地理信息系统一体化技术在重大自然灾害监测与评估中.pdf

卷 期 年 月 自然灾害 学报 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 陈育峰何建邦 中国科学院地理研究所资源与环境信息系统国家重点实验室 北京 摘要 本文结合国家 八五 科技攻关的实例 阐述了遥感和地理信息系统技术在重大 突发性自然灾害监测与评估中的作用和 良好效益 并提出今后着重的三个方向 建 立国家自然灾害监测与评沽中心 解决关键性的技术问题 牢固树立用户观点 主题词 自然灾害 遥感地理信息系统灾害评估灾害监测 中国图书分类号 引言 我国是一个自然灾害种类多 发生频繁 损害严重的国家 如何应用遥感 地理信息系 统 和计算机技术 对重大自然灾害进行监测与评估 为政府和有关专业部门提供及时 准确和可靠的数据 使防灾救灾决策有充分的科学依据 是国民经济建设中的重大问题 国 家把应用遥感和地理信息系统技术对重大自然灾害进行监测并建立评估系统作为 八五 计 划的重点攻关课题 我们经过四至五年的研究和实践 开发出一整套遥感和地理信息系统一 体化实用技术 并初步形成了一个具有运行能力的重大自然灾害监测与评估集成系统 护 技术特点 遥感与 一体化是 年代以来遥感和 发展的共同趋势 应用遥感和地理信息 系统一体化技术结合地学汤于究进行重大自然灾害监测与评估的特点主要显现在快速 几小时 内作出反应 月 时取得灾情评估初步结果 周取得灾情评估详细结果 机动 全天时 全天候及任意士叫区作业 准确 高分辨率 定位 定性及定量结合 可靠 实现 应急和常规运行任务 和集成 灵活地适应不同应用目标和任务需求 当然 由于种种原 因和理 由 在实际的重大自然灾害监测与评估运行中 要使上述特点完美地展现出来还确实 存在着各种各样的困难 但经过 年的研究和实践 正逐步接近上述目标 遥感和 一体化技术是一个复杂的系统工程 基本上由遥感技术系统和 技术系统 两部分组成 不但有很好的界面 并且互相渗透 形成一体 例如 在灾害应急反应中 当 接到应急行动指令后 首先查询 中已储备好的信息可以使遥感活动有的放矢 而作为 也已具有了对遥感数据进行后期加工处理的能力 这样使整个监测和评估工作在技术性 国家 八五 科技重点攻关项目 一 一 课题成果 期 陈育峰等 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 更强 集成度更高的一体化系统上进行 提高了工作的主动性和效率 试验研究 以下是近几年所进行的试验研究举例 洪水灾鲁 年 月 针对太湖流域 约 万 严重洪涝灾害 综合运用 航空 雷达模拟图像和地理信息系统技术 用三周的时间 快速建立区域灾情评估系统 完成了洪 水淹没面积的测算以及对社会经济损失的估算 并经实地验证 提供给业务和领导部门使用 年 月 在洞庭湖常德地区 约 万 洪水泛滥期间 在遥感和 一体化 技术支持下 辅以目视判读的方法 在取得遥感实况信息后的 一 天 内便初步提出了淹没范 围分布图和淹没土地类型的数量指标 比当地对洪灾的估计有较大的缩减 年 月 针对福建省闽江流域的三明市 宁化 永安等地严重的山洪灾害 应用 数据 万地形图 万土地利用现状图 数字地面模型 和其 它资料 根据地学和灾害学规律 在地理信息系统的支持下 在 小时内对全省山洪灾害作 出宏观评估 并在一周内完成了对三明 宁化 沙县 永安 清流 大田等重灾区的较详细 评估 向民政部门提供了有关灾害背景 灾害分布的图件 以及灾区各县的主要淹没土地利 用类型的数量指标和受灾人口与房屋的估算 年 月 在广东和广西的西江 