自然災害研究中遙感與地理信息系統的應用

文／盛新華 山東正元航空遙感技術有限公司 山東濟南 250000

引言：

1、自然災害、遙感與地理信息系統概述

1.1 自然災害

地質災害內涵包括多個方面，包含致災的動力條件和災害事件的后果，自然災害會產生大量的危害，造成人類生命、財產各方面的威脅，對人類社會產生嚴重的損失。我國是自然災害頻繁發生的國家，也是世界上災害嚴重、受災歷史最早以及災害種類最多國家之一。各種各樣自然災害的產生，給人們的居住、生活環境帶來巨大的威脅。近年來氣候急劇變化，天氣變化越發極端，人類活動對自然界的影響越來越大，自然災害的發生率也不斷提高。我國地貌廣大，幅員遼闊，地形復雜，出現自然災害的概率巨大，如洪澇、泥石流、山體滑坡速、地震等，這些自然災害的產生對人民的生命財產安全帶來嚴重的威脅。對于人類而言，自然災害的發生存在突發性、不可預測性，同時還有巨大的毀滅性，因此需要提升對自然災害的預警能力，Geogra Phicinformation system為地理信息系統的全稱，是重要的空間信息系統，為當前工程測量、測繪工作提供數據支持。作為重要空間信息系統，在計算機硬件與軟件的支持下，實現對自然資源地理要素的采集和存儲，實現空間數據的分析與處理，對存在的特征進行可視化顯示、描述，精準得到自然災害的數據信息。當前技術發展越發成熟，地理信息系統廣泛運用于諸多領域中，比如社會服務、基礎設施服務等方面。另外將其運用于自然資源的管理和國土規劃中，進行土地規劃、生態管理、林業調查等。從各方面來看地理信息系統具備強大的自然災害分析、動態預測能力，能夠高效快速得到符合地理要素的空間決策，將其運用在自然災害的預測中，幫助管理人員預測實現全面的管理。

1.2 遙感系統

圖1 森林火災

遙感系統發展并不緩慢，起源于六十年代，在航空攝影快速發展的背景下，遙感技術融合天空、計算機、信息化等手段，輔之生物科學、天文學等理論知識。整體來看該技術的使用具備極強的綜合性，在多個領域內都得到廣泛使用。遙感技術主要是從遙控的外層空間平臺上，使用光學探測儀等常用設備，如攝影儀器、掃描設備、信息感應等手段。探測儀器主要是識別地面物質的性能、活動狀態，該技術使用具備極高的精度。現代化過程中還可以從高空到地面進行監測、觀測，精準處理數據，總結實際工作，為多個領域提供數據支持。實際運用也是由遙感平臺、儀器等接收數據和處理數據的能力。遙感系統具備極強的獨立性，為各個行業與領域內提供豐富的信息資源，提供全面的數據資料，便利人們的生活。

1.3 地理信息系統

地理信息系統也被人們認為是“地學信息系統”，是特定的重要空間信息系統，在計算機技術的支持下與軟硬件的配套使用下，采集地球表層與各個空間的數據信息，將其存儲在系統中分析運算。地理信息系統中位置與地理信息是核心，經緯坐標應落實，才可以被使用。用戶還需要獲取位置信息，了解所處環境獲取相關的信息，為用戶的活動提供支持與服務。地理信息系統是一項綜合性技術，涉及到地理學、地圖學等多項技術，為自然災害的監測的、預測、救災提供了數據支持。

2、遙感與地理信息系統

2.1 遙感與地理信息系統運用優勢

在信號傳輸和遠程監測技術快速發展的背景下， 遙感與地理信息系統在近年來得到蓬勃發展，集多項先進技術為一體，包含通信、計算機網絡、信息技術、地理與生物等學科的最新技術，現階段將該技術運用在農業生產監測、地質預測、水文監測、氣象與海洋預測測繪當中，發揮了十分重要的作用。新的全球定位給技術出現直接影響到地球生命科學的研究，實際的方式與內容產生巨大變化，這標志著地球研究速的變革。遙感與地理信息系統優勢表現在：首先能夠提供全球范圍之內的高清圖像，深刻揭示大氣圈、生物圈與巖石圈內的相互作用，促進地球系統研究的不斷深入。通過技術升級，實現從可見光到微波、紅外線技術的提升，在遙感與地理信息技術支持的基礎上建立數據模型，奠定定量化分析的基礎。遙感與信息系統的運用，為我國重點環境資源事件的運用提供精準而全面的監測評估報告，保障我國能夠快速而準確對自然災害情況做出反應。遙感與地理信息系統的運用為我國經濟發展提供詳細而全面的生態資源數據。根據實際調查數據和具體發展情況，能夠為我國生物量進行精準的評估和預測，為我國重要經濟領域提供基礎而全面的信息服務。

