張永術(shù)
(福建省地質(zhì)測(cè)繪院,福州,350011)
我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,除了自然因素外,人類的活動(dòng)如工程建設(shè)、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)等也可能引起地質(zhì)災(zāi)害。而泥石流、滑坡、崩塌等災(zāi)害嚴(yán)重制約著地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。目前的地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展,存在人工管理、查詢困難,辦公效率低等不足。地理信息系統(tǒng)(GIS)具有采集、存儲(chǔ)、管理、檢索、分析和描述空間物體定位及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,可得出精準(zhǔn)有效的結(jié)論,為決策提供強(qiáng)有力的支撐[2]。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與各相關(guān)部門進(jìn)行信息傳遞,從而提高應(yīng)急管理的工作效率[3]。地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合,為地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的解決提供了技術(shù)支持。
地理信息系統(tǒng)具有十分廣泛的功能,例如地質(zhì)災(zāi)害空間信息管理、資料調(diào)查、顯示并查詢地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征信息、評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的危害程度、分析地質(zhì)災(zāi)害的影響因素等,有利于提出減輕和防治地質(zhì)災(zāi)害的措施,對(duì)將來(lái)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè),有力有效服務(wù)于應(yīng)急管理決策。
國(guó)外早在20世紀(jì)60年代末就進(jìn)行了相關(guān)研究,而我國(guó)起步工作較晚,直到20世紀(jì)90年代中后期該技術(shù)才在中國(guó)得到全面的發(fā)展和使用。我國(guó)以GIS技術(shù)為支撐,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析法、信息量法、因子疊加法、層次分析法、模糊評(píng)判法、主成分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等進(jìn)行拓展研究,取得了一些實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[4]。在研究GIS技術(shù)時(shí),需要對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)劃選取一定的定量指標(biāo),例如災(zāi)害密度、強(qiáng)度等展開(kāi)研究,還需要可以選擇相關(guān)的基礎(chǔ)條件,然后通過(guò)關(guān)聯(lián)灰色分析來(lái)確定其權(quán)重值、層次分析和專家評(píng)判,最后結(jié)合GIS的空間疊置分析技術(shù),從而形成一個(gè)整體的系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估[5]。
傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)存在一些不足之處。一是缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃。由于部分地區(qū)沒(méi)有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)施或因條件受限,結(jié)合自身?xiàng)l件建立了相應(yīng)的系統(tǒng),雖然起到了一定的作用,但是各管理系統(tǒng)之間沒(méi)有合理的聯(lián)系,出現(xiàn)了較多的“數(shù)據(jù)煙囪”,數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行交換與共享,工作效率較低并導(dǎo)致了人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。發(fā)生災(zāi)害后,無(wú)法采集及時(shí)有效的數(shù)據(jù),也無(wú)法及時(shí)上傳相關(guān)數(shù)據(jù),延誤了寶貴的搶災(zāi)救險(xiǎn)時(shí)間。二是缺乏實(shí)用性。GIS技術(shù)與地質(zhì)學(xué)和應(yīng)急管理之間關(guān)聯(lián)不夠緊密,三是缺乏對(duì)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)性和前瞻性的結(jié)構(gòu)框架,因此開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品不能很好地滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理部門的需要。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng),從建設(shè)初始到完成,整個(gè)階段普遍在三年以上。在這個(gè)過(guò)程中,實(shí)際情況已經(jīng)發(fā)生改變,但卻還按照原方案進(jìn)行設(shè)計(jì),從而缺少了與時(shí)俱進(jìn)的前瞻性,導(dǎo)致了系統(tǒng)剛剛完成就已經(jīng)過(guò)時(shí)了。