北江流域实施了洪水应急反应活动 详见下文 旱灾 年黄淮海平原大面积春旱 应 民政部门的要求 一 项目组织有关科技人员 应 用己建立起的干旱灾害遥感与 一体化监测与评估系统进行了监测评估 分别利用多时相 的 数据 结合模型分析 编制了黄淮海平原旱情分布图 提供了以县为单元 的不 同旱情等级所占耕地面积的比例及受旱面积数据 林火 年冬至 年春 应用已建立起来的林火监测润叫 古系统 主要利用 信息和 人工神经网络与专家系统的方法 在东北 内蒙古 特别是云 贵 川西南重点林区进行了 成功的林火识别和灾情趋势模拟的试验运行工作 此外 在地震灾害的历史反演模拟 松毛虫害的遥感和 方 法的识别与预报 雪灾的 识别模型建立和沙漠化的趋势分析上也都作了大量的试验与运行工作 取得了很多进展 运行实例 工作简况 由于连降大暴雨和台风的影响 广东省在 年 月中下旬和 月下旬发生 了两次特 大的洪水灾害 受灾面积广大 损朱严重 对经济的持续高速发展和人民的生命财产造成很 大损害 最近一次洪灾主要集中于西江流域和北江流域 高峰出现在 月 日 日期间 中国科学院于 月 日和广东省人 民政府联系 应用遥感和地理信息系统一体化技术为防 自然灾害学报 卷 灾救灾提供科学依据 广东省人 民政府积极支持中国科学院的工作 并指定省防汛 防旱 防 风指挥部和省办公厅秘书处与中国科学院赴广东工作人员协同合作 中国科学院遥感专用飞机 奖状 型 和科研人员于 月 日赶赴佛山沙堤机场 护 从 月 日至 日对西江流域下游 北江流域中下游 珠江三角洲和广西西江流域梧州至 桂平段实施了合成孔径侧视雷达航空遥感飞行 飞行面积共约 万 取得了反映大面 积洪水实况的数据和影像 并对部分灾区进行了野外实况调研 与此同时 中科院在京各有 关研究所协作进行了大量数据的回放处理 影像制图和信息系统评估等工作 飞行和野外实 况资料于 月 日全部到达北京后 经过继续分析处理 灾情评估工作于 月 日告一段落 月 日 一 项目的有关领导和科研人员在广州向广东省主要领导同志作了汇报 广东省 三防 提出的有关技术指标 编制飞行区的雷达图像镶嵌图 主要反映全省洪灾的总体情况 编制本区常水位的 遥感影像镶嵌图 供对比分析使用 对洪水灾害损失的评估 如受灾 淹没范围 受灾范围内的主要土地利用分类 并 尽可能推导出房屋和人口的受灾状况 应用有关资料分析河道行洪障碍状况 范围主要为西江肇庆 高要以下 北江芦苞 以下及珠江三角洲河网区 技术路线 根据遥感和地理信息系统一体化技术在洪水监测与例古中所能发挥的优点和特点 针对 航空遥感 卫 任 人 傲据处理 俘估与分析一 留达影像图 处理与信息提取 雷达图像分析 尖兵卫虽图像 分析 影像图 淹没范围图 地利用图 蓦本地图 艳艳入建库库 形形像制图 图 行洪障碍分析 淹没损失估算 人口受捆分析 洪水实况资料 到别知识 杜经数据 墓本地形图索引 影像索弓 分县社经统计 县级行政界线 万 万水系图 干 下匕 匕 野外实侧调研 综合荃础教据库 砰甲 令 图 东省 年 月洪水应急评估技术流程 期 陈育峰等 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 广东省 三防 提出的应用要求 采取了图 所示的技术流程 在这个技术方案中将遥感和 充分融为一体 尽可能地减少了数据传输和处理的中间环节 取得了良好的应用效果 主要工作内容和有关结果 合成孔径侧视雷达的航空遥感飞行 获取洪水信息 编制雷达影像镶嵌 图 由于雷达遥感具有全天候和对水体界线反映清晰等特点 因此在洪水监测方面 特别是 发灾期间多被采用 