地理信息系统gis在国内城市防灾减灾中的应用

地理信息系统gis在国内城市防灾减灾中的应用

0信息化数据库中国是世界上最常见的自然灾害类型之一，频繁发生和造成损失。在过去40年中，每年的经济损失约占该国税收总收入的6%。近年来灾害直接经济损失每年约1000亿元,其增长速度明显超过全国经济增长,因灾人口伤亡也相当严重。因此,减轻自然灾害是我国社会经济持续发展的一项必不可少的工作。地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。目前世界上常用的GIS软件已达400多种。它们大小不一,风格各异,国外较著名的有ARC/INFO,GENAMAP,MGE等;国内较著名的有MAP/GIS,SuperMap,GeoStar和CityStar等。GIS在地震工程研究中的应用极为广泛,已用于地震分析、预测、预报、抗震、减灾及灾害预测、辅助决策及应急指挥中。1基于gis的城市防卫抗灾基计算模型的建立我国城市社区矫正中考虑gis的城市多种“九五”和“十五”期间,我国先后在福州、鞍山、合肥等几十个城市开展了城市震害预测与防震减灾对策研究项目,不仅在建筑物、生命线工程、损失预测等计算模型的研究方面取得了一系列的成果,而且也使基于GIS的城市防震减灾信息系统的研发进一步成熟和完善。2004年,《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》正式颁布,明确规定了城市防震减灾信息系统的技术和功能要求,同时,也促进了目前的研发向规范化、通用化的方向转变。1.1数据库设计及管理“九五”期间,中国地震局将中国地震动参数区划图的编制列为重点科研项目,这一项目在胡聿贤院士等的主持下,已于“九五”后期顺利完成。该专题所设计的系统,充分利用GIS信息技术的各项功能,对编制地震区划图所使用的各种数据,从输入、编辑、处理、分析、图形绘制到输出,进行系统的、科学的可视化分析与管理。该系统的数据库分为3个子系统:(1)地震环境及潜在震源区子系统;(2)地震动基础资料及衰减关系子系统;(3)地震动参数概率计算结果子系统。1.2基础资料和图件正确地预测与设定工程场地的抗震设防参数,是进行工程结构抗震设计的基础。抗震设防区划的成果资料主要有文字资料和图件,一般包括:抗震设防区划正文及正文说明、设计地震动和场地特征周期区划、场地破坏效应区划、土地利用区划等。另外还有一些基础资料和图件,一般包括工程地质分区、覆盖层厚度、地下水位、城市地形地貌等基础资料。地理信息系统(GIS)具有图形管理和数据库管理的双重功能,它可以解决抗震设防区划的图形及与图形相关的数据资料的管理与工程应用问题。1998年,马东辉等研究了基于GIS的抗震设防区划专家系统,可以实现抗震设防区划编制和应用,解决在缺乏GIS的支持背景下编制完成的工程场地抗震设防区划,造成大量实用工程资料的流失与浪费的现象。1.3城市地震风险评估系统地震危害性分析包括地震危险性分析和结构易损性分析,具有明显的地域特征,因而,GIS在震害分析中得到了广泛的应用。1999年,尹之潜提出了一个大城市的地震危害性分析的基本框架和城市功能损失的分析方法以及它对国内生产总值影响的估计方法。2004年,王晓青、丁香通过组件技术,实现了地震现场灾害损失评估地理信息系统(MapEDLES2001forWindows),实现了数据库管理、地图创建、浏览查询、地震破坏抽样统计与灾害损失评估,具有集地图、统计图、表格、文字于一体的评估报告自动快速生成、空间数据远程交换、现场视频图像管理与播放等功能。2005年,汤皓、陈国兴提出了基于组件式GIS技术(COMGIS)的工程场地地震灾害风险评估系统的总体设计思路及设计方案;运用组件式GIS技术、数据库技术和空间分析技术构建信息管理平台,提出了工程场地地质资料的可视化查询和分析、地震影响场的生成、震害空间分析模型化等的实现思路与方法,能实现工程场地资料的有效利用,如地质剖面图的自动绘制、三维地质图的生成等;而且,能将震害分析模块化,集成到系统界面菜单上,实现震害分析的智能化,保证了系统开发的可持续性;同时,以场地液化、震陷、滑坡、场地类别作为场地地震灾害风险性预测的四大因子,在Mapx+VB支持下进行叠合分析,编制出工程场地地震危险区综合预测图,可为场地规划和利用提供有效的基础资料。2006年,聂树明等开发的震害预测基础(属性)数据库管理系统,是在我国城市震害预测与防御对策研究中第一次采用SQLServer2000和基于C/S结构及数据字典管理的震害预测数据库,可方便地移植到其他应用系统中。