自然灾害研究中遥感与地理信息系统的应用

文／盛新华 山东正元航空遥感技术有限公司 山东济南 250000

引言：

1、自然灾害、遥感与地理信息系统概述

1.1 自然灾害

地质灾害内涵包括多个方面，包含致灾的动力条件和灾害事件的后果，自然灾害会产生大量的危害，造成人类生命、财产各方面的威胁，对人类社会产生严重的损失。我国是自然灾害频繁发生的国家，也是世界上灾害严重、受灾历史最早以及灾害种类最多国家之一。各种各样自然灾害的产生，给人们的居住、生活环境带来巨大的威胁。近年来气候急剧变化，天气变化越发极端，人类活动对自然界的影响越来越大，自然灾害的发生率也不断提高。我国地貌广大，幅员辽阔，地形复杂，出现自然灾害的概率巨大，如洪涝、泥石流、山体滑坡速、地震等，这些自然灾害的产生对人民的生命财产安全带来严重的威胁。对于人类而言，自然灾害的发生存在突发性、不可预测性，同时还有巨大的毁灭性，因此需要提升对自然灾害的预警能力，Geogra Phicinformation system为地理信息系统的全称，是重要的空间信息系统，为当前工程测量、测绘工作提供数据支持。作为重要空间信息系统，在计算机硬件与软件的支持下，实现对自然资源地理要素的采集和存储，实现空间数据的分析与处理，对存在的特征进行可视化显示、描述，精准得到自然灾害的数据信息。当前技术发展越发成熟，地理信息系统广泛运用于诸多领域中，比如社会服务、基础设施服务等方面。另外将其运用于自然资源的管理和国土规划中，进行土地规划、生态管理、林业调查等。从各方面来看地理信息系统具备强大的自然灾害分析、动态预测能力，能够高效快速得到符合地理要素的空间决策，将其运用在自然灾害的预测中，帮助管理人员预测实现全面的管理。

1.2 遥感系统

图1 森林火灾

遥感系统发展并不缓慢，起源于六十年代，在航空摄影快速发展的背景下，遥感技术融合天空、计算机、信息化等手段，辅之生物科学、天文学等理论知识。整体来看该技术的使用具备极强的综合性，在多个领域内都得到广泛使用。遥感技术主要是从遥控的外层空间平台上，使用光学探测仪等常用设备，如摄影仪器、扫描设备、信息感应等手段。探测仪器主要是识别地面物质的性能、活动状态，该技术使用具备极高的精度。现代化过程中还可以从高空到地面进行监测、观测，精准处理数据，总结实际工作，为多个领域提供数据支持。实际运用也是由遥感平台、仪器等接收数据和处理数据的能力。遥感系统具备极强的独立性，为各个行业与领域内提供丰富的信息资源，提供全面的数据资料，便利人们的生活。

1.3 地理信息系统

地理信息系统也被人们认为是“地学信息系统”，是特定的重要空间信息系统，在计算机技术的支持下与软硬件的配套使用下，采集地球表层与各个空间的数据信息，将其存储在系统中分析运算。地理信息系统中位置与地理信息是核心，经纬坐标应落实，才可以被使用。用户还需要获取位置信息，了解所处环境获取相关的信息，为用户的活动提供支持与服务。地理信息系统是一项综合性技术，涉及到地理学、地图学等多项技术，为自然灾害的监测的、预测、救灾提供了数据支持。

2、遥感与地理信息系统

2.1 遥感与地理信息系统运用优势

在信号传输和远程监测技术快速发展的背景下， 遥感与地理信息系统在近年来得到蓬勃发展，集多项先进技术为一体，包含通信、计算机网络、信息技术、地理与生物等学科的最新技术，现阶段将该技术运用在农业生产监测、地质预测、水文监测、气象与海洋预测测绘当中，发挥了十分重要的作用。新的全球定位给技术出现直接影响到地球生命科学的研究，实际的方式与内容产生巨大变化，这标志着地球研究速的变革。遥感与地理信息系统优势表现在：首先能够提供全球范围之内的高清图像，深刻揭示大气圈、生物圈与岩石圈内的相互作用，促进地球系统研究的不断深入。通过技术升级，实现从可见光到微波、红外线技术的提升，在遥感与地理信息技术支持的基础上建立数据模型，奠定定量化分析的基础。遥感与信息系统的运用，为我国重点环境资源事件的运用提供精准而全面的监测评估报告，保障我国能够快速而准确对自然灾害情况做出反应。遥感与地理信息系统的运用为我国经济发展提供详细而全面的生态资源数据。根据实际调查数据和具体发展情况，能够为我国生物量进行精准的评估和预测，为我国重要经济领域提供基础而全面的信息服务。