因各地區(qū)地質(zhì)因素不同,導(dǎo)致在數(shù)據(jù)收集上處于棘手的情境,通過(guò)GIS技術(shù)收集大量基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境資料,可以提高其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及辦公效率。利用GIS可以通過(guò)選取最佳的定量目標(biāo)來(lái)完成評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)指標(biāo),通過(guò)數(shù)學(xué)分析模型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行劃分等級(jí),從而為其防治和預(yù)警提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警具有非常重要的意義,GIS技術(shù)的使用可以體現(xiàn)在不同職務(wù)、專業(yè)的人員方面。系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)具體的數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理和分組,最終形成一個(gè)整體數(shù)據(jù)的集合;也可以結(jié)合不同用戶的使用需求進(jìn)行具體分組,更加便于操作和分析,滿足使用者需求。用戶數(shù)據(jù)管理可以針對(duì)不同的用戶進(jìn)行管理,授予其不同的權(quán)限,從而維護(hù)數(shù)據(jù)安全、方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新。除此之外,系統(tǒng)還可以對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行有序的分層儲(chǔ)存,便于用戶操作,不需要用戶再進(jìn)行深層次的操作,使用起來(lái)更加便捷。系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)影響因子數(shù)據(jù)的管理,使管理和更新數(shù)據(jù)更有效,在設(shè)置權(quán)重值、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化或歸一化處理時(shí),不會(huì)影響到地質(zhì)災(zāi)害信息的瀏覽和查詢。在結(jié)果數(shù)據(jù)管理方面,系統(tǒng)可以完成對(duì)分析結(jié)果、生成的圖表、新災(zāi)害點(diǎn)的應(yīng)急預(yù)案等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和高效管理。
基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮系統(tǒng)的功能主要包括:一是應(yīng)急響應(yīng),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)險(xiǎn)情速報(bào)與審核處理;二是應(yīng)急調(diào)查,實(shí)現(xiàn)通過(guò)手持終端采集現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情信息,支持現(xiàn)場(chǎng)拍照、獲取坐標(biāo)、標(biāo)注危險(xiǎn)點(diǎn)和危險(xiǎn)區(qū)、撤離路線等;三是應(yīng)急處置,制定應(yīng)急處置方案,包括應(yīng)急專家組與工作組的設(shè)置、應(yīng)急物資及裝備的配置;四是災(zāi)情評(píng)估,實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)情的統(tǒng)計(jì)與描述,包括災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)照片上傳、災(zāi)害點(diǎn)周邊建筑物和交通破壞情況、經(jīng)濟(jì)和人口損失統(tǒng)計(jì)及其他災(zāi)情描述信息等的編輯,評(píng)估災(zāi)害的實(shí)際情況,從而有助于采取相應(yīng)的處理措施。
地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮信息源主要來(lái)自當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害防治工作的基礎(chǔ)研究,包括災(zāi)害波及范圍和具體位置等,在應(yīng)急指揮時(shí)可以將災(zāi)害區(qū)域的情況以三維的方式生動(dòng)直觀地顯示出來(lái),從而為救災(zāi)提供可靠數(shù)據(jù)。在預(yù)警之后,該系統(tǒng)可以針對(duì)可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域制圖,及時(shí)了解地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的詳細(xì)資料,如地形概況等。以災(zāi)害點(diǎn)的位置為依據(jù),結(jié)合有關(guān)的空間數(shù)據(jù),如路網(wǎng)、水系等,制定出最合理的救助策略以及運(yùn)送、分配救災(zāi)物資方案,為該區(qū)域制定完整的、系統(tǒng)的應(yīng)急管理預(yù)案(圖1)。
圖1 城市應(yīng)急管理部門數(shù)據(jù)共享示意圖Fig.1 Schematic diagram of the data sharing of the urban emergency management departments
GIS技術(shù)能夠?qū)Λ@取、傳輸與整理數(shù)據(jù)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。將自動(dòng)化檢測(cè)儀器安置于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域,及時(shí)得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用埋設(shè)的GPS儀器測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),監(jiān)測(cè)地表位移情況;利用翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)區(qū)域降雨量,在巖土體鉆孔中預(yù)埋測(cè)斜管,通過(guò)測(cè)斜儀得到其水平位移改變量。在傳輸數(shù)據(jù)方面,可結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn),選擇適合的傳輸方式,對(duì)于地表裂縫計(jì)、深部位移鉆孔傾斜儀、GPS接收機(jī)等無(wú)集成4G或監(jiān)測(cè)量大的儀器可使用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)傳輸數(shù)據(jù),傳輸模式為終端至終端。監(jiān)測(cè)中心將獲得的數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中,災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)以庫(kù)表與數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),可將用戶數(shù)據(jù)存入其中,采用的數(shù)據(jù)庫(kù)可結(jié)合有關(guān)的監(jiān)測(cè)信息與獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并利用后臺(tái)程序?qū)⑵鋫魅霐?shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)管理與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,達(dá)到災(zāi)害預(yù)警的目的。
