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基于WEBGIS的地震空间减灾信息化平台建设研究

2016-11-02张万昌

灾害学 2016年4期
关键词:灾情减灾灾害

陈 豪,张万昌 ,邓 财,聂 宁,易 路

(1.中国科学院遥感与数字地球科学研究所 数字地球重点实验室,北京 100094;2.中国科学院大学,北京 100049;3.南京大学 环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210093)



基于WEBGIS的地震空间减灾信息化平台建设研究

陈豪1,2,张万昌1,邓财3,聂宁3,易路3

(1.中国科学院遥感与数字地球科学研究所 数字地球重点实验室,北京 100094;2.中国科学院大学,北京 100049;3.南京大学 环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210093)

地震已成为威胁人类生命、财产和社会经济发展最严重的自然灾害之一。针对当前地震应急减灾系统灾害信息获取时效性差、自动化和定量化程度低及信息集成共享等方面的不足,通过收集、整理地震灾害时空信息,结合灾区基础地理、多源遥感卫星影像及动态灾情信息,利用面向对象及主题的数据模型设计在线的地震应急减灾时空一体化数据库;提出了构建基于WEBGIS和空间技术的地震减灾信息化平台的总体设计架构、技术体系及功能模块;开发了平台原型系统,初步形成了地震灾害动态监测、灾害评估、灾情信息实时共享以及应急减灾辅助决策的一体化产品,为提高我国地震灾害应急减灾水平提供了借鉴作用。

WEBGIS;空间技术;地震;面向对象;主题数据;信息化平台

20世纪以来,全球破坏性地震灾害频发,因地震死亡人数约占自然灾害所造成死亡人数总和的50%[1]。地震的预测、预防、减灾研究已成为当前自然科学和社会科学研究领域中地球物理、地震学、地球信息科学等学科的前沿性课题。随着地震学研究的深入,地震数据的内容和种类不断增加、对服务性能的要求越来越高。如何能够有效利用这些丰富的地震数据,使其在科学研究、地震预报、防灾减灾、服务于国民经济发展等方面发挥更大的科学、经济、社会效益是一个值得认真研究的课题[2]。

地震应急减灾中对突发重大地震灾害信息的快速提取和应急响应是抢救生命和减少损失的关键举措。国内外防震减灾科学研究和实践证明,空间技术以其在减灾中多时间、多空间分辨率的对地观测数据,实现了对自然灾害的快速、宏观和实时监测;长时间、大尺度空间灾害观测累积数据,有助于分析灾害的诱发机制和时空分布变化规律,提高灾害事件的预警能力;空间灾害观测数据共享机制,为灾情评估和灾后重建的决策提供了丰富的数据及信息支持等优势和特点在地震灾害的遥感监测、灾情评估、应急响应及灾后重建过程中发挥了越来越重要的作用。

近年来,互联网技术日新月异,WEBGIS作为其中重要一支技术力量,在信息获取、传输、分析及应用中发挥着巨大优势。其准确、及时、完善的数据,网络化、规范化的建设,多专业、学科综合集成[2]的技术系统以及数据挖掘与知识发现思想的引入与地震减灾信息化平台建设的目标相契合。因此,构建基于日益成熟的WEBGIS技术和空间技术的地震减灾信息化平台是形势所需。

1 地震减灾平台研究进展

国外在地震减灾平台建设方面的研究开展较早,形成了一定体系。例如美国国家地震工程研究中心在1996年开展了地震综合减灾研究工作,开始集成RS和GIS技术应用于地震灾情的快速提取和评估工作中,构建了基于GIS的地震安全管理系统,实现了空间数据的全面共享、快速提取并分析地震灾害信息、救援物资调度等功能,取得了良好效果[3]。日本作为一个地震灾害频发的国家,在20世纪末就已建立起基于GIS的应急指挥管理系统,主要应用于地震区划、地震危险性分析、抗震救灾对策和震后救灾等方面,形成了一定的规模。

