防汛抗旱工作中地理信息系统的应用
由暴雨洪涝、干旱缺水引发的各类水旱灾害每年都造成人员伤亡和财产损失。构建现代化的防汛抗旱救灾体系, 提高区域防汛抗旱指挥决策水平已成为当前的一项迫切任务。
近年来, 国外一些发达国家把地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和通讯系统结合起来, 建成现代化的综合防洪救灾体系, 在城市暴雨洪水管理中发挥了很好的作用。在我国, 地理信息系统等空间技术在公共安全领域, 如卫生医疗、火灾、地震、交通、洪水管理等行业的防灾减灾中, 尤其是应急处置指挥方面的应用已有大量研究。目前,将地理信息系统应用于防汛抗旱指挥决策逐渐成为研究的热点, 在实际应用中为应急状态下的指挥调度、快速响应、联合行动提供及时、可靠的依据, 发挥了明显的效益。如山东聊城应用GIS技术建立了防汛抗旱多媒体信息管理系统。北京市防汛抗旱服务系统集成WEBGIS技术, 实现了对地理空间数据的操作, 提高了系统的表现能力, 为决策者提供了更直观的信息基于GIS技术, 浙江省水利厅完善了水利防灾信息系统, 通过建立数字地面模型库, 使全省的水利防汛决策管理更加科学化。
1 地理信息系统概述
地理信息系统(Geographic Information System)简称GIS, 是国际上近些年发展起来的一门新兴边缘科学, 涉及计算机科学、地理学、测量学、地图学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学等多门学科。它研究计算机技术与空间地理分布数据的结合, 通过一系列空间操作和分析, 为地球科学、环境科学等专业领域提供对规划、管理和决策有用的信息。
在计算机应用领域, 当前应用广泛的信息管理系统(MIS)能够将各种数据文本、图表、图像等录入计算机,建立各类数据库进行有效管理, 加快了信息检索、查询以及统计分析的速度, 提高了信息处理的便捷性和灵活性。但是, 大多专业领域的信息往往与具体的地理位置密切相关, 甚至有些信息必须与地理空间位置信息结合起来才能发挥效用。所以, 信息管理系统, 将专业属性数据与空间地理位置信息结合起来, 建立属性一地理信息数据库, 表达更加综合有效的信息, 才能满足专业领域的要求。地理信息系统正是利用现代计算机图形和数据库技术来输入、存储、编辑、查询、分析、显示和输出地理图形和属性数据的计算机系统。在相应的软件工具下, 它能对数值和图形作各种分析处理, 除了使信息本身及内在联系的表现方式更加直观外, 通过各种空间操作及不同种类信息的互操作, 能够输出高层次的综合表达信息, 提供信息管理和辅助决策服务。
完整的地理信息系统由部分组成。
(1)用户。专业领域中应用GIS进行信息管理和分析决策的管理人员和业务人员。
(2)硬件。包括计算机硬件系统及专业信息的采集、传输、转换等辅助设备。
(3)软件。包括计算机系统软件、地理信息系统软件工具、专业模型及其他相关的支撑软件。
(4)数据。专业领域各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。包括专业学科的应用需求、应用模型表达及数据收集与管理, 是构成GIS的核心内容, 也是进行信息服务、综合决策的前提。
综上所述, GIS是在计算机软、硬件基础上, 通过计算机把属性数据和空间数据组织成空间信息模型, 并对空间系统和过程从度量、逻辑和功能上进行模拟和仿真, 结合各种空间操作, 实现对各类信息的直观表达和综合管理。
2 防汛抗早信息管理及指挥决策
防汛抗旱工作关系到人民生命财产的安全, 要求最及时、最准确、最有效地获取天气、雨情、水情、险情、灾情和工情等各类信息, 为管理部门决策提供依据。在有限的时间单元内所需要的信息量大, 信息的分析处理要求高,是防汛抗旱工作面临的关键问题之一。因此, 实现防汛抗旱信息采集的自动化、指挥决策的现代化和科学化是提升防汛抗旱工作水平的重要途径。
2.1 防汛抗旱工作的主要特点
