地理信息系统在地质灾害应急管理中的应用

张永术

(福建省地质测绘院，福州，350011)

我国是地质灾害最为严重的国家之一,除了自然因素外，人类的活动如工程建设、矿产开发等也可能引起地质灾害。而泥石流、滑坡、崩塌等灾害严重制约着地质灾害多发地区的经济发展[1]。目前的地质灾害信息系统已经不适应时代发展，存在人工管理、查询困难，办公效率低等不足。地理信息系统(GIS)具有采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体定位及相关属性数据的强大功能,对数据进行分析后，可得出精准有效的结论，为决策提供强有力的支撑[2]。通过互联网信息技术与各相关部门进行信息传递，从而提高应急管理的工作效率[3]。地理信息系统和计算机技术的结合，为地质灾害问题的解决提供了技术支持。

1 地理信息系统概述

地理信息系统具有十分广泛的功能，例如地质灾害空间信息管理、资料调查、显示并查询地质灾害的空间分布特征信息、评价地质灾害的危害程度、分析地质灾害的影响因素等,有利于提出减轻和防治地质灾害的措施，对将来可能发生的地质灾害进行预测，有力有效服务于应急管理决策。

国外早在20世纪60年代末就进行了相关研究，而我国起步工作较晚，直到20世纪90年代中后期该技术才在中国得到全面的发展和使用。我国以GIS技术为支撑，通过统计分析法、信息量法、因子叠加法、层次分析法、模糊评判法、主成分析法和神经网络法等进行拓展研究，取得了一些实质性进展[4]。在研究GIS技术时，需要对地质灾害的区划选取一定的定量指标，例如灾害密度、强度等展开研究，还需要可以选择相关的基础条件，然后通过关联灰色分析来确定其权重值、层次分析和专家评判，最后结合GIS的空间叠置分析技术，从而形成一个整体的系统对地质灾害进行危险性评估[5]。

传统地质灾害信息系统存在一些不足之处。一是缺乏统筹规划。由于部分地区没有严格按照相关标准进行实施或因条件受限，结合自身条件建立了相应的系统，虽然起到了一定的作用，但是各管理系统之间没有合理的联系，出现了较多的“数据烟囱”，数据无法进行交换与共享，工作效率较低并导致了人力、物力、财力的浪费。发生灾害后，无法采集及时有效的数据，也无法及时上传相关数据，延误了宝贵的抢灾救险时间。二是缺乏实用性。GIS技术与地质学和应急管理之间关联不够紧密，三是缺乏对地质灾害应急管理系统性和前瞻性的结构框架，因此开发出来的产品不能很好地满足地质灾害应急管理部门的需要。传统的信息系统开发时间较长，从建设初始到完成，整个阶段普遍在三年以上。在这个过程中，实际情况已经发生改变，但却还按照原方案进行设计，从而缺少了与时俱进的前瞻性，导致了系统刚刚完成就已经过时了。

因各地区地质因素不同，导致在数据收集上处于棘手的情境，通过GIS技术收集大量基础地质环境资料，可以提高其数据的准确性及办公效率。利用GIS可以通过选取最佳的定量目标来完成评价预测指标，通过数学分析模型对地质灾害的危险性进行划分等级，从而为其防治和预警提供强有力的数据支撑。

2 GIS技术在地质灾害研究中的应用分析

2.1 GIS技术在系统数据管理中的应用

系统数据管理对于地质灾害预警具有非常重要的意义，GIS技术的使用可以体现在不同职务、专业的人员方面。系统通过一个具体的数据模块进行统一管理和分组，最终形成一个整体数据的集合；也可以结合不同用户的使用需求进行具体分组，更加便于操作和分析，满足使用者需求。用户数据管理可以针对不同的用户进行管理，授予其不同的权限，从而维护数据安全、方便系统数据更新。除此之外，系统还可以对相关信息进行有序的分层储存，便于用户操作，不需要用户再进行深层次的操作，使用起来更加便捷。系统加强对影响因子数据的管理，使管理和更新数据更有效，在设置权重值、数据标准化或归一化处理时，不会影响到地质灾害信息的浏览和查询。在结果数据管理方面，系统可以完成对分析结果、生成的图表、新灾害点的应急预案等数据的存储和高效管理。

