3S技术在自然灾害学中的应用

第页3S技术在自然灾害学中的应用摘要：自然灾害学作为一门综合性的穿插学科，对其认识和研究离不开众多理论以及科学技术的支撑。3S技术集成了GIS、RS以及GPS三者的优点，依靠其高效的对地观测和数据采集的能力，并结合其功能强大的数据处理、分析及建模能力，使得其在自然灾害中的应用越来越广泛，如在救援保障、灾害评估分析、灾害监测、灾害建模等领域都起到重要作用。3S技术的广泛应用使得对自然灾害的认识和研究变得更加的深入，包括其形成机理、孕灾环境以及致灾因子等，有助于区域的风险脆弱性评估和分析，也有助于完善应对灾害的防护措施，并为灾害救援提供了保障，在一定程度上降低了人员伤亡以及财产损失。本文着重从灾前、灾中以及灾后三个不同时间段进展阐述，说明3S技术在自然灾害学中的重要应用和作用。关键词：3S；GPS；地理信息系统；遥感；自然灾害；应用引言自然灾害是指对人类生存带来威胁或者损害人类生活环境的一些自然现象，其内涵是由自然事件或力量为主因造成的生命伤亡和人类社会财产损失的事件[1]，例如地震、洪涝、干旱、台风、泥石流、沙尘暴、风暴潮以及草原和森林火灾等。自然灾害的发生会给人们的生产生活带来不同程度的影响，会对区域的社会、经济、自然环境等方面造成不同程度的破坏，甚至会危及人们的生命。但作为自然现象，大局部自然灾害又是不可防止的，且其发生具有广泛性、区域性、频繁性以及不确定性等特点[1]。但随着人们对自然环境的研究逐渐加深以及科学技术的飞速开展，使得人们对自然灾害的研究和认识更加深刻，也逐渐掌握了其发生的机理以及应对方法，特别是随着对自然灾害的观测或模拟手段的不断丰富、救援保障能力的不断提升，使得自然灾害变得不再那么陌生和可怕，其对人类的影响与过去相比也得到了一定程度的减轻。3S技术是地理信息系统(GeographicInformationSystem)、遥感(RemoteSensing)、全球定位系统(GlobalPositioningSystem)三者的简称。遥感(简称RS)主要用于大范围快速、精准、实时、重复性的获取地球外表及其之上大气层的空间、光谱及气象信息；全球定位系统(简称GPS)主要用于全球性或区域性的全天候、实时、高精度的空间定位及导航效劳，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及中国的“北斗〞等；地理信息系统(简称GIS)那么主要用于空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等[2,3]。3S技术最先应用与地理学和空间科学，主要用于对地观测与采集数据，并可以对数据进展管理、处理、分析和建模等，以此从中开掘新的知识和经历。而自然灾害正是发生于或表现于地球表层及其上下一定空间范围，并使得地表发生了一定程度的变化，此外导致自然灾害的孕灾环境、致灾因子等也与地表自然地理环境以及人文要素等密切相关，而这些自然灾害相关要素都可以通过3S技术将其采集或者抽象的表达出来，并能对其进展处理和分析[4]，这也正满足了当前自然灾害学研究的要求，就是能更加直观、真实、高效、准确的模拟和分析灾害。因此，3S技术的优点使得其在自然灾害学中的应用越来越广泛，下面就3S技术在自然灾害学中的应用分为灾前、灾中以及灾后三个时间段来阐述。3S技术在灾前的应用2.1 历史自然灾害统计分析主要是对历史自然灾害数据的统计、建库及分析。对历史自然灾害的研究，一是有助于更好的认识不同灾种自然灾害的发生机理、孕灾环境以及其对区域自然和社会经济等方面的影响；二是有助于从中吸取经历和教训，以史为鉴，防止将来灾害再次降临时产生不必要的损失[5]。GIS对空间数据有着很好的获取、管理、处理、分析以及显示能力，特别是诸如Geodatabase等功能强大的关系型数据库在GIS中的应用，使得GIS能够对复杂的空间数据及其属性数据进展管理和处理，而GIS的根本内涵在于可以将现实世界中的各种事物或过程及其之间的空间关系抽象成点、线、面之间的空间拓扑关系[4]，因此可以将历史自然灾害的孕灾环境、致灾因子、承灾体以及区域自然、社会、经济、人文等要素抽象成空间数据以及属性数据录入到GIS数据库中，在GIS中对其进展再现和相应的处理分析[6]。