江静贝、符圣聪、黄世敏等基于SuperMap的Object组件自主开发的GIS平台—城市地震灾害预测信息系统,把地震危险性分析、人工波的合成、土层地震反应计算和场址设计地震动参数的确定整套计算程序嵌入地理信息系统,可以对任一工程场地很方便地进行地震安全性评价,给出设计地震动参数。该系统也可存储、查询和输出土层柱状图和设计地震动参数等信息。1.4输油管道系统的震害分析方法国内外多次强地震震害调查表明,城市的各种管网常有不同程度的损坏。它们的损坏不仅可能给人们的生活带来不便,有时甚至可能引起次生灾害。城市生命线地震反应仿真信息系统以GIS为开发平台,为城市生命线的地震反应仿真研究开拓了更加广阔的天地。2000年,温瑞智等在Arc/Info环境,给出了地震时,电力系统中断供电下,输油管道系统的震害分析方法。2001年,江建华等以上海市内环中心城区的供水系统为例,运用网络可靠性分析法进行了给水管网的震害预测,以ArcView为开发平台,创建了可视化的上海市给水管网地震反应仿真信息系统。郭恩栋等在ArcGIS8.1平台上,采用MonteCarlo模拟技术及网络连通性分析方法,以福州市的城市管网为例,研究开发了基于GIS的城市管网抗震分析系统。张雪梅等把光纤传感技术应用于埋地生命线信息系统,对埋地生命线管道系统的抗震能力、运行状况进行实时监测,可大大提高震后系统损失快速评估的精度,为实施对系统快速、合理的应急反应和震后的恢复重建提供辅助决策。符圣聪、江静贝、黄世敏等以管线的可靠度分析为基础,采用H.L公式计算所有管线的失效概率后,用Monte-Carlo法计算供水管网的连通性,采用点式渗漏模型模拟震后管线的渗漏,提出用管线损坏概率的反正弦函数来表示渗漏面积,实现对震后供水管网的水力计算。依据来自GIS的管线失效概率、管网的可靠性和供水功能的分析信息,可以对供水管网的抗震能力做出全面的评价。1.5城市地震分析模型地震灾害,特别是7级以上特大地震造成的灾害是严重的。1976年7月28日唐山7.8级大地震,使一座上百万人口的中等城市毁于一旦,死亡24万多人。1999年8月17日土耳其伊勉米特7.6级大地震,造成16000多人死亡,26000多人受伤,倒塌房屋l0万余间,近300万人无家可归,直接经济损失200亿美元。1999年9月21日台湾集集7.6级大地震,造成2329人死亡,各种建筑物倒塌9909栋,灾民32万,财产损失92亿美元。帅向华等基于GIS平台,设想将城市划分等面积网格,给每个单元网格赋予灾害指数,以确定城市中受灾较为严重的区域,为救灾指挥提供决策信息。该研究结果已应用于泰安市防震减灾示范研究项目中。任锡泰、高惠瑛以东营市建筑区为例,利用GIS的模拟活化技术把地震影响场、建筑震害预测等分析模型形成可供空间分析使用的二次数据,利用GIS把多重空间数据进行空间复合,给出城市建筑物震害的空间分布及其统计特征,并识别出城市建筑物的重灾区。邬亲敏等结合地震危险性和建筑物抗震设防标准,提出了地震损失风险评估概率模型,并给出了建筑物地震保险金额和保险费率的计算方法,利用GIS技术展示了与保险金额和保险费率的空间分布状态相关的属性数据,为保险当事人提供实施地震保险的科学依据。吕红山等从地震灾害成灾机理出发,建立了地震保险纯保费的计算方法,开发研制了用于建筑物财产保险地震灾害损失评估的计算机信息系统。应用此信息系统,比较了不同地区建筑地震损失期望的差异,分析了不同免赔额和限额的设定对保险公司赔付的影响。汤皓、陈国兴采用COMGIS(组件式地理信息系统)技术,开发了结合专业震害分析模型的建筑物震害评估系统,讨论了基于BP人工神经网络和GIS耦合模型的多层砖房震害预测,可使震害预测结果与建筑物信息进行空间匹配,实现地震灾害损失快速评估。葛学礼等把自主开发的城镇与企事业单位抗震防灾管理软件CTIE嵌入了基于SuperMap的Objects组件开发的“城市地震灾害预测信息系统”,可在GIS平台上实现城市的地面建筑物进行图形档案管理、地面建筑物抗震能力评定、震后财产损失统计、人员伤亡数量预测以及避震疏散(含有组织疏散与无组织疏散)等功能,为管理部门的震害预测及震后救援提供帮助。1.6交通网络、桥梁融合技术的应用宋建学、李杰等从历史震害经验出发,分析了震后城市内部道路通行性的影响因素,提出了路段通行概率的计算公式,建立了用MonteCarlo模拟方法分析路网连通性的仿真模型,最后,用唐山地震的2个实例验证了这一分析方法的实用性。