目前,我国已经在国家、省、市、县各级相继建设了一系列地震应急指挥技术系统示范性工程,并投入了大量的硬软件设施[3],应急决策支持软件的系统性研究和开发得到了快速发展。学术界同样对于地震空间减灾的有了广泛研究,例如文里梁等[4]集成遥感技术及三维GIS技术,对地震灾害时空信息及灾情信息进行分析,并考虑破坏性地震所造成的区域性差异以及建筑物类型差异,从而模拟分析地震灾前和灾后的场景。石丽红等[5]高度集成空间数据库技术、地理信息系统技术、数据动态交换技术,集成影像数据、GPS地面跟踪数据、灾情实时监测数据等异构信息,应用于相关部门的防灾减灾系统中。姜伟等[6]基于WEBGIS的城市防震减灾信息系统,说明了系统基础空间数据库的构建方法以及地震灾害的危险性评价、经济损失和人员伤亡的预测和灾害应急救援等专业模型,并着重演示了系统的构成及功能模块。

总体而言,我国地震应急减灾平台建设发展迅速,但尚处于起步阶段,主要存在以下3个方面的问题:①数据、技术与应用的集成问题。目前在国内还没有将全面的面向地震的数据库与3S技术、互联网技术等的优势集成的地震减灾信息化平台应用,导致了数据获取、处理、分析和应用部门之间的交流与共享存在“断层”、数据的利用效率低下、信息重复或遗漏较多、技术单一以及应用产品专业化较强而普适性较差的问题;②信息集成共享的问题。现行的实时灾情信息获取、评估及共享,更多的是专业人员解译灾情、新闻媒体跟踪报道、政府机构发布决策信息等方式,而缺少公众的参与,没有很好地利用互联网技术优势,如多媒体技术与空间数据库的结合、自发地理信息(Volunteered Geographic Information, VGI)[7]、众包(Crowdsourcing)[8]等,导致信息获取、共享时效性、规范性较差,进而造成资源浪费、决策滞后等问题;③一体化的减灾平台体系还不够完善。表现在地震灾害管理中监测、预测、预防、应急、减灾和灾后重建工作没有很好地整合,缺乏科学平台支持,有效地数据挖掘以及知识发现思想还没有融入其中,能够同时结合地震专业减灾模型与面向大众的普适化应用的平台还没有建成。

因此,本文提出了基于WEBGIS的地震空间减灾信息化平台,在合理设计平台体系架构基础上,重点强化遥感与GIS、数据库技术、互联网技术等多学科方法在地震灾害管理应用方面的集成,为科学减灾提供借鉴。

2 平台设计

2.1信息采集与集成

2.1.1数据库建设需求分析

目前,我国的防震减灾工作主要分为:地震监测预报、地震灾害防御、地震应急救援三大体系[9]。这三大体系正常运行的核心是需要一套完备的地震灾害时空数据库系统的支撑[10]。再者,地震减灾信息化平台建设过程中所采集的海量数据包括地震时空信息如地震位置、时间、震级、震深、大地构造特征、相关地质基础、烈度分布等;基础地理信息和生态环境数据如多源遥感影像、地形地貌、土地利用、植被的空间分布情况;社会经济数据如经济类型、产值、人口分布等;灾情数据如图片、文本、视频等格式[11]。这些数据在格式上千差万别,涵盖关系数据模型、矢量栅格数据模型,很难被管理信息系统所调用。而采用当前快速发展的空间数据库技术,以面向对象及主题的方式集成化管理多源异构的数据,并进行标准化处理、强化数据表达、检索及模拟等能力,可以极大地提高地震灾害时空数据的利用效率,同时地震灾害时空数据库也是进一步构建地震减灾模型库、信息系统、地震损失快速评估及空间决策、应急救援平台的基础[12]。

2.1.2面向对象及主题数据模型

面向地震对象及主题的数据模型由标识、属性集、空间位置和变化集组成。对象标识是用于识别对象的唯一编码。属性集包含了对象的专题、时间属性。时间属性是表征对象的时态变化特征,是一个不断累积更新的过程代表。对象的专题属性描述对象的性质、特征,它可以是文字、数值、图片、视频等,是伴随着对象时空属性被记录下来的描述性信息[14]。空间位置描述的是对象的位置和形状,它可以是矢量数据中的点、线、面、体组成的几何图形,也可以是栅格数据中的某个行、列表示的位置。变化集是以版本控制为基础,封装了对象的专题特征变化、空间特征变化以及时空拓扑关系[13]。其中空间特征变化主要指对象几何形状的变化(如道路的损毁等)、位置的移动等,以及对象的分割与合并(如地面开裂等)。专题特征变化是将专题属性以增量形式将变化特征记录下来,如地震发生后慈善机构善款的获取、拨放等系列专题过程的追踪。时空拓扑关系是地理学中的时空数据质量的一种反映,包含要素的空间拓扑关系和时态拓扑关系,以及要素之间的更深入的内在联系[14],如因果关系等,可以用于保证地震灾害数据的质量,并作为进一步的数据挖掘分析基础。

