GIS新技术讲稿.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除GIS在地震灾害中的应用引 言随着社会的进步, 经济的发展, 政府部门及基层广大群众提高了对地质灾害的重视程度. 对政府而言, 它需要了解辖区内的地质灾害发生规律, 以便采取相应的防治措施; 对群众而言, 则关系到他们的切身利益, 他们需要知道灾害会不会发生, 需不需要搬迁等信息.突发环境事件，造成或者可能造成重大人员伤亡、重大财产损失和对全国或者某一地区的经济社会稳定、政治安定构成重大威胁和损害。我国当前正处在突发公共事件的高发时期。为此我们将GIS技术引进到地质灾害的处理当中来，建立了地质灾害区划研究数据库. 在建立数据库的基础上, 提取数据并采用GIS 方法分析数据, 为地质灾害区划研究提供直接的数据支持. 1976年7月28日，唐山市发生7.8级地震。地震的震中位置位于唐山市区。这是中国历史上一次罕见的城市地震灾害。顷刻之间，一个百万人口的城市化为一片瓦砾，人民生命财产及国家财产遭到惨重损失。北京市和天津市受到严重波及。地震破坏范围超过3万平方公里，有感范围广达14个省、市、自治区，相当于全国面积的三分之一。地震发生在深夜，市区80%的人来不及反应，被埋在瓦砾之下。极震区包括京山铁路南北两侧的47平方公里。区内所有的建筑物均几乎都荡然无存。一条长8公里、宽30米的地裂缝带，横切围墙、房屋和道路、水渠。震区及其周围地区，出现大量的裂缝带、喷水冒沙、井喷、重力崩塌、滚石、边坡崩塌、地滑、地基沉陷、岩溶洞陷落以及采空区坍塌等。地震共造成24.2万人死亡，16.4万人受重伤，仅唐山市区终身残废的就达1700多人；毁坏公产房屋1479万平方米，倒塌民房530万间；直接经济损失高达到54亿元。当今社会的灾害情况 我国当前正处在突发公共事件的高发时期。据新华网数据显示,中国每年因自然灾害、事故灾害和社会安全事件等突发公共事件造成的人员伤亡逾百万,经济损失高达6500 亿元,占中国GDP 总值的6% ,仅2004 年一年因突发事件造成的直接经济损失超过4500 亿元1。如何避免或减少突发环境事件给人们带来的各种损失已经成为了人们的研究热点。 gis的介绍 及其发展 地理信息系统（简称GIS）是在计算机软、硬件支持下对各种地理空间信息进行采集、储存检索、综合分析和可视化表达的信息处理和管理系统，它是集计算机学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学和现代通讯技术为一体的一门新兴边缘学科。虽然GIS 是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化以及空间分析23。GIS在地震灾害中的具体应用1.1 地震区域信息管理 要想获取地震区域的信息，首先要进行各种数据采集，但灾区信息数据采集的工作量大、范围广，而且数据一直处在变动之中，如果人工作业，则是很难满足数据采集工作需要的，但利用RS 却可以解决这个问题。GIS 可以将RS 采集的海量数据输入到计算机系统中以建立地理空间数据库，通过该数据库就可以完成对各种信息的查询、修改、提取和分析等6管理工作。通常情况下所要获取的地震区域的信息包括基础地理资料、社会经济资料、地震基础数据、工程地震资料、灾害影响背景、灾害相关因素、救灾力量储备资料、震时紧急联络资料、地震应急预案和法规等内容。总而言之，就是利用RS 技术获取高分辨遥感数据为GIS 提供高质量的空间数据，而GIS 则为处理和分析这些空间数据提供了一个良好的平台，同时可以有效提升RS 图片的信息获取能力7，从而使建立起来的地震区域的地理空间数据库成为地震预报、抗震救灾、灾情评估和灾后重建的基础。