地理信息系统在自然灾害预警中的应用探讨

文/张民荣 薛 诚 （.芜湖市湾沚区自然资源和规划局 .安徽省第四测绘院）

一、概述

近年来，随着气候变化和人类活动对自然的影响越来越大，自然灾害的发生率逐渐提高。我国幅员辽阔，地形地貌复杂，人口众多，是世界上受自然灾害危害最严重的国家之一，洪涝、泥石流、山体滑坡、地震等自然灾害对人民的生命和财产造成了不可估量的损失。而大部分自然灾害通常都具有突发性，不容易预测，因此尽快提升对自然灾害的监测预警能力至关重要。

地理信息系统（geographic information system，简称GIS）是重要的空间信息系统，是在计算机硬件和软件的支持下，对自然资源中的地理要素数据进行采集、储存，进而对空间信息数据进行分析和处理，同时能够对其特征进行可视化显示和科学描述的技术系统[1]。近年来，随着技术的愈发成熟，地理信息系统已经被广泛应用于各个领域，如社会服务和基础建设等方面；其在自然资源领域的应用也很广泛，包括自然资源管理、土地规划、生态环境管理、林业资源调查等。由于地理信息系统拥有极强的空间综合分析和动态预测能力，可以高效地作出最符合地理要素的空间决策，其在自然灾害预警中的作用被逐渐重视。本文探讨地理信息系统在自然灾害预警中的应用。

二、GIS 在自然灾害预警中的应用

地理信息系统通过采集和存储地理空间要素数据对数据进行可视化展示。一个地理信息系统在应用上可分为输入层和输出层。输入层指对气候、地理信息、地理要素等数据的收集、分类和存储，存储好的数据可按需求进行分析处理，为数据的有效输出作准备。输出层则是将处理好的数据进行描述，实现数据的可视化展示和统计分析图表功能，同时依托于对数据的有效分析进行灾害预警，具体如图1 所示。

图1 地理信息系统在灾害预警中的应用图示

1.输入层：数据收集、分类和存储

数据是地理信息系统的核心，输出层的数据展示、统计图表以及数据分析都建立在准确的数据上，所以数据的收集和存储是地理信息系统能够良好运作的前提。数据的有效存储依托于设计合理规范的数据库，因此按照需求设计数据库结构和归纳表中字段属性是非常必要的。

数据的来源多种多样，一部分来自历年的灾害统计和气候、水文等数据，另一部分则来自于灾害隐患点的实时监测数据。通过在隐患点附近设置监视网络，依靠外置的监测设备，如摄像头和感应仪器等，实时将监测数据传输回数据库，针对自然灾害发生的必要条件进行监控，从而实现对此类数据的动态获取和全天候监测[2]。

地理信息系统把地理分析功能与数据库操作结合在一起，实现地理空间数据的规范存储和查询。但是，通过多种类的数据收集方式收集的数据量有时太过于庞大，一定程度上也造成了数据的冗余。因此在存储前需要对数据进行挖掘和分类，需要技术人员从专业角度剖析自然灾害发生的原因，结合当地区域特点，筛选有效数据，保证入库数据精炼、合理。

2.输出层：数据展示、辅助灾害预警

通过输入层，收集的数据已被存入结构合理、内容精炼的数据库，方便输出层的使用。对于数据的应用不仅仅体现在可视化展示，更重要的是要通过对数据的统计和分析，得出辅助灾害预警的有效信息。数据的输出层主要包括三个方面功能：一是数据的可视化表现，如灾害隐患点的区域地图、水流区域图、山地地形图等，还可将区域行政图与隐患点结合在一起形成灾害隐患点专题地图；二是对数据筛选后进行统计图表展示，包括数据的统计图、对比图以及变化趋势图；三是通过对数据的深层次分析来辅助灾害预警工作。

