应用自发地理信息的灾害预警技术

张仁军，沈 林

(重庆理工大学管理学院，重庆 400054)

中国是灾害多发、灾害强度大、灾情严重的国家。建国以来，每年都有5 000多人因此丧生［1］。特别是2008年的汶川大地震、南方大雪灾等更能说明我国的救灾防灾水平仍亟待提高。提高灾害预警水平对减灾防灾具有重要意义。

灾害预警一直是世界各国政府、学术界关心和研究的热点［1－9］。目前，灾害预警相关理论与技术已取得了一些成果［2］。在灾害认知方面的进步表现在灾害风险评估在许多国家得到了广泛开展，一些灾害的风险评估技术发展很快。计算机技术、GIS技术的应用为这些灾害风险评估提供了技术支撑。一些基于国际层面的灾害认知工作也得到了开展，如世界卫生组织支持的全球紧急事件数据库 (EM-DAT)、联合国环境规划署的全球地震台网(blobal seismographic network)等。监测技术和服务研究方面的进步表现在监测设备的质量和可靠性不断提高，特别是集成遥感技术的监测方法已有较大进步。灾害风险信息的有效传播和分享的进步表现在一些经济组织和发达国家采用结构化的系统传播和分享灾害风险信息，也有很多国家是通过大众传媒的方式进行，如广播和印刷媒体。为提高信息传播和分享的参与性和分享程度，目前也有很多民间的、基于社区的组织做了大量工作，这些组织在非洲、拉美、俄罗斯等地起到了重要作用。目前，如何开展多组织合作和多主体交流，使灾害信息的传输与交流更加有效已成为研究热点。

目前，灾害预警相关理论与技术仍存在缺陷，主要表现在以下几个方面［2］:

1)灾害认知方面。第一，对社会、经济和环境等承灾体脆弱性的研究不足。目前较多的研究集中于灾害方面，因为灾害的数据来源相对充足。第二，公众参与不足。由于公众参与不足，导致一些预警数据的获得非常困难。

2)灾害监测方面。第一，许多灾害的监测仍然非常困难，如沙尘暴、山洪、强风暴潮等。第二，国际间、地区间的灾害预警数据等仍缺乏交流。第三，灾害发生地以外的地区很难获得相应的数据信息。第四，多学科、多部门的合作不够。第五，缺乏基于社区水平的用于提供及时、准确的预报预警信息的联络系统。

3)灾害信息传输与共享方面。第一，一些发展中国家缺乏灾害信息传输的专门机构。第二，因为政治原因导致的灾害信息传输受阻经常发生。第三，传输与分享的灾害信息不清楚、不完备。第四，国际间缺乏灾害信息传输的标准和协议。第五，公众参与不足。

本文提出的基于自发地理信息的灾害预警技术可以在一定程度上弥补以上灾害预警技术的不足，提高灾害信息获取的速度、质量，同时提高公众的参与程度。

1 自发地理信息

自发地理信息(volunteered geographic information，VGI)是网络用户自发地收集、获取、处理、发布的地理信息。国内关于VGI的研究较少。自发地理信息是随着众多新技术和网络在线服务方式的进步而出现的。手机、数码相机、PDA或其他手持设备能通过GPS提供用户位置信息或者将位置信息添加到其他媒体上，使大众可以方便地获取、处理地理信息。一些交互式的地理可视化产品包括 GoogleMaps、Google Earth 、Virtual Earth、Wikimapia、OpenStreetMap等。Goodchild和 Sui将这些发展称为“volunteered geographic information，VGI”。和VGI相近的概念还有“Wiki of geospatial information science，Wiki GIS”［10－11］。

VGI和相应生产VGI的技术吸引了越来越多的地理学者和其他研究者。VGI正成为GIS的研究热点。2007年12月，在美国圣芭芭拉召开了关于VGI的研讨会，讨论了VGI的一些基本问题:公众提供分享地理信息的动机，以及影响这些信息质量的因素是什么?用什么方法验证VGI以及添加VGI适当的元数据?VGI可以用于构建一种大型的传感器网络吗?通过该传感器网络能否使传统的、被动的、静止的传感器被智能的、可以移动的人来代替或者集成?不同的通讯技术如互联网、手机以及其他通讯技术使用VGI的限制，以及相应的隐私问题如何解决?