1.2 地震灾害预报 地震灾害的预报可以分为宏观和微观两个方面。宏观地震预报主要是指地震易发程度分区，而微观地震预报是指对某一地区的地震预报。地震易发程度分区主要是通过GIS 强大的空间数据库管理与空间分析模型方面的功能来完成的，首先，依据我国5 大地震易发区、24 个地震带的地质条件、地表状况、气候因素、水文条件、历史灾情、地热等因素进行易发程度分区赋值，再求出地震发生的敏感系数,将各因子图层进行基于GIS 空间分析的图层叠加,最后将叠加后的图层属性进行加权综合,得出综合易发程度值,进行易发程度计算机自动化分区。宏观上将全国分为频震强震地区、高震区、弱震区、稳定区,为抗震救灾提供技术、资金、人员、物资分配依据,避免两者之间的不匹配。微观地震预报就是判断一个地区是否要发生地震，以及地震发生的时间、地点、强度、可能引起的次生灾害，因此微观地震预报有较高的难度。地震预报的思路是将GIS 技术与信息量模型结合起来，利用GIS 能够存储、处理、分析、计算和成图显示空间数据的优势进行数学建模，对多因子定量模拟分析和对因子间相互定量关系研究，进而仿真模拟以实现对地震的预报。 目前,进行地震预报的主要依据还是各种地震前兆,专家们根据发生的各种现象及经验进行地震预报。如果由计算机来进行数据的自动采集、异常的自动判别,然后再根据地理信息系统提供的丰富信息进行地震预测,可以更客观、更系统地进行推理和智能决策。地震预报智能决策支持系统预报智能决策支持系统主要由信息库和各种处理子系统组成参数综合前兆观测数据地震数据证据知识参数证据获取子系推理与预报子系统学习子系1. 2. 1综合前兆观测数据库 为了进行地震预报,在全国设立了各种地震前兆观测台站,如地磁、地电、地形变、地应力、地下水位及地下水化学成分等观测台站,将这些观测台站日夜不停记录的观测数据及有关仪器参数按统一的格式存入数据库中。另外,将其他与地震有关的数据,如地热及天文观测数据等,经整理后也存入该数据库中。1. 2. 2参数库对于各种观测数据,经数据处理后可以得到各种物理量,这些物理量对于地震异常的定义是各不相同的。参数库中存放每一个具体观测项目的每一个物理量的异常定义,其中包括观测项目、物理量名称、处理方法、异常类型、异常阈值及异常持续时间等。1. 2. 3地震数据库 该数据库存放每次地震的有关参数,如地震发生的地点、时间、震级大小等,每次地震发生后该数据库就增加一条记录。1. 2. 4证据库 证据库存放各种地震异常信息,它包括异常类型、始末时间、异常值、可信度、来源等,它可以由证据获取子系统自动形成,或者通过数据库管理子系统将那些无法由证据获取子系统获取的地震异常信息输入到证据库中。1. 2. 5知识库 知识库存放地震预报专家们的经验,目前我们采用“规则”或“规则/框架”的方法来存放有关知识。1. 2. 6预报意见库 预报意见库用来存放推理结果,它可以通过推理子系统自动形成,也可以把某些地震预报专家的书面意见通过数据库管理子系统存入本库。其中存储的内容包括预报的地区、震级大小、预报人(或某预报系统)及预报时间等,同时还包括推理结果中的各种分布图。1. 2. 7证据获取子系统 它对观测数据进行各种处理,然后根据参数库提供的信息对处理结果进行判别,确定是否有异常,如果发现异常,那么把异常有关信息存入证据库。1. 2. 8学习子系统 学习子系统根据证据库中的异常信息及地震数据库中的地震记录寻找二者之间的关系。目前主要采用3种方法:模糊联想记忆FAM ( Fuzzy AssociativeMemory)的学习方法; BP神经网络学习算法(即反向传播算法) ;由专家指定特定的有序前兆现象,然后统计其与地震的对应概率,将概率高的规律作为知识存放在知识库中。