2.2 遥感与地理信息系统的发展趋势

图2 地理信息系统组成

遥感技术运用范围很广，包含航天、航空、地面观察台等组成的对地观测系统，为其提供定量、定性、全面的数据，是综合性技术系统。实际运用过程中能够提供全方位、全天候的资源保护、监测和监控，为资源开发和环境保护等提供数据支持，为资源管理规划提供系统化的依据和服务。从技术方面开看，遥感与地理信息系统之间存在紧密的联系。地理信息系统使用遥感大数据来更新数据库，遥感的影像识别技术精度提升需要得到遥感技术的支持。当前遥感与地理信息一体化已经成为趋势，遥感图像技术具备栅格数据结构转换在当前取得了突破性的进展，为长远发展提供了良好助力。

3、自然灾害预警中的GIS、遥感技术运用

地理信息系统收集到数据资料之后，得到地理空间要素信息，可视化展示数据。地理信息系统在运用上分为输入层与输出层，输入层主要是收集气候和地理信息数据，系统收集数据之后，对数据进行分类存储，存储后的数据可以根据需求来分析和处理，保证数据分析的有效性，为数据输出做准备。输出层是将收集好的数据描述，借助现代信息技术进行数据的可视化展示，对数据统计分析之后，利用图表展示出来，根据数据分析，判断灾害情况，对其进行预警。

3.1 系统功能实现

3.1.1 输入层

关联结构水平（relational leve1）：采用两种或两种以上的分析方法，得到至少两种结果．如：由于，加上乌市有两个优级天气，所以乌市空气质量好；由，昆明空气质量稳定，且昆明没有污染等级的天气，所以昆明空气质量好．

GIS系统输入层，数据收集、分析、存储是该系统核心，展示输出层数据，系统的数据展示和统计图标、数据分析都需要精准的数据，因此GIS系统的使用需要精准而全面的数据作为支持。数据有效性存储依托数据库设计的规范性与合理性，因此按照需求来设计数据结构，归纳系统当中的字段属性。在系统中数据来源种类丰富，囊括历年的灾害统计表、气候状况、殊为难数据资料，根据数据常年变动规律，来自灾害隐患点的实时监测。对于隐患点，在隐患点附近设置监视网络，依靠外置设备将自然灾害的数据信息传输回数据库，对自然灾害的发生情况进行监控，获得全天候监测。地理信息系统将数据分析、数据库操作结合在一起，对地理空间数据规范进行存储、查询。对于系统来讲所接纳的数据过于庞大，系统存在数据冗余的隐患，因此存储之前对数据进行挖掘、分类，技术人员需要从专业角度剖析自然灾害发生的原因，结合地区情况筛选数据分析，提炼数据，得到精准的结果。

3.1.2 输出层

输出层主要是数据展示和辅助灾害预警，此时收集数据存储到数据库当中，为输出层提供精准数据，数据使用除了可视化展示以外，最主要是数据分析、统计后，得到灾害预警的数据信息。输出层包含3个方面：

（1）数据可视化清晰展示自然灾害的隐患点，如水流区域、山地地形等，也可以讲区域行政图和隐患点结合形成专门的区域灾害隐患地图。

（2）对数据筛选后，进行统计图展示，包含数据统计、对比、变化趋势分析示意图。

（3）数据的深层次分析有利于辅助自然灾害的预警分析，根据数据资料，制定预警标准判断简单的灾害预警。如地形图上，根据地形变化规律动态监测，对地表滑行位移进行监测判断山体滑坡与泥石流情况；结合短期降雨量变化预测山洪与城市内涝；根据土壤含水量变化情况判断地质存在的隐患。上述目标的实现都需要精准的数据支持，需要地质相关部门制定相关协议和标准。

3.2 具体运用

3.2.1 建立灾害模型

根据收集的数据，得到历年灾害数据、区域内的地形、气候等多方面的特征总结灾害频发时段，得到灾害发生的时间和地点，为自然灾害预测制定相关的标准。建立灾害模型，GIS能够为建立模型提供有利的支持，也能为预警标准制定提供依据。结合灾害发生的高频时段，结合历年数据建立起可视化模型，得到风险值算法和模拟模型，对区域内的水流、地形特征、气候变化情况等套入到计算中，计算出近期内灾害发生的概率。运用成熟的灾害模拟图形帮助预警中心了解自然灾害的发生情况，加大对隐患区域内的监控、巡查，在灾害发生之前及时联系当地部门做好疏散管理，如疏散群众、加强工程防御减少自然灾害产生的威胁，有针对性的降低高风险，从源头上阻止和减少危害现象的存在。

3.2.2 辅助巡查巡护

GIS系统收集数据资料后，配合区域内巡查员巡护区域，降低自然灾害存在的风险。高风险区域加强巡护频率，发生灾害的高频期更要加大巡护。巡护人员使用GPS等移动设备、传感器，通过接口与系统对接，实现远程测绘监控，实现数据的传输，监测巡检范围。根据循环情况生成巡查地图，找到巡查盲点提高检查的效率，同时对薄弱环节做好排查。另外也可以使用移动终端设备完善功能，发送预警信息，接收设备的上传数据、图片，帮助预警中心实现远程分析，为预警人员的决策提供有效的数据支持。