本次遥感飞行全部采用国内自行研制的传感器件并首次以数字形式作为 信息记录方式 在工作站计算机系统的支持下对全部飞行区的雷达信息进行了回放处理 生 成可供洪水淹没分析的雷达影像 并编制了全飞行区 万雷达影像镶嵌图 供分析洪灾 总体状况使用 编制 形像图 提供本底信息 使用美国 数字 图像 编制了全飞行区 万卫星影像镶嵌图 因其时相 分别为 一 一 一 一 一 一 故而反映出了西江 北江流域枯水位时的景观 状态 这为了解本区状况 特别是作为洪水分析的本底资料 提供了丰富的信息 洪水淹没范围和损失的初步评估 应用本次飞行的雷达影像 图像 基本地形图 土地利用图 数字地面模型以及洪水 水位水情等实况资料 在 系统支持下 进行洪水淹没范围 淹没的土地类型和空间分布 作了较详细评估 通过实际调研和模型推导 估算了受淹人口和房屋的数量 为救灾保险提 供了有用的信息 行洪障碍的初步分析 应用本次雷达影像 图像 加拿大 波段雷达图像和中国尖兵甲卫星 图像 并结合部分地面资料 在遥感和 一体化技术的支持下对北江清远以下 西江封开 以下及珠江三角洲地区的行洪障碍划分为两种类别 十二个类型 初步确定了每一个行洪障 碍的类型 计算其而积 并绘制成图 问题与建议 毋庸置疑 遥感和地理信息系统一体化技术在重大自然灾害监测与评估中 特别是对突 发性重大自然灾害的快速反应有着不可替代的重要作用 但要充分发挥和发展其独特的优 势 还必须解决一系列 目前尚存的体制 技术和认识问题 建立国家自然灾害监测与评估中心 现有研究体制难以形成对重大自然灾害的综合监测与评估能力 建立国家自然灾害监测 与评估中心已刻不容缓 条块分割是难以形成对重大自然灾害综合监测与评估能力的主要原时 我国许多产 业部门 高等院校 科研机构以及地方政府都为本领域 本区域的灾害监测评估设立了相应 的专门机构 如遥感中心 分析预报中心 数据处理中心等 它们一般都有比较系统和完整 的技术设备和专业技术人员 专门从事防灾和救灾的研究和实践 成绩是非常显著的 但是 这些机构多侧重于一个灾种 或一个灾种 的某些侧面 或本辖区内若干灾种的研究和防治 并不担负从综合的角度为国家提供监测评估结果的任务 然而对一个灾种多 灾害发生频繁 自然灾害学报 卷 的国家 从综合的角度来把握灾情的详细情况是十分必需和重要的 具有对重大自然灾害监测与评估能力的快速运行系统已见雏型 若不继续投入加以 维护和更新 不仅使众多科技工作者的辛勤劳动难以转化为能持久发挥效益的现实的社会生 产力 而且也将使我国在自然灾害监测与评估领域失去国际竞争的能力 通过 八五 重点攻关 现已建立起一支从事重大自然灾害遥感监测与评估的专业 队伍 这支队伍专门从事利用遥感与地理信息系统一体化技术进行重大自然灾害监测与例占的研究 和实践 最近四年已取得了不少技术进步 但由于经费支持强度和组织结构的限制 目前尚 不能成为一个独立的业务运行系统 这里有技术方面的问题 但更主要是体制上的问题 目前在遥感与 一体化技术中仍存在着一些亚待解决的关键技术问题 只有突破这 些技术关键 才有可能建立一个具有运行能力的重大自然灾害监测评估系统 地图信息的快速输入与建库 大量的与自然灾害有关的地理本底信息都表嘿在地图上 因此地图信息的快速输入与建 库是遥感和地理信息系统一体化技术对大面积突发性自然灾害作出快速反应的关键技术之 一 目前已初步商业化的地图快速输入系统 如微机版的 工作站版的 一 等都已研制成功 并开始发挥出良好的社会效益 但由于与自然灾害有关 的图件内容的复杂性 信息的丰富性和图斑结构的多样性 使得这些图件的快速输入结果尚 不能令人满意 目前的突出问题是扫描输入矢量化过程加快了 