1. 2. 9推理子系统 推理子系统根据知识库中每条经验所需的条件,到证据库中去寻找,也就是将知识库与证据库进行匹配,如果匹配成功,那么发生地震的结论就成立。在匹配中要判定时间顺序。地震预报的经验不是一条,而是几十条甚至几百条,因此对于同时匹配成功的结论,必须进行空间、时间和强度3维空间的合成。在每一维空间中,将它们分成若干个小单元,然后把发震信度平均分配到每一个小单元中。对于每一个单元,如果有多条结论重叠,那么用MYCIN不精确推理的算法将其合成。对这些经验之间的相关性问题,可根据相关系数进行校正。1. 2. 10数据库管理子系统 数据库管理子系统对所用到的各种数据进行统一的管理,如数据记录的录入、删除、修改、转储及报表打印等。地震预报系统将人的经验形式化后存入知识库中,同时把有关的数据或异常信息存入数据库中,然后进行推理,它所得出的结论基本上与人的综合结果是一致的,但它更直观,更定量化一些。1.3 抗震救灾地震发生时，可以利用RS 快速地获取灾区的现场图片，然后从这些高分辨遥感影像中通过目视判读能够清楚地分辨出抗震救灾工作的要点，同时，与DEM（数字高程模型）叠加，可以控制次生灾害12。而GIS 技术可以通过遥感技术建立抗震救灾地理信息系统，通过空间数据引擎和成熟的关系型数据集成实现各种震害信息的高校组织、管理和存贮13,同时通过GIS 特有的空间分析和行业地学分析方法研究震害，以便确定可能的进入线路、蕴藏的灾害、灾情预测、救援规模、灾民撤离路线、临时安置点的确定，避免出现一些灾区因救援时间迟到、救援力量不足扩大灾情。1.4 灾情评估对于灾情评估，只要将灾害前后RS 影响解译以及GIS 技术建立起来的数据库对比分析就可以综合评估灾害造成的人员伤亡、财产损失，这远比人工统计速度快、误差小。一般说来地震灾情评估时要综合考虑地质构造等各种信息的空间分布，可以分为四个步骤：2. 1 估计地表震动灾害需要识别地震源点,然后建立在该点发生地震以及地震波传播的模型,最后根据地表的土壤条件得到最终的震动强度。2. 2 估计次生的地震灾害次生的地震灾害包括液化(Liquefaction) 、滑坡、断裂等,评估这些灾害需要收集相应区域的地质构造信息,计算地表运动的强度和持续时间以及在以前的地震发生过程中这些灾害发生的情况。2. 3 估计对于建筑物的损害需要收集地震区域内建筑和生命线工程的分布状况,然后对每种建筑建立损害模型,该模型是一个函数,与地表震动强度以及潜在的次要灾害有关。2. 4 估计可以用金钱衡量和不可以用金钱衡量的损失可以用金钱衡量的损失包括受损建筑的修复和重建,而不可以用金钱衡量的损失包括人员伤亡。估算这些损失需要相应的社会经济信息,此外,清除垃圾和重新安置费用、失业、灾害对人的精神影响以及其他的长期或短期的影响,需要建立不同的模型,分别加以确定。图2地震损失评估图 第一步 地表震动损失估计 第二步 次生灾害损失估计 第三步 建筑损失估计 第四步金钱和非金钱的损失 地震波传 播模型 地震发 生模型震源空间分布当地土壤条件建筑物数据库 社会经济信息数据库地表运动放大模型此生地震损害模型 建筑物损害模型金钱损失非金钱损失1.5 灾后恢复重建RS 可以比较宏观地规划灾后重建，为指挥、决策等工作提供直观的信息。运用RS 可以综合考虑地质基础、地貌条件、交通、河流、经济基础、行政管理等多种因素，从而提高效率，增强科学性。运用GIS 建立起来的数据库，在结合灾区现状，就可以科学选定新址以及建设规模。同时利用新旧信息的对比分析，就可以在灾区恢复生产中明确经济分区与经济发展方向14。应注意问题数据信息标准化研究规划管理信息系统是以数据和数据流的方式存在的,图文数据库中的海量数据和支持系统运转的数据流是信息系统生存的基础。