS技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)進(jìn)行實時監(jiān)控

GIS技術(shù)能夠?qū)Λ@取、傳輸與整理數(shù)據(jù)的整個過程進(jìn)行自動化監(jiān)測。將自動化檢測儀器安置于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域，及時得到監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用埋設(shè)的GPS儀器測量監(jiān)測點的坐標(biāo)，監(jiān)測地表位移情況;利用翻斗式雨量計監(jiān)測區(qū)域降雨量，在巖土體鉆孔中預(yù)埋測斜管,通過測斜儀得到其水平位移改變量。在傳輸數(shù)據(jù)方面，可結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)特點，選擇適合的傳輸方式，對于地表裂縫計、深部位移鉆孔傾斜儀、GPS接收機等無集成4G或監(jiān)測量大的儀器可使用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通信系統(tǒng)來傳輸數(shù)據(jù)，傳輸模式為終端至終端。監(jiān)測中心將獲得的數(shù)據(jù)傳送至后臺數(shù)據(jù)庫中，災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析和數(shù)據(jù)監(jiān)測。系統(tǒng)以庫表與數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，可將用戶數(shù)據(jù)存入其中，采用的數(shù)據(jù)庫可結(jié)合有關(guān)的監(jiān)測信息與獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用后臺程序?qū)⑵鋫魅霐?shù)據(jù)庫中，通過管理與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，達(dá)到災(zāi)害預(yù)警的目的。

2.4 GIS技術(shù)在分析地質(zhì)災(zāi)害潛在風(fēng)險中的應(yīng)用

目前，GIS技術(shù)的智能化水平正在不斷提高，且分析功能也在不斷完善中。當(dāng)GIS系統(tǒng)擁有智能化功能之后，其建模功能也變得強大,不僅可以在系統(tǒng)中構(gòu)建集成性以及專業(yè)性的分析模型,而且還能夠通過模型解決一些實際問題。地質(zhì)災(zāi)害雖然具有多樣化的特征，但是災(zāi)害的發(fā)生離不開觸發(fā)因子以及特殊的地質(zhì)環(huán)境。為了能夠找出地質(zhì)災(zāi)害的潛在風(fēng)險，必須應(yīng)用GIS技術(shù)收集地理空間信息。當(dāng)收集信息之后,GIS技術(shù)不僅能夠有效管理信息，而且還能夠從時間尺度以及空間方位維度,對環(huán)境因素與地質(zhì)災(zāi)害之間存在的關(guān)聯(lián)進(jìn)行統(tǒng)計分析,并找出兩者之間存在的關(guān)系。應(yīng)用GIS技術(shù)能夠有效估算某一區(qū)域當(dāng)中,地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的概率及其可能造成的破壞程度。另外,在分析地質(zhì)災(zāi)害潛在風(fēng)險的過程中,GIS技術(shù)能夠與風(fēng)險預(yù)測模型實現(xiàn)有效結(jié)合。在風(fēng)險預(yù)測模型與GIS技術(shù)結(jié)合之后，便可以利用GIS技術(shù)當(dāng)中的數(shù)字高程計算功能、屬性管理功能以及圖形編輯功能等，完成復(fù)雜的災(zāi)難風(fēng)險分析工作。最重要的是，應(yīng)用GIS技術(shù)能夠?qū)?zāi)害風(fēng)險進(jìn)行現(xiàn)勢性分析,可以減少分析過程中的不確定性、模糊性,增強了分析結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

2.5 GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用

在GIS技術(shù)支持下，可以有效地采集到各種地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)異常地點進(jìn)行自動監(jiān)測，如果數(shù)據(jù)異常便提供報警。GIS技術(shù)在預(yù)警中其主要特點包括:通過地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合,建成地質(zhì)災(zāi)害自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測信息的采集與傳輸。實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測信息的實時化與空間化，能實時顯示信息，監(jiān)控儀器是否正常工作，并在地圖上展示各監(jiān)測點的異常狀態(tài)。對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)分析，生成同要素不同時期對比、不同要素同時期對比等曲線圖或折線圖，觀察各數(shù)據(jù)演變趨勢，研究各監(jiān)測數(shù)據(jù)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的自動預(yù)警。在監(jiān)測值達(dá)到預(yù)警閥值后會自動向指定人員發(fā)送預(yù)警信息，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警預(yù)報的對象是群發(fā)型、突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，如泥石流、滑坡、崩塌等(圖2)。根據(jù)時空分布特征可分為空間預(yù)警與時間預(yù)警兩種類型，空間預(yù)警指通過觀察和分析,找出在特定條件下專題圖中容易有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域；時間預(yù)警則指結(jié)合空間分析的結(jié)果，進(jìn)一步確定之前確定區(qū)域中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的時間段與大概的發(fā)生概率。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)Fig.2 Diagram of the geological disaster monitoring and early warning system