宋健民、陈艳艳通过震后交通需求及震后道路通行能力的随机性分析,建立了交通系统震后道路阻塞发生概率和系统畅通可靠性分析模型;提出了一个在整个交通网络水平上的城市道路抗震信息管理系统。使用该系统可对路网内的所有道路桥梁进行全服役期的考察,并可在状态评估、灾害预测、抗灾加固、应急决策等方面加以应用。姜淑珍等采用回归统计法,针对泰安市与三亚市的交通系统网络模型,采用MonteCarlo随机模拟技术以及道路、桥梁单元可靠性分析方法,给出了不同烈度下道路、桥梁易损性分析结果,从中找出交通系统存在的薄弱环节,为两市编制抗震防灾规划和制定防灾决策提供重要的科学依据。倪永军、黄世敏等采用回归统计法,把城市道路交通系统震害预测分析程序嵌入GIS软件,在GIS中可对城市的道路交通系统全部或任意局部进行震害预测、震后连通可靠性分析及震后任意两点间最优路径分析和演示。1.7城市地震原生火灾仿真分析与评价技术从国内外诸多震例可知,大多数破坏性地震都会引发火灾,有的甚至会引起工矿企业的毒气泄漏乃至发生爆炸。而且地震火灾造成的损失,有时甚至超出了地震直接造成的损失。有效抵御城市地震次生灾害发生的关键在于准确预测和评价城市地震次生火灾的发生、发展和破坏过程,进而预先采取措施,对存在火灾隐患的地区进行改造和重建。基于GIS的震后火灾与毒气蔓延仿真技术为上述问题提供了有效地解决方案。李杰等采用泊松过程模型作为地震次生火灾发生的初始估计模型,按照时、场域分离的原则和贝叶斯估计原理,提出了地震次生火灾动态危险性分析与预估模型,建立了城市地震次生火灾的仿真分析应用系统。该系统可以综合利用各种分析模型进行城市次生火灾的快速分析、评价与模拟,并将分析与评价结果通过GIS以专题图或报告报表展示出来。许建东等以Arcview/GIS为工具,结合福州市主要建筑物结构类型的具体情况,基于传统的火焰蔓延数学模型,发展了复杂系统条件下城市地震次生火灾蔓延的计算机仿真模型,该模型在地震时可用以判定某一时段内可能的延烧区域,估计地震次生火灾的灾害程度及其直接经济损失。余世舟、赵振东、钟江荣等把建筑物震后火灾发生与蔓延危险性分析的概率模型以及毒气泄漏与扩散模型的外部程序集成到GIS(ArcView3.2)中,给出建筑结构在地震破坏状态下的次生火灾发生的概率、毒气扩散影响的空间分布。通过综合分析其他影响因素,给出判定城市地震次生灾害发生的高危险区的方法,实现了城市地震次生灾害高危险区的划分。赵思健、熊利亚、任爱珠等构建了火灾蔓延的半经验半理论模型,建立了基于GIS的城市地震次生火灾仿真系统,用于辅助防灾工作者预测和评价城市地震次生火灾的发生、蔓延、扑救和破坏过程,实现数据和模型之间的集成,并提供完整的仿真方案进行模拟,并以表格、图件和报表的形式输出各种统计结果。这些统计结果可为防灾工作者的防灾决策提供科学的依据。1.8城市震害预测及应急对策的信息化和程序结构化大地震发生后,抗震救灾工作的正确部署和迅速高效率地实施,对于减轻地震灾害将发挥重要作用。建立城市地震现场应急指挥技术系统,应用RS和GIS技术迅速获取震区的各种信息,经过快速处理,可获得地震灾害的各种信息,这些信息不仅可为抗震救灾的部署提供重要依据,也可为各种救灾措施的实施提供信息支持,提高抗震救灾的效率,可以大大提高政府对破坏性地震的应急反应能力,高效调度和运用一切可能的救灾力量,是应对破坏性地震发生、综合防御地震灾害的有效方法。随着我国防震减灾技术及地理信息系统的快速发展,我国城市震害预测和防震减灾对策研究及相关的信息管理和辅助决策系统工程得到了较大推进。基于GIS的城市震害预测及应急对策信息系统是集城市基础信息管理、地震信息管理、震害预测、损失评估、提供应急对策信息支持和用户及数据管理为一体的综合性的信息系统。从程序结构化设计的角度来考虑,可以将系统划分为文件管理、地图工具、地震影响场、建筑物震害预测、生命线震害预测、损失评估、应急对策和系统管理八大模块。危福泉等给出了完整的基于GIS的综合震害预测和应急模拟系统软件结构图。“九五”以来,中国地震局设立的95-06项目开展了10余个城市和城市群示范城市的震害预测和防震减灾对策研究,并建立了相应的基于GIS的城市震害预测与决策指挥系统,在多个城市已有应用,如危福泉等用于福建省永安市的城市防震减灾信息系统,管友海等建立的青岛市地震应急指挥决策支持系统,李冬平等建立的浙江省地震应急指挥系统,章熙海等建立的江苏省地震应急指挥系统,周斌等建立的东营市震害预测与辅助决策信息管理系统。此外,还有许多地震应急指挥系统[50,51,52,53,54,55]也正在开发或运用到多个城市的震害预测与应急指挥中。