此外强大的空间分析功能也是GIS区别与其它信息系统的一个重要方面，诸如最常用的空间查询与量算、地统计分析、空间插值、趋势分析、缓冲区分析以及路径分析等，通过对历史自然灾害数据运用这些空间分析，可以从中获取深层次的经历和知识，并可以更加定量化的认识这些自然灾害。同时GIS也拥有很好的三维分析能力，通过对发生自然灾害的区域进展三维建模，并结合各项属性数据，可以将历史自然灾害更加直观生动的展现出来[7,8]。2.2 建立灾害预测模型3S技术在这方面的主要应用就是利用已有灾害数据建立相应的自然灾害模型并预测未来可能会发生自然灾害的区域或者几率[9]。随着对地观测技术的开展，现如今对一局部自然灾害已经可以进展提前预知和监测了，譬如台风、沙尘暴、洪涝等自然灾害，这些都可以通过卫星影像在其形成时便可进展实时的观测，其未知性及不确定性较小。但对于其余的自然灾害提前预知较为困难，并不能有效的对其进展提前预知和观测，往往其发生时便已造成了巨大的破坏，如地震、泥石流等。但这并不是说对这些自然灾害的发生完全不能预测，因为它们发生的不确定性中也伴随着很多确实定性，如孕灾环境、致灾因子、自然及社会环境等，当区域的这些确定性因素到达一定条件或者临界值时，相应的自然灾害便有很大的发生概率[10,11]。因此，完全可以利用这些确定性因素作为参数来建立灾害预测模型，以此来对可能会发生自然灾害的区域或者几率进展预测，起到提前预防的作用。2.3 风险脆弱性评估3S技术在风险脆弱性评估中的应用，主要是通过实地调查和收集数据，对区域的自然、社会、经济以及人口等环境因素进展评估，判断其发生自然灾害的风险如何，以及其面对自然灾害时的脆弱性程度，以此来发现区域在面对自然灾害时的薄弱环节并及时稳固加强[12]。通过RS以及GPS来获取区域地质、地貌以及环境等信息，结合实地调查数据，综合分析区域在面对自然灾害时的风险脆弱性，以此来为政府决策提供意见和支持。特别是对于泥石流、洪涝、山体滑坡、地震等自然灾害来说，事先对区域进展风险脆弱性评估尤为重要，因为这些自然灾害的孕灾环境或者说在什么样的环境中具有很强的破坏力等都是较为清晰的，譬如区域地质地貌、土壤类型、山体坡度、植被覆盖状况、建筑物质量、人员分布、排水系统等等，对包括这些因素的区域各方面环境进展彻底的评估排查，并利用GIS来制作区域自然灾害风险脆弱性专题图，可以为区域规划建立提供重要参考，防止灾害降临时造成重大人员伤亡及财产损失[13-15]。2.4 对地监测前面已经提到，通过RS等对地观测技术，可以对某些自然灾害进展提前预警以及实时监测，从而大大减少其对人们生命财产等的威胁，譬如台风、沙尘暴、森林及草原火灾等[16]。现在的气象卫星以及其它遥感卫星可以实现对地的全天候、实时、可重复性的观测，特别是对于像台风、森林草原火灾等易于观测且造成危害之前有一定时间段的自然灾害来说，这一应用可以及时发现灾情并疏散人员，极大的降低了灾害降临时的人员伤亡及财产损失[17-19]。此外也有一些应用是将传感器与GIS和GPS相结合来监测自然灾害的发生，如在森林中布置热传感器和GPS定位装置，将其与GIS相连接，那么一旦发生险情时，管理人员可以在第一时间通过GIS获知发生险情的位置等信息，为应对提供了珍贵的时间。3 3S技术在灾中的应用3.1 应急指挥与救援保障当诸如地震、泥石流、洪涝等自然灾害发生时，可能在很短的时间里便造成了很大的破坏，如房屋倒塌、道路损毁、通信和电力中断等，这给疏散和救援造成了诸多不便，特别当其破坏或影响的范围很大时尤为如此。而基于3S技术建立的灾区应急保障救援指挥系统那么可以为灾区的应急指挥和救援提供强有力的保障。这是一个综合性的系统，该系统可以通过RS或者航拍等获得灾区实时灾情影像，通过其判断灾情开展、受灾程度以及重灾区的位置，结合城镇及人口分布图、区域地质地貌环境等，快速制定救援路线和方案[20]。