（1）结合先进技术对自然灾害预警

地理信息系统与其他技术结合，能够发挥更大的价值和作用。当前多街二号遥感技术、大数据技术。遥感技术主要是利用传感器对远距离目标进行无接触探测，当前被广泛运用在地理数据获取中。现阶段遥感技术在自然灾害、灾后辅助救援中起到了巨大的作用。比如使用无人机遥感与GIS技术结合监测泥石流、辅助监测水灾后的救援工作等等。GIS技术的运用具备显著的优势，遥感技术使用不受到外界环境的限制，能够远程快速获取图形信息，发挥地理信息之间的价值、作用。大数据技术发展越发成熟，提高了人们数据获取、处理能力的提升。

（2）灾害识别与信息提取

以洪涝灾害为例，灾害信息提取是灾害损失动态评估、减灾方案等前提。洪涝灾害承载体主要是指淹没区域内的地物属性，比如农田、工况、居民地、道路与人口等。提取承灾体数据调查传统多使用专题地图、现场勘察测绘。专题地图不具备现实性，现场调查消耗时间和精力，灾情发生之后难以实现现场的实际调查。如果调查过程中背景数据库资料齐全完整、内容齐备，能够从灾害中得到灾害的具体数据、范围。结合GIS技术进行多数据层的空间的叠加操作，即可实现对承载体的快速提取。如洪涝灾害发生之后，利用时间序列的遥感数据识别洪水与动态信息，进行监测后将数据进行分析，为救灾工作提供重要的支持。淹没范围使用多波段卫星进行图像分类，提取水体信息和淹没信息。在自然灾害发生期间内，遥感影像多会受到受云量的影像，要排除云量的干扰，可以使用雷达数据来排除干扰。雷达数据图像具备全天候、全天时的特征，对预测洪涝灾害有更多的优势。

（3）处理灾害数据

任何数据对灾害研究有重要影响和作用，是灾害研究的重要部分。无论是单灾种还是多灾种，数据都分为多个时段的数据，分为历史、现代、实时数据，比如地震灾害板块运动、地质学等，数据组成当中，会产生与实际相符合的数据，如旱灾对气候条件、水文等产生的影响能得到不同的数据，对于灾害的不同，系统也会采集到不同的数据。灾害与地理空间分布中，利用GIS进行数据的分析与处理非常方便，确保数据的真实与完整。GIS功能的实现主要依托数据库，数据库将收集到的数据进行整合与存储之后，利用最优方式进行一个或者是多个数据时提供对应的服务，自身存储大部分都独立存在，保证数据资料共享的同时，减少系统内的冗余资料。大部分情况下人们将80%的成本投入到数据库的建立中。由此可知数据库建立的重要性。运用成熟的GIS技术会提供高精度的数据支持，这样不仅仅可以从根本上实现数据存储，也可以解决模型分析存在的问题，快速解决灾害实现救灾，最大可能减少灾害产生的损失。

（4）灾害动态分析

灾害动态监测与分析在自然灾害的预测与管理中，是至关重要的组成部分，动态监测内容十分重要。对于灾害监测而言，动态监测不仅是单纯的模拟灾害情况，动态监测是对信息进行接收、传输、处理、分析，将这些步骤融入到系统中，实现动态监测。动态监测实现不仅仅能够实现实时、有效的监测，还可以深入了解灾害发生的实际情况，准确得到灾害的数据资料。GIS的动态监测当中，除了分析与GIS软件相关的数据资料以外，在实际使用过程中还针对灾害信息数据的获取、数据的有效传输、数据显示的，以及与GIS技术之间形成良好的结合，优化系统功能。

（5）评估自然灾害

自然灾害发生的频率越来越高，会严重影响到人们的日常生活、自然环境，甚至严重影响社会经济。针对这一现状，利用遥感信息建立起自然灾害监测评估体系，从而确定灾害目标、防御措施，同时对其进行优化，在保证自然灾害监测精准的基础上，为灾害预防提供有效的数据支持。GIS技术支持的背景下，能够实现对灾害信息的采集、收集、存储，建立对应的数据库，为灾害决策管理提供数据支持。为满足需要，对数据进行综合分析、模拟、预测，满足灾害预警的需要。遥感技术研究中通过使用不同的灾害分析模型建立对应的数据库，保证信息源的更新，能够保证信息的准确与有效。

结语：

综上所述，自然灾害的预测、防范是最大程度降低事故隐患的主要原因。新时期的自然灾害预测当中，将遥感技术与地理信息技术相结合，充分融合现代信息技术，保证灾情信息收集的正确有效，建立可视化模型，为灾情预防提供有效的数据支持，同时为后续的处理提供有效的保证。