2.2 GIS技术在地质灾害应急指挥中的应用

基于GIS的地质灾害应急指挥系统的功能主要包括：一是应急响应，实现地质灾害灾险情速报与审核处理；二是应急调查，实现通过手持终端采集现场灾情信息，支持现场拍照、获取坐标、标注危险点和危险区、撤离路线等；三是应急处置，制定应急处置方案，包括应急专家组与工作组的设置、应急物资及装备的配置；四是灾情评估，实现对灾情的统计与描述，包括灾情现场照片上传、灾害点周边建筑物和交通破坏情况、经济和人口损失统计及其他灾情描述信息等的编辑，评估灾害的实际情况，从而有助于采取相应的处理措施。

地质灾害应急指挥信息源主要来自当地地质灾害防治工作的基础研究，包括灾害波及范围和具体位置等，在应急指挥时可以将灾害区域的情况以三维的方式生动直观地显示出来，从而为救灾提供可靠数据。在预警之后，该系统可以针对可能发生地质灾害的区域制图，及时了解地质灾害发生区域的详细资料，如地形概况等。以灾害点的位置为依据，结合有关的空间数据，如路网、水系等，制定出最合理的救助策略以及运送、分配救灾物资方案，为该区域制定完整的、系统的应急管理预案(图1)。

图1 城市应急管理部门数据共享示意图Fig.1 Schematic diagram of the data sharing of the urban emergency management departments

2.3 利用GIS技术对地质灾害多发区进行实时监控

GIS技术能够对获取、传输与整理数据的整个过程进行自动化监测。将自动化检测仪器安置于地质灾害易发区域，及时得到监测数据。利用埋设的GPS仪器测量监测点的坐标，监测地表位移情况;利用翻斗式雨量计监测区域降雨量，在岩土体钻孔中预埋测斜管,通过测斜仪得到其水平位移改变量。在传输数据方面，可结合监测数据特点，选择适合的传输方式，对于地表裂缝计、深部位移钻孔倾斜仪、GPS接收机等无集成4G或监测量大的仪器可使用北斗导航卫星通信系统来传输数据，传输模式为终端至终端。监测中心将获得的数据传送至后台数据库中，灾害预警系统负责分析和数据监测。系统以库表与数据库为基础，可将用户数据存入其中，采用的数据库可结合有关的监测信息与获得的监测数据，并利用后台程序将其传入数据库中，通过管理与监测数据分析，达到灾害预警的目的。

2.4 GIS技术在分析地质灾害潜在风险中的应用

目前，GIS技术的智能化水平正在不断提高，且分析功能也在不断完善中。当GIS系统拥有智能化功能之后，其建模功能也变得强大,不仅可以在系统中构建集成性以及专业性的分析模型,而且还能够通过模型解决一些实际问题。地质灾害虽然具有多样化的特征，但是灾害的发生离不开触发因子以及特殊的地质环境。为了能够找出地质灾害的潜在风险，必须应用GIS技术收集地理空间信息。当收集信息之后,GIS技术不仅能够有效管理信息，而且还能够从时间尺度以及空间方位维度,对环境因素与地质灾害之间存在的关联进行统计分析,并找出两者之间存在的关系。应用GIS技术能够有效估算某一区域当中,地质灾害出现的概率及其可能造成的破坏程度。另外,在分析地质灾害潜在风险的过程中,GIS技术能够与风险预测模型实现有效结合。在风险预测模型与GIS技术结合之后，便可以利用GIS技术当中的数字高程计算功能、属性管理功能以及图形编辑功能等，完成复杂的灾难风险分析工作。最重要的是，应用GIS技术能够对灾害风险进行现势性分析,可以减少分析过程中的不确定性、模糊性,增强了分析结果的客观性和准确性。

2.5 GIS技术在地质灾害预警中的应用

在GIS技术支持下，可以有效地采集到各种地质灾害监测仪器的数据，然后对数据异常地点进行自动监测，如果数据异常便提供报警。GIS技术在预警中其主要特点包括:通过地质灾害监测技术与通信技术的结合,建成地质灾害自动监测网络，实现了地质灾害动态监测信息的采集与传输。实现地质灾害动态监测信息的实时化与空间化，能实时显示信息，监控仪器是否正常工作，并在地图上展示各监测点的异常状态。对历史监测数据进行专业分析，生成同要素不同时期对比、不同要素同时期对比等曲线图或折线图，观察各数据演变趋势，研究各监测数据变化之间的内在联系，实现对地质灾害的自动预警。在监测值达到预警阀值后会自动向指定人员发送预警信息，系统发出预警预报的对象是群发型、突发性的地质灾害，如泥石流、滑坡、崩塌等(图2)。根据时空分布特征可分为空间预警与时间预警两种类型，空间预警指通过观察和分析,找出在特定条件下专题图中容易有地质灾害发生的区域；时间预警则指结合空间分析的结果，进一步确定之前确定区域中可能发生地质灾害的时间段与大概的发生概率。