GPS可以用来定位空间位置，特别是对于国产“北斗〞导航卫星来说，其提供了短报文效劳，这对于深入灾区的救援人员来说，可以利用GPS及时的汇报灾情、呼叫救援、发送位置等。利用GIS结合实测灾情数据或者预先建立的灾害评估预测模型，可以对灾区的灾情开展、受灾分布、灾害实时评估、次生灾害预测等进展分析和判断，为下一步的救援决策提供支持[21]。此外，该系统还可以发挥灾情发布、物资调度等作用，总之，利用这样一种基于3S的综合应急指挥和救援保障系统，充分发挥3S技术各自的优点，可以在灾害发生时对受灾区的灾情进展全面的认识和分析，并提供及时的救援保障和决策方案，尽量减少了人员伤亡和财产损失[22]。3.2 收集和管理灾情数据收集灾害发生时的灾情数据有助于灾后评估之用，为后续的灾害研究提供真实可靠的数据。而灾害发生时的破坏性往往导致人员进出灾区会比拟困难，且伴有很大的危险性，所以人工收集灾情数据并不方便，这就要依靠RS和GPS技术等来实时获取大范围的灾情数据，并将其传回地面，通过GIS处理后存储在GIS数据库中，为灾后评估和研究提供原始资料。4 3S技术在灾后的应用4.1 灾后救援 灾中救援主要是受灾人员的紧急转移安置，而灾后救援主要是深入灾区发现并抢救来不及转移的受伤及失踪人员。特别是对于破坏程度较大的自然灾害来说，其对灾区的道路、电力、通信、建筑等可能会造成严重破坏，阻碍了救援人员及时准确的深入灾区内部，这使得灾区中的受灾人员得不到及时的医疗救护以及物资补给，错过了救援的黄金时期，增加了人员的伤亡。而利用3S技术那么可以在一定程度上提高灾后救援的时效性和准确性，利用遥感RS可以获取灾区实时影像，结合受灾之前的影像以及城镇、人口分布情况，迅速确定重灾区、次生灾害区以及高风险区等，合理安排救援人员、次序以及方式，同时可以结合GIS确定适宜的救灾路径，GPS可用于为深入灾区的救援人员导航以及呼叫援助[23,24]。总之，综合3S技术的优点，可以为制定灾后整体救援方案提供参考，提高了灾后救援的及时性、有效性和平安性等，为灾后救援提供了有力的保障。4.2 灾后评估在灾害发生后，需要及时的对灾害的各方面影响做一个全面的评估，如人员伤亡、受灾面积、经济损失、生态环境损失、区域地质地貌变化等，更重要的是需要评估受灾区在灾后的风险脆弱性、自然和生态环境变化以及发生其它次生灾害的可能性[25]。这里就可以借助RS和GPS等工具收集的灾区影像数据以及其它灾情数据，利用GIS对空间及属性数据强大的处理、分析和显示能力，绘制灾情开展图、受灾等级图、灾害损失图、区域风险图、次生灾害图等专题地图，用于对灾害进展评估并作为后续决策的参考，同时根据数据利用3S技术分析灾区的生态自然环境以及地质地貌受破坏情况，判断其未来重建或恢复的可能性及难度[26-29]。灾后评估是一项庞大的作业，且灾区复杂的环境使得人工作业并不理想，而3S技术对大范围区域的空间和属性数据的采集、处理、分析等能力却显得更加快速、准确。4.3 灾后规划与重建灾区的灾后重建是一个需要倍加严谨的课题，因为要考虑到诸方面的因素以及可行性，如需要考虑灾区的地质构造变化、生态环境变化、发生次生灾害的风险、地貌变化、再次面对灾害时的脆弱性程度、受灾人员的心理和情感等因素，综合各方面考虑后才能确定灾后重建的可行性[30]，然后再决定是原地重建？还是移址再建？如何选址？重建方案等…，而对于像地质构造、生态环境变化等因素来说，利用3S技术在灾后评估阶段就可以完成了，这里要做的是利用GIS技术根据这些评估得到的数据和结论，综合起来分析灾区重建的可行性、确定适宜的重建地址并规划合理的重建方案[30,31]。5 结语自然灾害作为一种自然现象是无可防止的，且其发生时往往会造成巨大的破坏，特别是对于像地震、泥石流、台风等灾害可能瞬间就会带来很大的人员伤亡和财产损失，同时也会对区域自然生态环境、社会经济等造成重要影响。而对自然灾害的研究有助于我们深入了解其形成机理、致灾因子、孕灾环境等，从而可以对照现实世界中的情况并及时发现灾害易发区以防止不必要的损失，也有助于我们了解如何防范这些自然灾害或者采取怎样的措施来降低灾害所带来的损失。