数据规范、编码规范是系统规范化的重要组成,应在系统建设初期重点考虑。数据信息标准化研究是系统建设的极为重要的基础工作之一。它直接影响到系统内部数据交换,因此,我们参照相关国家及地方性规范,结合实际规划业务运作情况,制定了信息系统数据规范和标准化编码。GIS与专家系统的集成应用 GIS与专家系统的集成应用中，GIS所起的作用主要是管理时空数据，进行空间分析；专家系统所起的主要作用是利用专家知识和空间目标的事实推理判定灾害的危险度22。二者的结合将使专家经验得到推广，减少野外和室内手工作业工作量，使区域地质灾害的动态管理成为可能。四 、结 语地震研究 、预测 、预报 、抗震 、减灾 、救灾需要建立国产化地震地理信息系统 ,地震地理 信息系统应具备实时性 、多维性 、时态性 。地震地理信息系统与多媒体技术 、专家系统 、空 间定位系统 、雷达干涉测量技术 、遥感有机结合 ,是地震研究的迫切要求 。地震预报是一个世界性难题,用GIS结合人工智能方法研究地震问题仍是一项探索性工作,需要不断摸索和研究。利用GIS可以预测地震发生的“场景”并估计该区域由于地震引发的潜在损失。GIS也提供了有力的工具使得在地震实际发生时,可以分析灾害严重程度的空间分布,帮助政府分配紧急响应资源。随着科学技术和地理信息系统的不断发展,地震预报、地震灾害和损失的估计等方面的知识会不断丰富的。1 赵士林.突发事件与媒体报道M.上海：复旦大学出版社,2006.2 张超,陈丙咸,邬伦.地理信息系统M.北京：高等教育出版社,1995.3 黄杏元.地理信息系统概论M.北京：高等教育出版社,2001.4 叶树华,任志远.遥感概论M .西安：陕西科学技术出版社,1993.5 李德仁，陈晓玲，蔡晓斌.空间技术应用于汶川地震救灾J.遥感学报，2008，12（6）：841-851.6 杨显明，白林波，王民华，等（et al）.3S 技术在防减地震灾害的应用J.陕西理工学院学报（自然科学版），2009，25（3）：77-81.7 周彬，杨柳，谢滔滔，等（et al）.遥感数据和地理信息系统在地震数据采集中的应用J.地质与勘探，2009，29（10）：31-34.8 宋青春,张振春.地质学基础M.北京：高等教育出版社, 1978.9 赵济,陈传康.中国地理M .北京：高等教育出版社, 1999.10 张勇,陈正阳.从汶川大地震看空间信息技术在震后救灾中的应用 J .测绘与空间地理信息, 2008, 31（5） ：141144.11 刘长英，万广欣，徐雷.GIS 在地震预报、地震灾害和损失估计中的应用J.测绘与空间地理信息，2009,32（3）：159-161.12 张瑜，黄曦涛.RS 和GIS 技术在地震灾害中的应用J.安徽农业科学，2009，37（30）：14760-14763.13 安荣,贾海峰,易善桢,等（et al）. 地理信息系统应用指南M. 北京:清华大学出版社, 2003.14 李大勇. 遥感技术在新农村规划中的应用 J . 科技创新导报, 2008, 29 （10）：126.15 徐冠华,等（et al）. 遥感信息科学的进展和展望 J . 地理学报,1996, 51 （5）： 397 - 406.16 乔瑞波，李仁杰，郭风华.RS GIS 在防汛指挥决策中的应用J.邢台学院学报，2006,21（4）：83-85.17 乔瑞波. 旱涝灾害预测、监测的三维动态显示技术 J . 邢台学院学报. 2004, （4）：75 - 77.18 房颖.地理信息系统（GIS）在水利信息化建设中的应用综述J.吉林水利，2005，（6）：39-40.19 黎明明.基于GIS 的防汛减灾系统在