目前,GIS技術(shù)的智能化水平正在不斷提高,且分析功能也在不斷完善中。當(dāng)GIS系統(tǒng)擁有智能化功能之后,其建模功能也變得強(qiáng)大,不僅可以在系統(tǒng)中構(gòu)建集成性以及專業(yè)性的分析模型,而且還能夠通過(guò)模型解決一些實(shí)際問(wèn)題。地質(zhì)災(zāi)害雖然具有多樣化的特征,但是災(zāi)害的發(fā)生離不開(kāi)觸發(fā)因子以及特殊的地質(zhì)環(huán)境。為了能夠找出地質(zhì)災(zāi)害的潛在風(fēng)險(xiǎn),必須應(yīng)用GIS技術(shù)收集地理空間信息。當(dāng)收集信息之后,GIS技術(shù)不僅能夠有效管理信息,而且還能夠從時(shí)間尺度以及空間方位維度,對(duì)環(huán)境因素與地質(zhì)災(zāi)害之間存在的關(guān)聯(lián)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并找出兩者之間存在的關(guān)系。應(yīng)用GIS技術(shù)能夠有效估算某一區(qū)域當(dāng)中,地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的概率及其可能造成的破壞程度。另外,在分析地質(zhì)災(zāi)害潛在風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程中,GIS技術(shù)能夠與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型與GIS技術(shù)結(jié)合之后,便可以利用GIS技術(shù)當(dāng)中的數(shù)字高程計(jì)算功能、屬性管理功能以及圖形編輯功能等,完成復(fù)雜的災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)分析工作。最重要的是,應(yīng)用GIS技術(shù)能夠?qū)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行現(xiàn)勢(shì)性分析,可以減少分析過(guò)程中的不確定性、模糊性,增強(qiáng)了分析結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。
在GIS技術(shù)支持下,可以有效地采集到各種地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)異常地點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),如果數(shù)據(jù)異常便提供報(bào)警。GIS技術(shù)在預(yù)警中其主要特點(diǎn)包括:通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合,建成地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的采集與傳輸。實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)化與空間化,能實(shí)時(shí)顯示信息,監(jiān)控儀器是否正常工作,并在地圖上展示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的異常狀態(tài)。對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)分析,生成同要素不同時(shí)期對(duì)比、不同要素同時(shí)期對(duì)比等曲線圖或折線圖,觀察各數(shù)據(jù)演變趨勢(shì),研究各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化之間的內(nèi)在聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的自動(dòng)預(yù)警。在監(jiān)測(cè)值達(dá)到預(yù)警閥值后會(huì)自動(dòng)向指定人員發(fā)送預(yù)警信息,系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警預(yù)報(bào)的對(duì)象是群發(fā)型、突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害,如泥石流、滑坡、崩塌等(圖2)。根據(jù)時(shí)空分布特征可分為空間預(yù)警與時(shí)間預(yù)警兩種類型,空間預(yù)警指通過(guò)觀察和分析,找出在特定條件下專題圖中容易有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域;時(shí)間預(yù)警則指結(jié)合空間分析的結(jié)果,進(jìn)一步確定之前確定區(qū)域中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的時(shí)間段與大概的發(fā)生概率。
圖2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)Fig.2 Diagram of the geological disaster monitoring and early warning system
在建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃模型系統(tǒng)(GHDMS)的過(guò)程中,需要應(yīng)用到GIS技術(shù),GHDMS的功能包括分析地質(zhì)災(zāi)害所具有的危險(xiǎn)程度與危害性,以及發(fā)育強(qiáng)度等。應(yīng)用GIS技術(shù)可以在系統(tǒng)當(dāng)中構(gòu)建出空間地理分析模型、災(zāi)害危險(xiǎn)程度、危害性分析模型與單體災(zāi)害劃分等級(jí)等,并應(yīng)用多層次、多樣化的劃分方法,獲得準(zhǔn)確的危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果。為了確保GIS技術(shù)能夠在GHDMS系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮出應(yīng)有的作用,則應(yīng)采用以下設(shè)計(jì)技術(shù):一是應(yīng)根據(jù)數(shù)學(xué)模糊邏輯理論,建立出多源信息模型;二是在構(gòu)建好信息模型之后,自動(dòng)獲取動(dòng)態(tài)分析參數(shù);三是在分區(qū)模型當(dāng)中輸入屬性數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)參數(shù),并根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)以及參數(shù)計(jì)算出災(zāi)情指數(shù)。當(dāng)?shù)贸鰹?zāi)情指數(shù)之后,利用制圖功能完成災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)的劃分工作(圖3)。