防汛抗旱工作在信息的表达、管理和分析等方面, 具有实时性、空间性、动态性、定量性和综合性等特点。
(1)实时性。水旱灾害的发生一般具有明显的历时过程, 从初始状态逐渐发展形成险情和灾情, 需要对相关信息、的实时监控。特别对于暴雨洪水引发的灾害, 从发布预警到应急响应, 进行指挥、调度、抢险、救灾等都需要对各类防汛信息的实时监测, 以确保指挥决策的科学有效。
(2)空间性。水旱灾害的发生、发展、影响都是在空间上分布的, 快速响应如指挥、调度、抢险、救灾也是在一定的空间范围内进行。因此空间特征是防汛抗旱工作的重要方面, 当应用GIS参与防汛抗旱的信息定位、队伍调集、物资调运和转移避险等辅助决策时, 应急指挥调度水平将会有很大改善。
(3)动态性。防汛抗旱工作的快速发展要求各种信息、规划、预案、措施和对策等不断地变化和趋于完善。在我国, 目前大多数省市还没有建立所辖区域的防汛抗旱基本信息库, 数据、图表、图像等信息往往以文档、报告和报表形式给出, 不能实现信息数据的动态管理, 一方面使用不便, 另一方面不能有效发挥作用。GIS的应用, 可以建立数据库系统, 实现数据的及时更新、存储和预测。
(4)定量性。在防汛抗旱指挥决策过程中需要大量的定量数据(如水位、流量、流速、产流系数等), 需要对突发暴雨洪水的空间区域进行仿真演算, 由于区域面积及属性的变化, 以往大多通过人工估算, 而应用GIS建立每个空间网格的空间和属性信息数据库, 划定不同的区域就可以进行相关分析和预测, 大大提高了决策的科学性。
(5)综合性。防汛抗旱与空间地域、人文景观密切相关, 涉及到城乡建设的许多方面, 灾害发生往往波及的范围广、影响面大, 并经常伴有各种次生灾害, 给水旱灾害的防护抢救工作带来更大的困难。应用GIS中的一些空间拓扑分析等, 可以很好地得到解决。
2.2 防汛抗旱信息管理
防汛抗旱的基本信息包括2种数据类型:图形数据和属性数据。信息管理工作主要是图形数据库和属性数据库的建立及有效结合。
2.2.1 图形数据
图形数据主要来自专题图的数字化, 主要有以下几类。
(1)多边形图。由一组线段相连所围成的闭合区域成为多边形区域, 由多组多边形区域组成的专题图称为多边形图。在GIS中, 把每一个多边形赋予一个标示码, 用于区分其他的多边形, 这样就可以惟一决定该多边形的几何构成及其专题属性值。如水库、湖泊的分布等。
(2)线状图。由一条条线段组成的专题图称为线状图。在GIS中, 每一条线段被赋予一个指称码, 用于区分其他的线段。用指称码可以惟一决定该线段的几何构成及其专题属性值。如河系分布等。
(3)点状图。由一个个独立的点组成的专题图称为点状图。在GIS中, 这些孤立的点称为结点, 它们在系统中被赋予不同的标示码, 用标示码可以惟一决定该线段的几何构成及其专题属性值。如泵站、立交桥、机闸、抢险队伍驻点等。
(4)光栅图。在GIS中还支持来自扫描仪的光栅图形,经过配淮可作为区域矢量图的背景或直接用于显示小比例地图中某一区域的细节内容。如防洪重点保护区等。
2.2.2 属性数据
属性数据是指与空间位置没有直接关系的其他各类数据。在GIS中, 其数据结构必须满足通用性的要求, 既保证数据使用方便、灵活, 还必须考虑数据组织冗余小、管理程度高、逻辑操作功能强等特点。防汛抗旱工作中涉及到的数据库, 种类繁多, 建库的工作量大, 实际操作时必须统筹考虑, 逐步实施。在建立数据库的过程中既要考虑用户管理的便捷, 还要充分考虑与图形数据的结合, 以提高数据信息的可用性。
(1)各类大中小型水库信息:包括名称、类型、级别、地址、隶属单位、建设年份、防洪标淮、库容、最大泄量、责任单位、责任人、联系电话。
(2)大江、大河信息:包括名称、类型、级别、所属流域(河系)、防洪标准、责任单位、责任人、联系电话。
(3)重要闸坝信息:包括名称、类型、防洪标准、建设年份、责任单位、责任人、联系电话。
(4)城区立交桥及雨水泵站信息:包括名称、地址、建设单位、建设年份、汇水面积、最大排量、责任单位、责任人、联系电话。
(5)防汛物资、队伍信息:包括名称、地址、级别、隶属单位、建设年份、保障能力、责任单位、责任人、联系电话。