图1 面向对象及主题数据模型

2.1.3构建地震应急减灾数据库

我国从2000年开始建设地震应急基础数据库,目前中国地震局已相应建立全国综合地震数据库、区域数据库和专业数据库以及集中管理的分布式数据库系统[2]。2007年年底,初步完成了包含基础地理信息、社会经济统计、地震基础数据、工程地震资料、灾害影响背景、灾害相关因素、救灾力量、震时紧急联络和地震应急预案与法规9大类42小类的各级抗震救灾指挥部地震应急基础数据库的主要建设任务[15]。本文参照已有的地震应急基础数据库建设内容,并在面向对象及主题的数据模型基础上,围绕地震灾害对象及主题,构建服务于地震减灾信息化平台的时空一体化数据库系统,将地震应急减灾数据库主要分为5大类子库对多源异构资源进行集成。图2表示地震应急减灾数据库系统的组成。

图2 地震应急减灾数据库组成

具体而言,基础背景数据库,包括地理数据、社会经济及人口统计数据、土地利用和建筑物信息数据、生态环境数据、多源遥感卫星影像数据等基础数据,用于快速建立灾区背景基础信息[16]。地震灾害数据库,是围绕宽泛的地震对象(主题)构建的基础数据库,包含如地震基础数据、工程地震资料、灾害影响背景、地震台网数据、生命线工程数据[17]、避难场所及救灾物资分布等丰富的非特定地震对象(主题)相关信息资源数据,为灾害评估、资源调度、应急决策提供辅助[18]。案例知识库,主要涉及法律法规信息、预案和规划信息、已有地震对策信息、历史地震信息以及地震救灾案例信息等,是为地震应急、减灾、防灾储备的经验知识库[19]。灾情信息库,是围绕现时地震灾害对象(主题),用于实时动态获取、分析、发布灾情信息的数据库,包含地震灾害基本信息、各类灾情评估信息、次生灾害信息、社会反应动态变化信息以及由公众自发地理信息获得的灾情信息等,用于全面掌握地震灾害影响情况,是指挥调度、应急决策的核心信息。扩展库,主要针对各个地震灾害独特的灾区情况,可及时扩展的数据和模型资源库,如社会救灾物资、公益组织以及保险善款等不确定性数据的集合和灾损评估、预测模型所涉及的各类函数库、指数库、临时结果库等模型库和计算库的集成。

上述5大类资源库,并非相互独立,没有关系,而是统一基于面向对象及主题数据模型来构建地震应急减灾数据库,如面向现时发生的地震灾害,在灾区基础背景信息快速搭建好的平台上,地震灾害库和案例知识库能够提供灾区历史地震时空信息和救灾案例中各环节的参考信息,并结合灾情信息库中动态获取的灾情信息等,用于政府相关决策,各库相辅相成,能够很好地实现数据资源的获取、扩充、更新以及集成,形成了一套完备的应急减灾体系。

2.2平台总体架构与技术体系

在设计上述地震应急减灾数据库基础上,信息化平台将面向政府决策者、组织机构、专业人员和普通大众,采用基于WEBGIS的四层架构技术,即感知层、数据层、逻辑层和应用层来构建,如图3所示。

图3 基于WEBGIS的地震空间减灾信息化平台体系架构

具体而言,平台软件开发与技术主要基于ArcGIS相关产品,其中利用ArcSDE空间数据库引擎结合SQL Server数据库以及面向地震对象及主题的数据模型来设计地震应急减灾数据库,并集成遥感监测、通信技术、互联网技术、物联网技术[20]等来对不同用户各种感知手段获取到的多源异构资源信息进行规范化整理、存储和管理。进一步利用逻辑层中WEB服务器与ArcEngine技术及ArcServer技术的交互实现对数据库资源的发布管理、模型分析及可视化等WEBGIS功能,其中在线模型库采用ArcGIS GP(Geoprocessing Service)服务形式进行模型接口设计与调用,最终形成可以实现各类用户权限内与在线WEBGIS平台的实时交互,完成数据存储、处理、分析、应用和共享一体化的综合应急减灾信息化平台。