2.6 GIS技術(shù)在劃分災(zāi)害危險等級中的應(yīng)用

在建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃模型系統(tǒng)(GHDMS)的過程中，需要應(yīng)用到GIS技術(shù)，GHDMS的功能包括分析地質(zhì)災(zāi)害所具有的危險程度與危害性，以及發(fā)育強度等。應(yīng)用GIS技術(shù)可以在系統(tǒng)當(dāng)中構(gòu)建出空間地理分析模型、災(zāi)害危險程度、危害性分析模型與單體災(zāi)害劃分等級等,并應(yīng)用多層次、多樣化的劃分方法，獲得準(zhǔn)確的危險等級評價結(jié)果。為了確保GIS技術(shù)能夠在GHDMS系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮出應(yīng)有的作用,則應(yīng)采用以下設(shè)計技術(shù):一是應(yīng)根據(jù)數(shù)學(xué)模糊邏輯理論,建立出多源信息模型；二是在構(gòu)建好信息模型之后，自動獲取動態(tài)分析參數(shù)；三是在分區(qū)模型當(dāng)中輸入屬性數(shù)據(jù)以及動態(tài)參數(shù)，并根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)以及參數(shù)計算出災(zāi)情指數(shù)。當(dāng)?shù)贸鰹?zāi)情指數(shù)之后,利用制圖功能完成災(zāi)害危險等級的劃分工作(圖3)。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報圖Fig.3 Geological disaster forecast map

3 應(yīng)用案例

此次研究地區(qū)為閩清縣，該地區(qū)主要是以中低山和丘陵為主的侵蝕地貌。2021年，省自然資源廳和省氣象局已聯(lián)合發(fā)布3次閩清縣地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險黃色預(yù)警，地質(zhì)災(zāi)害隱患點發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。

在對當(dāng)?shù)刈匀粸?zāi)害調(diào)查資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上可以發(fā)現(xiàn)，閩清縣屬于地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生類型多，發(fā)生的頻率較高，并且這些地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在人員居住密集區(qū)和工程建設(shè)生產(chǎn)區(qū)域(表1)。根據(jù)以上情況，對其地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方法進(jìn)行研究。

表1 閩清縣地質(zhì)災(zāi)害類型分布(單位：個)

在分析和認(rèn)識該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)劃分為網(wǎng)格區(qū)，對復(fù)雜地形下的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，對網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)各種地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和密度進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生類型和判別標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)判別原理，對網(wǎng)格中的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖進(jìn)行分析和綜合處理。另一方面，以地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素作為主要評價指標(biāo)，一般而言，地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素包括地貌類型、地層結(jié)構(gòu)、降雨分布、地形坡度和植被覆蓋度等。在確定影響因素后，需要分析各影響因素在各網(wǎng)格中的分布情況，并根據(jù)實際情況確定各影響因素的權(quán)重。以預(yù)先確定的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性規(guī)劃圖為基礎(chǔ)，結(jié)合各影響因素的災(zāi)害分類圖，形成區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖，從而預(yù)測局部地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖能夠真實、準(zhǔn)確地反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況。根據(jù)不同類型的地質(zhì)災(zāi)害，在圖上可以找到高、中、低危險區(qū)的準(zhǔn)確位置，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供準(zhǔn)確信息。

4 結(jié)論

在我國地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理中，可結(jié)合各級行政區(qū)劃的實際情況建立基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)，從而為地質(zhì)災(zāi)害提供預(yù)警，為人民的生命財產(chǎn)安全提供強有力的保障。通過現(xiàn)階段的GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以形成這一系統(tǒng)，采用B/S和C/S的混合多級結(jié)構(gòu)體系模式，開發(fā)多級地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息在更廣空間的共享、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、綜合統(tǒng)計和分析、信息快速交換，既節(jié)約資源，又節(jié)省響應(yīng)時間。從事地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)工作人員，可以通過專業(yè)知識將系統(tǒng)打包組件，組成完整的GIS地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)人員只需建立災(zāi)害應(yīng)用模型，調(diào)用相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害模塊，可以有效降低開發(fā)周期提升實用性。同時，充分利用3S技術(shù)，可以將GIS作為數(shù)據(jù)源頭，接受衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)驗證更加充實，實現(xiàn)完整的動態(tài)數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建高度自動化、實時化、智能化的地質(zhì)災(zāi)害分析系統(tǒng)，降低人工干預(yù)，更好地為相關(guān)部門提供有力的決策支持。部分地區(qū)還可以結(jié)合實際情況，增加相應(yīng)需求功能，例如遠(yuǎn)程咨詢功能等，從而更好的開展相關(guān)工作。