2.2 遙感與地理信息系統的發展趨勢

圖2 地理信息系統組成

遙感技術運用范圍很廣，包含航天、航空、地面觀察臺等組成的對地觀測系統，為其提供定量、定性、全面的數據，是綜合性技術系統。實際運用過程中能夠提供全方位、全天候的資源保護、監測和監控，為資源開發和環境保護等提供數據支持，為資源管理規劃提供系統化的依據和服務。從技術方面開看，遙感與地理信息系統之間存在緊密的聯系。地理信息系統使用遙感大數據來更新數據庫，遙感的影像識別技術精度提升需要得到遙感技術的支持。當前遙感與地理信息一體化已經成為趨勢，遙感圖像技術具備柵格數據結構轉換在當前取得了突破性的進展，為長遠發展提供了良好助力。

3、自然災害預警中的GIS、遙感技術運用

地理信息系統收集到數據資料之后，得到地理空間要素信息，可視化展示數據。地理信息系統在運用上分為輸入層與輸出層，輸入層主要是收集氣候和地理信息數據，系統收集數據之后，對數據進行分類存儲，存儲后的數據可以根據需求來分析和處理，保證數據分析的有效性，為數據輸出做準備。輸出層是將收集好的數據描述，借助現代信息技術進行數據的可視化展示，對數據統計分析之后，利用圖表展示出來，根據數據分析，判斷災害情況，對其進行預警。

3.1 系統功能實現

3.1.1 輸入層

關聯結構水平（relational leve1）：采用兩種或兩種以上的分析方法，得到至少兩種結果．如：由于，加上烏市有兩個優級天氣，所以烏市空氣質量好；由，昆明空氣質量穩定，且昆明沒有污染等級的天氣，所以昆明空氣質量好．

GIS系統輸入層，數據收集、分析、存儲是該系統核心，展示輸出層數據，系統的數據展示和統計圖標、數據分析都需要精準的數據，因此GIS系統的使用需要精準而全面的數據作為支持。數據有效性存儲依托數據庫設計的規范性與合理性，因此按照需求來設計數據結構，歸納系統當中的字段屬性。在系統中數據來源種類豐富，囊括歷年的災害統計表、氣候狀況、殊為難數據資料，根據數據常年變動規律，來自災害隱患點的實時監測。對于隱患點，在隱患點附近設置監視網絡，依靠外置設備將自然災害的數據信息傳輸回數據庫，對自然災害的發生情況進行監控，獲得全天候監測。地理信息系統將數據分析、數據庫操作結合在一起，對地理空間數據規范進行存儲、查詢。對于系統來講所接納的數據過于龐大，系統存在數據冗余的隱患，因此存儲之前對數據進行挖掘、分類，技術人員需要從專業角度剖析自然災害發生的原因，結合地區情況篩選數據分析，提煉數據，得到精準的結果。

3.1.2 輸出層

輸出層主要是數據展示和輔助災害預警，此時收集數據存儲到數據庫當中，為輸出層提供精準數據，數據使用除了可視化展示以外，最主要是數據分析、統計后，得到災害預警的數據信息。輸出層包含3個方面：

（1）數據可視化清晰展示自然災害的隱患點，如水流區域、山地地形等，也可以講區域行政圖和隱患點結合形成專門的區域災害隱患地圖。

（2）對數據篩選后，進行統計圖展示，包含數據統計、對比、變化趨勢分析示意圖。

（3）數據的深層次分析有利于輔助自然災害的預警分析，根據數據資料，制定預警標準判斷簡單的災害預警。如地形圖上，根據地形變化規律動態監測，對地表滑行位移進行監測判斷山體滑坡與泥石流情況；結合短期降雨量變化預測山洪與城市內澇；根據土壤含水量變化情況判斷地質存在的隱患。上述目標的實現都需要精準的數據支持，需要地質相關部門制定相關協議和標準。

3.2 具體運用

3.2.1 建立災害模型

根據收集的數據，得到歷年災害數據、區域內的地形、氣候等多方面的特征總結災害頻發時段，得到災害發生的時間和地點，為自然災害預測制定相關的標準。建立災害模型，GIS能夠為建立模型提供有利的支持，也能為預警標準制定提供依據。結合災害發生的高頻時段，結合歷年數據建立起可視化模型，得到風險值算法和模擬模型，對區域內的水流、地形特征、氣候變化情況等套入到計算中，計算出近期內災害發生的概率。運用成熟的災害模擬圖形幫助預警中心了解自然災害的發生情況，加大對隱患區域內的監控、巡查，在災害發生之前及時聯系當地部門做好疏散管理，如疏散群眾、加強工程防御減少自然災害產生的威脅，有針對性的降低高風險，從源頭上阻止和減少危害現象的存在。

3.2.2 輔助巡查巡護

GIS系統收集數據資料后，配合區域內巡查員巡護區域，降低自然災害存在的風險。高風險區域加強巡護頻率，發生災害的高頻期更要加大巡護。巡護人員使用GPS等移動設備、傳感器，通過接口與系統對接，實現遠程測繪監控，實現數據的傳輸，監測巡檢范圍。根據循環情況生成巡查地圖，找到巡查盲點提高檢查的效率，同時對薄弱環節做好排查。另外也可以使用移動終端設備完善功能，發送預警信息，接收設備的上傳數據、圖片，幫助預警中心實現遠程分析，為預警人員的決策提供有效的數據支持。