3 原型系统功能设计与实现

根据第2部分平台总体设计思路,开发构建了平台原型系统,主要实现了4大功能模块:地震应急减灾数据库管理、灾害空间信息监测与评估、灾情信息共享和地震专题管理,并以2013年芦山7.0级地震为例,测试平台的运行效果。

3.1地震应急减灾数据库管理系模块

基于平台数据库需求分析以及5大子库组成设计构建地震应急减灾数据库管理模块,基于面向对象及主题的时空数据模型,主要负责多源异构数据的获取、存储和管理,能够实现各子库数据资源的实时导入、更新和导出等基本功能。并通过GIS技术实现地理信息数据的综合查询与可视化管理。例如统计表格数据导入导出、遥感影像数据动态管理、矢量数据的转换及标准化,多媒体数据如文本、图片、视频信息管理以及元数据管理服务等,为其他功能模块提供数据支持,是平台运维管理的核心数据库系统。

3.2灾害空间信息监测与评估模块

灾害空间信息监测与评估主要基于多源遥感卫星影像及GIS强大的空间分析功能,通过设计在线的地震灾害空间信息监测与评估模型[21]服务(图4),针对地震灾害所引发的房屋倒塌[22]、堰塞湖、滑坡、泥石流、基础设施损毁、农田破坏及次生地质灾害风险性等,利用地震专题信息解译、灾害风险区划等方式,制作地震灾害监测产品、生成灾害评估结果,实现从地震数据到地震信息,最后到地震知识的转化。

图4 地震灾害空间信息监测与评估流程设计

3.3灾情信息共享模块

灾情信息共享是平台专业化向普适性过渡的桥梁。该模块一方面发布共享多源遥感卫星影像等空间技术得到的灾害监测和评估产品,另一方面面向公众,基于VGI数据开展灾情信息实时获取、共享和管理(图5)。就地震灾情信息而言,目前主要获取方式包括语音和短信、互联网、遥感以及现场勘测,并且能够以多种形式表达,例如文本、图片、视频、音频等。因此,平台将普通用户通过感知层各类手段获取到的灾情信息经过一定地分类和统一编码,用于快速积累形成开放共享的地震灾情信息数据库,且支持不同用户实时对VGI数据进行编辑、更新和追踪,使各类灾情信息趋于全面、准确和及时。同时,原型系统基于时间轴列表与地图结合等多种信息可视化方式展现动态灾情信息,以辅助决策。

图5 面向VGI的地震灾情信息共享模块

3.4地震专题模块

地震专题模块是围绕重大地震灾害对象或专题,建立的综合应急减灾服务模块,是平台应急减灾数据库、灾害空间信息监测、评估及共享等其他模块的集成,主要面向灾害管理的应急响应及灾后重建阶段的辅助决策问题开展工作。

系统测试以2013年“芦山7.0级地震”对象(主题)为例,建立了地震专题。利用多源遥感卫星数据(航空数据、SPOT-4、SPOT-5、LANDSAT-8等)对地震灾害空间信息进行监测与评估。图6展示了芦山地震专题界面的一部分。经测试,基于平台原型系统,相关科研人员及时完成芦山地震灾害分析报告23期,内容包括芦山地震断裂构造分析,地震影响人口及范围评估,震区居民房屋损毁、道路阻塞、农田和林地损毁、次生地质灾害及重要基础设施受影响评估等,并可迅速报送各级相关部门及面向公众,为灾害评估、灾后重建,以及次生灾害预防提供重要基础,具有一定的理论和实用价值。

图6 芦山地震专题

4 平台发展方向

平台原型系统的实现表明其已能够初步提供一定的应急减灾科学参考,但仍存在一些问题和可以扩展的研究方向。

(1)准确完善的数据库

地震应急减灾数据库处于地震监测和信息化平台应用之间的桥梁位置[23],需要支持利用更多的源数据,特别是我国遥感卫星事业快速发展背景下,更多的高分辨率数据将被用于减灾;同时,多源异构数据的合理组织和科学管理以及网络化和规范化建设是一直以来数据应用和共享的核心问题。