图2 地质灾害监测预警系统Fig.2 Diagram of the geological disaster monitoring and early warning system

2.6 GIS技术在划分灾害危险等级中的应用

在建设地质灾害区划模型系统(GHDMS)的过程中，需要应用到GIS技术，GHDMS的功能包括分析地质灾害所具有的危险程度与危害性，以及发育强度等。应用GIS技术可以在系统当中构建出空间地理分析模型、灾害危险程度、危害性分析模型与单体灾害划分等级等,并应用多层次、多样化的划分方法，获得准确的危险等级评价结果。为了确保GIS技术能够在GHDMS系统当中发挥出应有的作用,则应采用以下设计技术:一是应根据数学模糊逻辑理论,建立出多源信息模型；二是在构建好信息模型之后，自动获取动态分析参数；三是在分区模型当中输入属性数据以及动态参数，并根据输入的数据以及参数计算出灾情指数。当得出灾情指数之后,利用制图功能完成灾害危险等级的划分工作(图3)。

图3 地质灾害预报图Fig.3 Geological disaster forecast map

3 应用案例

此次研究地区为闽清县，该地区主要是以中低山和丘陵为主的侵蚀地貌。2021年，省自然资源厅和省气象局已联合发布3次闽清县地质灾害气象风险黄色预警，地质灾害隐患点发生地质灾害的可能性较大。

在对当地自然灾害调查资料进行分析的基础上可以发现，闽清县属于地质灾害频发区，地质灾害的发生类型多，发生的频率较高，并且这些地质灾害多发生在人员居住密集区和工程建设生产区域(表1)。根据以上情况，对其地质灾害预警方法进行研究。

表1 闽清县地质灾害类型分布(单位：个)

在分析和认识该区地质灾害的基础上，将研究区划分为网格区，对复杂地形下的网格进行细化，对网格区域内各种地质灾害的数量和密度进行统计分析，确定各种地质灾害的发生类型和判别标准。根据判别原理，对网格中的地质灾害易发性分区图进行分析和综合处理。另一方面，以地质灾害的主要影响因素作为主要评价指标，一般而言，地质灾害的主要影响因素包括地貌类型、地层结构、降雨分布、地形坡度和植被覆盖度等。在确定影响因素后，需要分析各影响因素在各网格中的分布情况，并根据实际情况确定各影响因素的权重。以预先确定的区域地质灾害易发性规划图为基础，结合各影响因素的灾害分类图，形成区域地质灾害易发性分区图，从而预测局部地质灾害的发生。区域地质灾害易发性分区图能够真实、准确地反映区域地质灾害的发生情况。根据不同类型的地质灾害，在图上可以找到高、中、低危险区的准确位置，为地质灾害预警提供准确信息。

4 结论

在我国地质灾害应急管理中，可结合各级行政区划的实际情况建立基于GIS技术的地质灾害应急管理系统，从而为地质灾害提供预警，为人民的生命财产安全提供强有力的保障。通过现阶段的GIS技术、数据库和网络技术可以形成这一系统，采用B/S和C/S的混合多级结构体系模式，开发多级地质灾害应急管理信息系统，实现地质灾害信息在更广空间的共享、数据的统一管理、综合统计和分析、信息快速交换，既节约资源，又节省响应时间。从事地质灾害相关工作人员，可以通过专业知识将系统打包组件，组成完整的GIS地质灾害预警系统，系统开发人员只需建立灾害应用模型，调用相应的地质灾害模块，可以有效降低开发周期提升实用性。同时，充分利用3S技术，可以将GIS作为数据源头，接受卫星气象数据和遥感数据，使数据验证更加充实，实现完整的动态数据库。通过数据库构建高度自动化、实时化、智能化的地质灾害分析系统，降低人工干预，更好地为相关部门提供有力的决策支持。部分地区还可以结合实际情况，增加相应需求功能，例如远程咨询功能等，从而更好的开展相关工作。