随着科学技术的开展，现如今对自然灾害的预测、监测、防治、分析、建模等方法和技术不断提高，人们对自然灾害的认识也越来越透彻，如何应对自然灾害的方法也越来越完善。譬如对于像台风、雷电、沙尘暴、森林草原火灾等自然灾害，已经可以通过空间观测技术如遥感(RS)等对其从产生的那一刻起便进展实时的监测，甚至能对其运行的路线、强度、影响范围等做出预测，为人员转移和财产安置赢得了珍贵的时间，而建模方法和技术那么可用于对区域灾害风险的评估以及灾害预测。可以说科学技术的进步让自然灾害学的研究变得更加高效、快捷、精准，最关键的是降低了自然灾害所带来的人员伤亡以及财产损失。3S技术在现代自然灾害学研究中有着广泛而不可或缺的应用，正如前文所提到的，无论是在灾前、灾中还是灾后3S技术都发挥了其重要作用，促进了自然灾害学的开展和进步，加深了人们对自然灾害的认识，提高了人们对自然灾害的观测、模拟以及应变能力，在一定程度上帮助人们减轻了自然灾害的影响。因此可以说，现代自然灾害学的开展离不开3S技术的推动，3S技术的进步也离不开自然灾害学的应用，二者有着联系严密。当然，自然灾害学涉及的学科和领域颇多，3S技术也仅仅是其所采用的一种研究方法和手段，但不可否认的是，3S技术在当前及未来自然灾害学研究中的作用是不能无视的。参考文献：[1] 黄崇福.自然灾害根本定义的探讨[J].自然灾害学报，2021，05:41-50.[2] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社，2019.[3] 黄杏元，马劲松.地理信息系统概论[M].北京:高等教育出版社，2021.[4] 徐榕焓，徐士进，董少春.基于GIS的历史自然灾害数据库设计与实现[J].测绘科学，2021，01:85-88.[5] 周琼.云南历史灾害及其记录特点[J].云南师范大学学报(哲学社会科学版)，2021，06:17-30.[6] 楼少甫，查甫生，崔可锐.基于GIS的霍山县滑坡地质灾害统计分析[A].2021年全国工程地质学术大会论文集[C]，2021:5.[7] 吴宏，董金义，李瑞冬，张华伟，尚海龙，曾建军.三维可视化技术在舟曲县城区灾后重建泥石流防治工程中的应用[J].冰川冻土，2021，02:383-388.[8] 焦道振，谢荣安，杨贤伟.三维GIS平台的地面沉降地质灾害信息系统研究[J].测绘通报，2021，11:120-122.[9] 靖凤伟，杨永国，邓世赞，陈翔宇.洪水灾害模拟及评估[J].地理空间信息，2021，04:122-124.[10] 张桂荣.基于WEBGIS的滑坡灾害预测预报与风险管理[D].中国地质大学，2019.[11] 周伟，袁春，李江风.基于GIS的地质灾害预测——以清江流域为例[J].中国地质灾害与防治学报，2019，04:79-84.[12] 刘斌涛，陶和平，刘邵权，于慧.川滇黔接壤地区自然灾害危险度评价[J].地理研究，2021，02:225-236.[13] 邵步粉，蒋滔，姚林塔，吴启树.基于GIS的福建省高温灾害风险区划研究[A].第31届中国气象学会年会S4极端气候事件和灾害风险管理[C].气候变化与低碳开展委员会、国家气候中心:2021:7.[14] 蒋庆丰，游珍.基于GIS的南通市自然灾害风险区划[J].灾害学，2019，02:110-114.[15] 王莺，沙莎，王素萍，王劲松，姚玉璧.中国南方干旱灾害风险评估[A].第31届中国气象学会年会S5干旱灾害风险评估与防控[C].中国气象学会:2021:13.[16] 乌云德吉.基于GIS的草原火遥感监测与火险评估[D].内蒙古师范大学，2021.[17] 陈育峰，何建邦.遥感与地理信息系统一体化技术在重大自然灾害监测与评估中的应用[J].自然灾害学报，1995，04:16-22.[18] 王让会，卢新民.干旱区自然灾害监测预警系统的一般模式——以塔里木盆地为例[J].干旱区资源与环境，2019，04:64-68.[19] 李水旺，