(2)引入地球物理、地质等相关知识和技术手段

地震减灾信息化平台作为一种计算机应用,在与地震发生密切相关的地球物理模型、地质构造等知识的结合并不深入。因此,在线地集成这些模型和知识,有必要从更全面地认识、解析地震的角度来做好防震减灾工作。

(3)灾害链[24]思想

对于地震这种频繁发生的自然灾害,人类至今仍然没有找到有效的方法对其进行准确的预测、预报。本文中信息化平台的实用性也仅限于地震的应急减灾。但随着平台数据库不断更新,进行深入地数据挖掘和知识发现,从而得到灾害事件的完整记录和相互因果关系,采用灾害链的思想,将能极大地推动地震灾害预测工作的研究进展。

5 结束语

地震灾害发生后,时间就是生命,如何能在最短的时间内快速地获取地震灾害信息,评估地震灾害影响;如何将多源异构的复杂灾害时空信息有效集成;如何从历史地震灾害事件、灾情时空信息中进行数据挖掘并应用于预测地震;以及如何充分发挥公众在灾害应急减灾中的作用等一系列问题的解决,需要开展和创新相应的地震减灾信息化平台建设研究。

本文提出的基于WEBGIS地震空间减灾信息化平台建设,综合运用空间技术及WEBGIS技术,基于面向对象及主题的数据模型设计在线的地震应急减灾时空一体化数据库系统,进而在系统架构、技术体系和功能设计基础上构建了信息化平台。原型系统的运行测试,初步展现出平台具有作为地震灾害动态监测、灾害评估、灾情信息实时共享以及应急、减灾决策支持的一体化产品的优势,为提高我国地震灾害应急减灾水平提供了借鉴作用。

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Construction of Information Platform for Earthquake Disaster Mitigation Based on WEBGIS Study

CHEN Hao1,2, ZHANG Wanchang1, DENG Cai3, NIE Ning3and YI Lu3

(1.KeyLaboratoryofDigitalEarthScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarthChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,SchooloftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Earthquakehasbecomeoneofthemostseriousnaturaldisastersthreateninghumanlife,propertyandeconomicdevelopment.Accordingtotheproblemsofweekeffectivenessofdisasterinformationacquisition,lowdegreeofautomationandquantificationandtheinformationintegrationandshareofthecurrentearthquakeemergencyresponseanddisastermitigationsystem,thespatialandtemporalinformationrelatedtoearthquakeswerecollectedandsorted,combiningwiththebasicgeographyofthedisasterareaandmulti-sourceremotesensingsatelliteimagedata.Anonlineintegrationdatabasesystemforearthquakemitigationwasbuiltbyusingtheobject&theme-orienteddatamodel.Theoveralldesignstructure,technologyarchitectureandfunctionmodulesoftheinformationplatformofearthquakedisastermitigationbasedonWEBGISandspacetechnologywereproposed.Aprototypesystemwasdeveloped,initiallyformingadynamicmonitoringofearthquake,disasterassessment,real-timedisasterinformationsharing,emergencymitigationanddecision-makingintegrationproductiontoprovide< class="emphasis_italic">references

forimprovingthelevelofearthquakeemergencyresponseanddisastermitigationinChina.

WEBGIS;spacetechnology;earthquake;object-oriented;themedata;informationplatform

2016-03-31

2016-05-11

亚洲空间减灾科学合作研究项目(Y3YI2701KB);国家国际科技合作专项(S2013GR0477);国家自然科学基金资助项目(41175088、40971024)

陈豪(1990-),男,河南南阳人,博士研究生,主要研究方向为全球变化及灾害环境遥感.

E-mail:chenhao01@radi.ac.cn

张万昌(1966-),男,新疆石河子人,研究员,主要研究方向为遥感与GIS,水文模拟及预测.

E-mail:zhangwc@radi.ac.cn

X43; P208

A

1000-811X(2016)04-0139-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.024

陈豪,张万昌 ,邓财,等. 基于WEBGIS的地震空间减灾信息化平台建设研究[J]. 灾害学,2016,31(4):139-144. [CHEN Hao, ZHANG Wanchang, DENG Cai, et al. Construction of Information Platform for Earthquake Disaster Mitigation Based on WEBGIS Study[J]. Journal of Catastrophology,2016,31(4):139-144. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.024.]

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