随着现在大城市对突发事件的应对,对城市公共安全也提出了更高的要求,相应的应急指挥系统也在研制与完善中。值得一提的是,帅向华等基于WebGIS开发的地震应急管理与首长信息查询系统也拓展了GIS技术的应用范围。2在震源材料中的应用当今社会的发展,以信息技术和空间应用为特征。作为信息技术和空间应用的载体,GIS越来越引起人们的广泛关注,“3S”技术的集成、GIS的网络化、开放式GIS、三维甚至高维GIS已成为GIS在防震减灾研究中应用的发展方向。2.1城市地震危险性评估“3S”集成即是地理信息系统(GIS)与遥感(RS)、全球定位系统(GPS)的结合。应用GPS技术可监测活断层的现今活动状态和构造应力场状态,利用测出的地壳变形资料等可对地震活动进行预测,也是对地震活动、地震危险性评价的依据;遥感技术(RS)可进行对活断层的调查,并可制作相应的地图,是探测活断层及其危险性评价的基础资料,另外,应用遥感技术还可对地震灾害进行快速评估;利用GIS可将城市活断层探测和地震危险性评价的各种有关成果,建成城市地震活断层及其危险性的基础数据库和地理信息系统,从而为城市建设规划、土地管理与综合利用、重大工程选址、建筑抗震防灾、震后灾害快速评价、政策决策和救灾指挥提出科学依据。由此可见,“3S”技术结合起来使用可在防震减灾中发挥重要作用。2.2webgis的概念WebGIS是运行在Internet上的网络GIS,是利用万维网技术对传统GIS的改造和发展。它改变了传统GIS的运行模式,使用户可以借助方便、廉价的因特网,通过Browser这一统一的图形用户界面,访问位于不同地区、不同类型的空间信息资源。WebGIS的实现技术中,较常用的有:CGI(以及后来发展起来的IDC,ASP,ISAPI,NSAPI等),即通用网关接口技术(CommonGatewayInterface);Plug-in,即应用程序插件技术:ActiveX控件和COM对象构件以及Java语言编程的技术,包括Java小程序(Applet)和Java虚拟机技术(VRM)等。纵观这些技术,在实现上可分为基于服务器策略的技术和基于客户机策略的技术。WebGIS目前尚处于试验研究阶段,如用于地震数据管理、区域震害快速评估,基于WebGIS的防震减灾系统也正在研究中。其最终目标是实现GIS与Web技术的有机结合,从Web的任意一个节点上,用户使用浏览器就可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题地图,进行地理信息的空间查询、空间分析,甚至预测和决策,从而给Web的信息发布加上了GIS这一直观工具,使人们通过Web浏览查询信息更加方便,也使GIS的功能通过Web得到普及和扩展,使基于GIS的空间信息系统真正成为可操作、实用化和可共享的技术系统。2.3开放信息系统opengis开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下,根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统,它具有下列特点。(1)相互工作不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。(2)可伸缩性硬件方面可在不同软件、不同档次的计算机上运行,软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。(3)技术的开放性对用户公开,公开源代码及规范说明是重要的途径之一。(4)兼容、可实现性、协同性独立于软件、硬件及网络环境,不需修改便可在不同的计算机上运行。除此之外,还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。OpenGIS技术将使GIS始终处于一种有组织、开放式的状态,真正成为服务于整个社会的产业以及实现地理信息的全球范围内的共享与互操作,是未来网络环境下GIS技术发展的必然趋势。2.4维gis的功能世界的本原是处在三维空间中的,而目前二维GIS技术对于完整的描述地球空间现象是具有一定限制的,为用户提供的分析和查询功能始终没有突破平面图形与数据表的操作和显示。现在越来越多迫切的要求在真实直观的三维空间进行地震科学各种空间查询和分析。与二维GIS相比,三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受,它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,不仅能够