（1）結合先進技術對自然災害預警

地理信息系統與其他技術結合，能夠發揮更大的價值和作用。當前多街二號遙感技術、大數據技術。遙感技術主要是利用傳感器對遠距離目標進行無接觸探測，當前被廣泛運用在地理數據獲取中。現階段遙感技術在自然災害、災后輔助救援中起到了巨大的作用。比如使用無人機遙感與GIS技術結合監測泥石流、輔助監測水災后的救援工作等等。GIS技術的運用具備顯著的優勢，遙感技術使用不受到外界環境的限制，能夠遠程快速獲取圖形信息，發揮地理信息之間的價值、作用。大數據技術發展越發成熟，提高了人們數據獲取、處理能力的提升。

（2）災害識別與信息提取

以洪澇災害為例，災害信息提取是災害損失動態評估、減災方案等前提。洪澇災害承載體主要是指淹沒區域內的地物屬性，比如農田、工況、居民地、道路與人口等。提取承災體數據調查傳統多使用專題地圖、現場勘察測繪。專題地圖不具備現實性，現場調查消耗時間和精力，災情發生之后難以實現現場的實際調查。如果調查過程中背景數據庫資料齊全完整、內容齊備，能夠從災害中得到災害的具體數據、范圍。結合GIS技術進行多數據層的空間的疊加操作，即可實現對承載體的快速提取。如洪澇災害發生之后，利用時間序列的遙感數據識別洪水與動態信息，進行監測后將數據進行分析，為救災工作提供重要的支持。淹沒范圍使用多波段衛星進行圖像分類，提取水體信息和淹沒信息。在自然災害發生期間內，遙感影像多會受到受云量的影像，要排除云量的干擾，可以使用雷達數據來排除干擾。雷達數據圖像具備全天候、全天時的特征，對預測洪澇災害有更多的優勢。

（3）處理災害數據

任何數據對災害研究有重要影響和作用，是災害研究的重要部分。無論是單災種還是多災種，數據都分為多個時段的數據，分為歷史、現代、實時數據，比如地震災害板塊運動、地質學等，數據組成當中，會產生與實際相符合的數據，如旱災對氣候條件、水文等產生的影響能得到不同的數據，對于災害的不同，系統也會采集到不同的數據。災害與地理空間分布中，利用GIS進行數據的分析與處理非常方便，確保數據的真實與完整。GIS功能的實現主要依托數據庫，數據庫將收集到的數據進行整合與存儲之后，利用最優方式進行一個或者是多個數據時提供對應的服務，自身存儲大部分都獨立存在，保證數據資料共享的同時，減少系統內的冗余資料。大部分情況下人們將80%的成本投入到數據庫的建立中。由此可知數據庫建立的重要性。運用成熟的GIS技術會提供高精度的數據支持，這樣不僅僅可以從根本上實現數據存儲，也可以解決模型分析存在的問題，快速解決災害實現救災，最大可能減少災害產生的損失。

（4）災害動態分析

災害動態監測與分析在自然災害的預測與管理中，是至關重要的組成部分，動態監測內容十分重要。對于災害監測而言，動態監測不僅是單純的模擬災害情況，動態監測是對信息進行接收、傳輸、處理、分析，將這些步驟融入到系統中，實現動態監測。動態監測實現不僅僅能夠實現實時、有效的監測，還可以深入了解災害發生的實際情況，準確得到災害的數據資料。GIS的動態監測當中，除了分析與GIS軟件相關的數據資料以外，在實際使用過程中還針對災害信息數據的獲取、數據的有效傳輸、數據顯示的，以及與GIS技術之間形成良好的結合，優化系統功能。

（5）評估自然災害

自然災害發生的頻率越來越高，會嚴重影響到人們的日常生活、自然環境，甚至嚴重影響社會經濟。針對這一現狀，利用遙感信息建立起自然災害監測評估體系，從而確定災害目標、防御措施，同時對其進行優化，在保證自然災害監測精準的基礎上，為災害預防提供有效的數據支持。GIS技術支持的背景下，能夠實現對災害信息的采集、收集、存儲，建立對應的數據庫，為災害決策管理提供數據支持。為滿足需要，對數據進行綜合分析、模擬、預測，滿足災害預警的需要。遙感技術研究中通過使用不同的災害分析模型建立對應的數據庫，保證信息源的更新，能夠保證信息的準確與有效。

結語：

綜上所述，自然災害的預測、防范是最大程度降低事故隱患的主要原因。新時期的自然災害預測當中，將遙感技術與地理信息技術相結合，充分融合現代信息技術，保證災情信息收集的正確有效，建立可視化模型，為災情預防提供有效的數據支持，同時為后續的處理提供有效的保證。