但后期编辑修改和附属性的 工作量依然巨大 从而在一定程度上影响了遥感与 一体化技术快速能力的发挥 不同信息源数抚粕勺 精确配准 遥感与 一体化技术之所以具有对自然灾害监测与评估的综合能力 主要原因之一是 它可以利用各种不同信息源的数据 这样 将不同信息源数据在空间上准确地配准就成为一 个巫待解决的关键技术问题 在现行的多信息源空间配准过程中 如果撇开操作者工作不认 真 控制点的选取有误等主观因素不谈 所采用的以最小二乘法为基础的数学方法本身也是 不合适的 因为最小二乘法的理论基础是将误差分担于所有控制点之上而使总误差最小 这 样 无论再采取何种剔除粗差点的方法 每个控制点地理坐标的计算倒各 始终与其实际值之 间保持着误差关系 无疑这种配准不能认为是准确的 最小二乘法的无抗差性现已被数学家 们所证明 多源空间信息配准较理想的数学方法应该是具有抗差性的 即每个控制点只应 分担其 自身的误差 这样就很容易把握和认识不同信息源空间配准的精度 并做出调整 从 而有助于提高遥感与 一体化技术在重大自然灾害监测与评估中的准确性和科学性 基础数据库的积累与科学储备 重大自然灾害的发生和发展 在空间 时间和程度类型上都具有不确定性 复杂性和多 样性的特点 因此遥感和地理信息系统一体化若要真正实现对重大自然灾害监测评估的快速 反应 建立柏应规模的基础数据库是整个工作中不可缺少的重要一环 目前在建设基础数 据库过程中主要存在两个方面问题 第一 基础数据库建设是人力 财力和时间资源高额投 入而又在短期内难见效益的系统工程 如何组织 协调并制定出统一的技术标准和规范是首 先需要解决的 第二 图件空间精度的选择 地图比例尺的不同 代表着所含空间信息量的 差异 重大自然灾害监测评估白勺快速反应是以时间为严格标尺 分粗评和细评两个阶段的类 似于军事化的科研活动 这就是说 比例尺过大则会造成数据量大 处理时间长 难以保证 期 陈育峰等 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 快速反应的时间性 不能满足用户领导部门对灾害事件做出迅速决策的需要 而比例尺过小 则可能导致评估结果过于粗范 从而也难以符合应用部门准确决策的要求 灾害损失估算模型的建立和完善 自然过程可简单分为灾害过程和非灾害过程 其标准就在于其是否对人类的自身生产 社会生活和经济活动造成影响 因此对一次重大自然灾害所造成的损失 特别是对人口 房 屋等关系国计民生的重要指标做出快速准确的推判 始终是遥感和 矛一体化技术应用于自 然灾害监测评估中必须实现的目标 这也是验证一个系统是否具有业务运行能力并成为社会 现实生产力的主要指标之一 目前灾害损失估算采用的是以统计或模彻推判为主的方法 其 结果还不甚令人满意 而比较理想的模型应该是将遥感的光谱信息 愧没区社会经济人口 的 历史信息以及淹没区现实土地资源损失信息融为一体的层次化的蕴合模型 当然 要完成这 样一种模型的设计和组构 还需进一步开展大量的典型试验 饭 适用技术的选择 奢 从硬环境的角度讲 遥感与 一体化技术中星 机 载传感器 地面接收系统 计算 机软硬件 地理信息系统软件等所具有的高科技性质和高价值 高价格特尹 程的高费用 因此 对于某一次灾害事件 根据其灾害的空间 时间 过程和 特征 迅速确定适用的技术组合也是实现遥感与 巧一体化技术高效 快速 定了其运行过 类型等方面的 准确等特点的 重要前提 例如 在 年 月 日福建闽江流域洪水灾害应急 平沽行动中 根据这次 洪水属于上游暴雨山洪性质 淹没区上空晴时多 洪水过程短 涨水退水决等特点 采用了 在 的全面支持下 