通过对数据的深层次分析来辅助灾害预警工作，具体有以下几方面。

制定预警标准。通过制定直观的预警标准可以进行简单的灾害预警判断。例如，通过地表滑行位移监测山体滑坡、短期降雨量变化监测山洪或内涝、土壤含水量变化监测泥石流等。但此类方法的有效预警是建立在准确的预警标准基础上的，因此需要寻求有关地质部门或气象部门来协助标准的制定。另外，还可以通过综合分析历年灾害数据以及当地地形、气候特点，总结出灾害发生的高频时间段，更好地为预警标准制定提供依据。

建立灾害模型。地理信息系统能为建立灾害模型和区域灾害风险预估提供有力支持。结合分析灾害发生的高频时间段、发生气候和地质条件以及灾害历史数据，通过数学建模，可以得出灾害风险值算法和灾害模拟模型，进而将各个区域的地形特征、流域水量、气候等数值套入算法和模型，计算出未来某一时间段内灾害发生的概率。通过套用成熟的灾害模拟模型，预警中心可以对有关区域加大监控和巡查力度，进而在灾害发生前及时联系当地有关部门进行群众疏散或加固防御工事，有针对性地对高风险区域进行灾害风险预估，力争从源头上阻止或减少自然灾害的形成。

辅助巡查人员实地巡护。地理信息系统也可以配合区域巡查员进行巡护。例如在高风险区域和发生灾害的高频期加大巡护频率，并依托于巡查员手持GPS 等移动终端，通过接口将系统远程与其对接，实现实时数据传输，进而监测巡查员的巡查范围，形成巡查地图，提供巡查重点，排查巡查盲点，提高巡查效率；同时，由于可以对接移动终端设备，系统还可以向其发送预警信息，并接收设备上传的巡查现场数据和图片，从而辅助预警中心远程分析和判断，为灾害预警方案和决策的形成提供有效支撑。

3.与其他技术结合

地理信息系统与其他技术结合可以发挥更优质的作用。在目前的应用中，结合较多的技术是遥感技术和大数据技术。

遥感技术是利用传感器对远距离目标进行无接触探测，已被广泛应用于地理数据获取。目前，对于遥感在自然灾害预警和灾后辅助救援中的作用已有很多研究，如无人机遥感与GIS 结合监测泥石流[3]，遥感监测辅助水灾的灾后救援[4]，遥感和地理信息技术结合在地质灾害防治中的作用研究[5]等。遥感技术不受地面恶劣条件限制，能够远程迅速准确地获取图形信息，更好地发挥地理信息系统的作用。

大数据技术近些年方兴未艾，大数据的应用提高了整个社会的数据获取、处理的能力和智能程度。大数据在自然灾害预警和应急响应中的应用研究也有不少，如基于山洪灾害调查评价大数据成果对全国山洪灾害风险的分区研究[6]，依托于水文气象大数据的网络洪涝灾害预警平台探讨[7]，大数据在提升灾难信息管理水平中的作用[8]等。通过与大数据技术的结合应用，地理信息系统能够更高效地获取和处理大批量、复杂的数据，提升数据的多样性，更好地提升地理信息系统的预警功能。

三、结语

地理信息系统在自然灾害预警中的应用意义重大。一方面，立足于系统数据库，依托于系统的信息分析和处理能力，地理信息系统有助于地理空间数据和气候、灾害数据的联合应用，提高了数据的使用效率；另一方面，通过对数据进行分析形成的风险评估算法和灾害模拟模型，为自然灾害的预警提供准确和科学的支撑，有效提升了自然灾害的科学预警水平，减轻预警压力和难度，提高预警效率和成果。

地理信息系统在自然灾害预警中能够发挥持续有效的作用，为有关部门的决策人员提供强有力的科学支撑。在今后的防灾减灾工作中，技术人员可以充分挖掘地理信息系统的功能，使其能够被更广泛更深入地应用于自然灾害预警中，并依托大数据和遥感技术、全球定位技术、云计算等技术，提高我国自然灾害预警的综合能力和科学水平。