圖3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)圖Fig.3 Geological disaster forecast map
此次研究地區(qū)為閩清縣,該地區(qū)主要是以中低山和丘陵為主的侵蝕地貌。2021年,省自然資源廳和省氣象局已聯(lián)合發(fā)布3次閩清縣地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)黃色預(yù)警,地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。
在對(duì)當(dāng)?shù)刈匀粸?zāi)害調(diào)查資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上可以發(fā)現(xiàn),閩清縣屬于地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū),地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生類型多,發(fā)生的頻率較高,并且這些地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在人員居住密集區(qū)和工程建設(shè)生產(chǎn)區(qū)域(表1)。根據(jù)以上情況,對(duì)其地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方法進(jìn)行研究。
表1 閩清縣地質(zhì)災(zāi)害類型分布(單位:個(gè))
在分析和認(rèn)識(shí)該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)劃分為網(wǎng)格區(qū),對(duì)復(fù)雜地形下的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,對(duì)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)各種地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定各種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生類型和判別標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)判別原理,對(duì)網(wǎng)格中的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖進(jìn)行分析和綜合處理。另一方面,以地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),一般而言,地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素包括地貌類型、地層結(jié)構(gòu)、降雨分布、地形坡度和植被覆蓋度等。在確定影響因素后,需要分析各影響因素在各網(wǎng)格中的分布情況,并根據(jù)實(shí)際情況確定各影響因素的權(quán)重。以預(yù)先確定的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性規(guī)劃圖為基礎(chǔ),結(jié)合各影響因素的災(zāi)害分類圖,形成區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖,從而預(yù)測(cè)局部地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況。根據(jù)不同類型的地質(zhì)災(zāi)害,在圖上可以找到高、中、低危險(xiǎn)區(qū)的準(zhǔn)確位置,為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供準(zhǔn)確信息。
在我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理中,可結(jié)合各級(jí)行政區(qū)劃的實(shí)際情況建立基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng),從而為地質(zhì)災(zāi)害提供預(yù)警,為人民的生命財(cái)產(chǎn)安全提供強(qiáng)有力的保障。通過(guò)現(xiàn)階段的GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以形成這一系統(tǒng),采用B/S和C/S的混合多級(jí)結(jié)構(gòu)體系模式,開(kāi)發(fā)多級(jí)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息在更廣空間的共享、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、綜合統(tǒng)計(jì)和分析、信息快速交換,既節(jié)約資源,又節(jié)省響應(yīng)時(shí)間。從事地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)工作人員,可以通過(guò)專業(yè)知識(shí)將系統(tǒng)打包組件,組成完整的GIS地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員只需建立災(zāi)害應(yīng)用模型,調(diào)用相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害模塊,可以有效降低開(kāi)發(fā)周期提升實(shí)用性。同時(shí),充分利用3S技術(shù),可以將GIS作為數(shù)據(jù)源頭,接受衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)驗(yàn)證更加充實(shí),實(shí)現(xiàn)完整的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、智能化的地質(zhì)災(zāi)害分析系統(tǒng),降低人工干預(yù),更好地為相關(guān)部門提供有力的決策支持。部分地區(qū)還可以結(jié)合實(shí)際情況,增加相應(yīng)需求功能,例如遠(yuǎn)程咨詢功能等,從而更好的開(kāi)展相關(guān)工作。