以 年 月 日和 月 日的 数据作为判别山洪范围的主 要依据 应用 一 年 数据编制 万土地利用图 充分利角 复盖 匹配和 综合分析技术来获得重点受灾区有关空间分布图和相应数量指标的技术方法 收到了良好的 效果 而在 年 月 日一 日广东省洪水灾害应急评估行动中 根据降雨和洪水过 程长 淹没区上空阴云密布 涨水快而退水慢等特点 针对广东省 三防 提出的具体任务 目标采用了以机载合成孔径侧视雷达为淹没信息获取源 应用 一 年 数据编 制 万土地利用图 然后在 技术支持下获得淹没区土地利用 河道行洪障碍等关键 性任务指标的技术方法 也收到了很好的效果 随着社会主义市场经济秩序的建立 遥感与地理信息系统一体化技术应走出实验室 投身到减灾防灾建设的主战场 在应用中求生存 求发展 投身主战场 寻找新生长点 事实已经证明 遥感和 不是理论设想 而是实用型技术 是现实生产力 它们的发 展不是面对深奥的理论 而是要去切实地解决从环境中来 从经济中来 从社会中来的诸多 又 留题 只有投身到环境 经济 社会持续发展这个主战场中 我们这个事业才具有深扎于肥 沃土地中的根 才能茁壮成长 用户的需要是事业发展的根本 我国的遥感和地理信息系统一体化技术是在 六五 七五 八五 期间国家全力投 防清峰 福建省洲 洪水灾害 平沽工作简介 遥感快讯 期 自然灾害学报 卷 入和扶持的条件下发展起来 并取得了令人瞩目的成就 现已初步形成了遥感和地理信息系 统产业 然而 许多国内外科学事业和产业的发展历程却都证明 在市场经济形势下 科学 的事业和产业若要一味地依靠国家的经济扶持 是难以保持长足发展的 遥感与地理信息系 统一体化技术要想继续开创一片新天地 就必须走出实验室 进入大市场 在市场竞争中 自 觉地寻找用户 求得自 我生存 自我发展 诚然 走入市场 面对用户 我们或许会遇到许 多棘手而难解的问题门叠玄正是我们事业蓬勃发展的良好契机 同所有的经济活动一样 作 为社会现实生产力的遥感和地理信息系统事业和产业在其发展过程中 也必须洛守同样的信 条 用户的需要是缈发展的根本 参考文 献 傅肃性 地理信息系统及井与遥感一体化的发展 地理信息系统学术讨论会论文集 中国科学技术发展甚金会出版 北京 l 4 何建邦等 重大 自测评价应急技术方案 重大自然灾害遥感监测与谓占研究进展 北京 中国科学技术出版社 1 993 3 15 黄幼术 陈育峰等 北京 测绘出版社 1990 7 0 7 6 为减灾宏观决策服务 中国减灾 199刁 4 3 55 56 1995 年6月26日收稿 AP P L Y IN G INT EGRAT EDT EC H NOLOG Y OF R E M O T E SENS IN GA N DGEO G R AP H IC AL INF O R M AT IONS Y ST E M INTHE M ONIT ORING A N D E VAL UAT ION OF M AJO RN ATURA LDIS A S TER S C h StatekeyLab en Y u f e n gH e Ji an b an g o fR e s o t l r e e san d E n v i r on m e nt I n f o r m at i o n S羚tem Insti ture of Geo sraPhy Chi n ese A c a d e m y o f S e i e n c e s B e i j i n g ABgIRAC T By m eans o f t h e c a s e o f the E i g hth 一 Fi