(6)各级指挥部及相关单位信息:包括单位名称、地址、职责、指挥长、联系方式。
(7)防汛抗早预案及责任制信息:包括名称、编制单位、使用范围、启动条件、启动级别、职责单位、责任分工、重点部位责任单位、责任人、联系电话。
(8)防汛重点部位信息:包括名称、地址、隶属单位、责任单位、责任人、应急设施、联系电话。
(9)电话号码信息库:包括检索号、单位名称、地址、人员职务、电话类别。
(10)其他相关资料库:包括重要法律、法规、文件、办法、要求。
在GIS中, 将防汛抗早的各类图形及属性数据有效结合起来, 就构成了防汛抗旱指挥决策系统的空间数据结构, 是实现对防汛抗旱信息有效管理和高效指挥决策的主要依据。
2.3 防汛抗旱指挥决策
防汛抗旱指挥决策主要针对突发情况下或超标准情况下的水旱灾害而提出的应对措施和解决方案, 伴随于水旱灾害发生、发展、出现灾情、形成灾害、指挥调度、抢险救援、转移避险、灾后安置的整个过程。具有实时性、动态性的显著特征, 需要各种实地信息、数据、图像的实时采集和传输作为支撑。科学、快速的指挥决策还依赖于信息综合分析、处理的自动化和智能化。
利用防汛抗旱属性——空间数据库及GIS环境, 指挥员可以方便查询实地信息, 通过实时监控和信息采集系统, 可以了解最新情况运用GIS工具进行空间分析和模拟运算等, 可以获得专题信息, 从而提供有效的辅助决策。
3 地理信息系统在防汛抗旱指挥决策中的应用
地理信息系统应用于防汛抗旱信息管理与指挥决策服务, 主要概括如下:
(1)量算和统计。通过GIS应用软件, 可分别在一维、二维、三维空间里实现对各种研究对象的长度、面积、体积进行快速量算, 然后将各种信息汇集在一起, 通过系统的统计和分析, 获得一些特定问题的解决方案。如:实现对台风当前路径、预报路径、影响范围等信息的生成和动态演示, 结合有关历史数据和技术参数, 提供防台风、抗台风的决策支持。
(2)监测和预测。通过GIS的查询和检索功能, 可为决策者快速而准确提供系统的监测, 为科学的管理提供有力支持。应用数学模型、模拟算法可以实现对事物发展的预测。如:结合常规的洪水预报模型, 研究给定降水区域的产汇流机制、汇流过程和洪水的时空分布, 真实模拟洪水演进和淹没过程。
(3)规划和管理。GIS能够进行多要素的综合分析和管理, 提供专题空间信息。如:对区域地下水位、河道水位及雨情和水情等系统的实时数据与预测预报结果进行科学合理的分析, 及时生成防汛抗旱调度方案, 可以实现水资源的有效统筹与管理。
(4)辅助决策。GIS在其空间数据库支持下, 通过构建一系列决策模型, 并对这些决策模型进行比较分析, 为管理者提供科学的决策支持。如:可以利用洪水风险分析模型结合GIS进行灾前分析, 提供最优、最科学和最实用的防灾减灾方案, 也可以利用的网络分析功能确定救灾物资调配的最佳路径, 为受灾人员和财产的安全有效转移提供决策依据, 为防汛抢险提供快捷服务。
(5)向空间拓展。GIS的拓扑关系和空间分析功能也是其主要的应用之一。如:对快速采集来的洪涝灾害和洪水淹没情况进行空间分析与综合评价, 进行灾害统计和处置规划。
4 前景及展望
目前, 空间信急技术的发展, 已经大大丰富了GIS的功能, 遥感技术、全球定位技术、三维技术、专家系统等与GIS的结合使得在数据管理和数据共享、空间模型构造和分析、仿真模拟和智能演算等方面的研究逐步深入; 在系统平台的构建上, 基于INTERNET的WEBGIS使得用户通过浏览器能够在异地直接获得地理信息系统中的数据和功能, 提高了系统的应用水平, 表现出强大的发展潜力。在防汛抗旱信息管理及指挥决策系统中引入WEBGIS模式, 将防汛抗旱信息与空间信息有机地结合在一起, 以计算机网络为支撑、以数据仓库和数据挖掘技术为手段, 以水文、气象、通信、社会经济和空间地理信息为基础构成的防汛抗旱指挥系统将开创防汛抗旱信息化和现代化建设的新局面。
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