目前，学者们开始探索VGI的潜在应用领域及其社会意义。在应用方面，早期的研究集中于分析支持VGI的硬件、软件、数据结构，开发相应的技术来分析和应用这个巨大的、崭新的数据来源。

目前，一些重要的关于VGI的科研项目正在或正准备实施，如Goodchild和Daniel Z sui等申请的美国自然科学基金项目“基于VGI的知识创建”以及Daniel Z sui正在复审的美国国防部项目“人作为传感器在国家安全方面的应用:通过Wiki地理信息优化国防部21世纪传感器网络”。

2 应用VGI的灾害预警方法

2.1 应用VGI的灾害预警基本原理

基于VGI的灾害预警实质是将众多居民作为灾害信息获取的传感器。如图1所示，居民通过手机、GPS(手持或车载)、摄像机、摄影机等便携设备，或直接通过语言描述、绘图等将其获得的灾害预警相关信息通过电脑网络传送到相应网站，信息经过网站人员必要的审查后在网站上发布。相关专家通过这些在网站上发布的灾害信息确定是否预警，以及采取必要的防灾措施。

图1 基于VGI的灾害预警系统

2.2 应用VGI的灾害预警系统的优点

基于VGI的灾害预警系统的传感器是智能的、活动的，与传统的灾害信息获取的传感器(如各种检测仪、遥感影像等)相比，具有分布范围广，信息准确、及时等优点，非常有利于灾害预警。随着居民灾害防范意识的增强、救灾减灾知识与技能的增强，这样的灾害信息传感器又可以为减灾救灾提供快速、有力的支持。

VGI的参与人员数量众多，遍及社会各阶层、各部门、各行业。基于VGI的灾害预警系统是一个能触及到灾害可能发生的各领域、各地域的预警网络。VGI是一种基于底层的、自发的信息，没有层概念，没有行政部门的划分，可以实现较快的反应速度。

基于VGI的灾害预警系统投资经济、建设快速。传统的灾害预警系统往往要投入巨大的人力物力成本来布设传感器以获取灾害预警信息。而基于VGI的灾害预警系统几乎不需要另外投入经费进行信息获取与发布，只需要通过适当的网络平台，居民就可发布自己获取的灾害预警信息，因此建设周期也短。

3 应用VGI的灾害预警需要解决的关键问题

VGI是人们自发、自愿地创建地理信息，其目的可能是多样的，比如娱乐、渴望吸引人注意甚至抱怨等。在这些多样的目的下创立的地理信息是否可以用于同一个目的——灾害预警?这是本项目应用VGI的一个首要研究的问题。或是人们是否愿意为了同一个目的创建地理信息?比如在本项目中，人们是否可以或是否愿意在灾害预警的同一个目标下，自发、自愿地建立地理信息?人们创建灾害地理信息时的自私本性或利他思想对信息的内容、准确性的影响如何?这些问题的解决对VGI的发展、应用都具有重要意义。

灾害预警造成的社会影响巨大，对数据质量的要求极高。灾害预警数据质量包括时间、空间和内容等方面的要求。基于VGI的灾害信息是否能够达到相应的质量要求?VGI数据质量应如何评价?VGI数据来源广泛、类型和形式多样，如何从这些数据中获取有用信息?

本文认为，基于VGI的灾害预警需要解决一系列关键问题。

3.1 应用VGI的灾害预警适用领域

灾害的类型多样，有自然灾害、事故灾害、公共卫生、社会安全等。这些灾害有的发生地域广，地点不定，时间不定，如地震、森林火灾、恐怖事件。有些灾害有比较明显的征兆或现象，有些则征兆不明显或征兆具有多指向性。比如地震有许多征兆，但这些征兆具有多指向性;森林火灾则具有比较明显的征兆，指向明确，如野外火点。另外，灾害的预警也受法律的制约，有些灾害信息不能广泛发布，有些则可以广泛发布。灾害也有时间特性，有些灾害随时可能发生，有些灾害则只在特定时间发生。灾害的种种特性和类别也决定了有些灾害的预警适于建设基于VGI的预警系统，而有些则不适合。一般来说，基于VGI的预警系统适合于灾害发生区域广、涉及人群广、常规监测方法难以奏效，或者常规监测方法代价过大的灾害预警。

3.2 应用VGI灾害信息的内容和特征

VGI是志愿者根据自己的爱好提交的信息，这些信息结构松散，格式多样，冗余信息多。要从中获取准确的灾害预警信息，首要条件是对这些信息的内容和特征有准确的理解，这就需要研究VGI的内容构成、结构特征、质量特征、时间属性特征、空间属性特征。对VGI灾害信息特征研究的目的是为灾害信息的提取和质量评价奠定基础。

3.3 灾害信息提取的基本思路

VGI灾害信息的类型多样，包括GPS数据、图像数据、影像数据等。随着技术的进步，还可能出现其他格式的数据。因此，如何识别这些不同格式的数据以获取有价值的灾害信息对灾害预警具有重要意义。

3.4 灾害信息的质量评价原理与基本方法

VGI被广大专业人士指责的最大的问题就是数据质量的问题。因此，需要研究如何从输入上控制VGI的灾害预警信息的准确性，包括输入方法、输入制度、输入程序、监控机制等，同时也需要研究准确的评价方法。

3.5 应用VGI的预警决策方法

灾害预警包括2个必不可少的步骤:①获取灾害可能发生的信息，如各种征兆或对灾害初始事件的感知;②对灾害可能发生的信息进行综合分析，从而做出是否预警的决策。第1个步骤需要分散，是要尽可能多、尽可能快、尽可能广地获取灾害可能发生的信息;第2个步骤则需要集中，需要综合分析、对照比较、权衡利弊，最后做出决策。根据获取的信息做出是否发出预警信号的决策有多种基本方法:①采用传统的综合的方法，即由某人或某机构根据掌握的信息进行决断，做出是否预警的决策;②采用分散型的决策方法，设定相应的检测值，将VGI作为一个大的网络状的检测系统，当发现某个指标超标时就进行预警;③前2种方法的结合。需要研究的是在VGI环境下这些方法的优点、缺点及适用场合。

3.6 应用VGI的预警系统与其他预警系统的关系及冲突处理原则

灾害预警系统有各种类型，有的已经相当成熟，并在灾害预警中起到了较好的作用。应用VGI的预警和这些预警之间应当是一个什么关系?如何处理二者之间的冲突?如何使2种预警方法有机地结合在一起，形成相辅相成的多方位的复合预警体系?这些都是需要解决的问题。

3.7 应用VGI的灾害信息的协议与标准

灾害预警信息来源多样、处理要求多样，同时，灾害预警信息需要传输、发布和共享。这些都需要对相应的协议与标准进行规定。

3.8 应用VGI的灾害信息预警与个人隐私、国家安全的冲突

应用VGI的灾害信息可能将灾害预警导向一个危险的方向。比如危害国家或社会安全、侵犯个人权利等。因此，要首先研究应用VGI的灾害信息的相应法律法规，在保障国家安全和个人权利的前提下进行准确的灾害预警。

4 结束语

目前的许多灾害预警存在困难，需要新的灾害预警技术。VGI的出现使得将人作为灾害信息传感器成为可能。应用VGI的灾害预警系统具有反应速度快、准确、费用少等优点。但建设应用VGI的灾害预警系统还需解决一些关键问题，包括信息内容特征、质量保障、相关协议与标准，以及与国家安全和个人权利冲突的解决制度等。

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