由暴雨洪澇、干旱缺水引發(fā)的各類水旱災(zāi)害每年都造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。構(gòu)建現(xiàn)代化的防汛抗旱救災(zāi)體系, 提高區(qū)域防汛抗旱指揮決策水平已成為當(dāng)前的一項(xiàng)迫切任務(wù)。
       近年來, 國外一些發(fā)達(dá)國家把地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和通訊系統(tǒng)結(jié)合起來, 建成現(xiàn)代化的綜合防洪救災(zāi)體系, 在城市暴雨洪水管理中發(fā)揮了很好的作用。在我國, 地理信息系統(tǒng)等空間技術(shù)在公共安全領(lǐng)域, 如衛(wèi)生醫(yī)療、火災(zāi)、地震、交通、洪水管理等行業(yè)的防災(zāi)減災(zāi)中, 尤其是應(yīng)急處置指揮方面的應(yīng)用已有大量研究。目前,將地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于防汛抗旱指揮決策逐漸成為研究的熱點(diǎn), 在實(shí)際應(yīng)用中為應(yīng)急狀態(tài)下的指揮調(diào)度、快速響應(yīng)、聯(lián)合行動提供及時(shí)、可靠的依據(jù), 發(fā)揮了明顯的效益。如山東聊城應(yīng)用GIS技術(shù)建立了防汛抗旱多媒體信息管理系統(tǒng)。北京市防汛抗旱服務(wù)系統(tǒng)集成WEBGIS技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了對地理空間數(shù)據(jù)的操作, 提高了系統(tǒng)的表現(xiàn)能力, 為決策者提供了更直觀的信息基于GIS技術(shù), 浙江省水利廳完善了水利防災(zāi)信息系統(tǒng), 通過建立數(shù)字地面模型庫, 使全省的水利防汛決策管理更加科學(xué)化。
1 地理信息系統(tǒng)概述
        地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)簡稱GIS, 是國際上近些年發(fā)展起來的一門新興邊緣科學(xué), 涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測量學(xué)、地圖學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)等多門學(xué)科。它研究計(jì)算機(jī)技術(shù)與空間地理分布數(shù)據(jù)的結(jié)合, 通過一系列空間操作和分析, 為地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域提供對規(guī)劃、管理和決策有用的信息。
       在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域, 當(dāng)前應(yīng)用廣泛的信息管理系統(tǒng)(MIS)能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)文本、圖表、圖像等錄入計(jì)算機(jī),建立各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效管理, 加快了信息檢索、查詢以及統(tǒng)計(jì)分析的速度, 提高了信息處理的便捷性和靈活性。但是, 大多專業(yè)領(lǐng)域的信息往往與具體的地理位置密切相關(guān), 甚至有些信息必須與地理空間位置信息結(jié)合起來才能發(fā)揮效用。所以, 信息管理系統(tǒng), 將專業(yè)屬性數(shù)據(jù)與空間地理位置信息結(jié)合起來, 建立屬性一地理信息數(shù)據(jù)庫, 表達(dá)更加綜合有效的信息, 才能滿足專業(yè)領(lǐng)域的要求。地理信息系統(tǒng)正是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來輸入、存儲、編輯、查詢、分析、顯示和輸出地理圖形和屬性數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在相應(yīng)的軟件工具下, 它能對數(shù)值和圖形作各種分析處理, 除了使信息本身及內(nèi)在聯(lián)系的表現(xiàn)方式更加直觀外, 通過各種空間操作及不同種類信息的互操作, 能夠輸出高層次的綜合表達(dá)信息, 提供信息管理和輔助決策服務(wù)。
完整的地理信息系統(tǒng)由部分組成。
(1)用戶。專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用GIS進(jìn)行信息管理和分析決策的管理人員和業(yè)務(wù)人員。
(2)硬件。包括計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及專業(yè)信息的采集、傳輸、轉(zhuǎn)換等輔助設(shè)備。
(3)軟件。包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件、地理信息系統(tǒng)軟件工具、專業(yè)模型及其他相關(guān)的支撐軟件。
(4)數(shù)據(jù)。專業(yè)領(lǐng)域各種與空間和地理分布有關(guān)的圖形和屬性數(shù)據(jù)。包括專業(yè)學(xué)科的應(yīng)用需求、應(yīng)用模型表達(dá)及數(shù)據(jù)收集與管理, 是構(gòu)成GIS的核心內(nèi)容, 也是進(jìn)行信息服務(wù)、綜合決策的前提。
綜上所述, GIS是在計(jì)算機(jī)軟、硬件基礎(chǔ)上, 通過計(jì)算機(jī)把屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)組織成空間信息模型, 并對空間系統(tǒng)和過程從度量、邏輯和功能上進(jìn)行模擬和仿真, 結(jié)合各種空間操作, 實(shí)現(xiàn)對各類信息的直觀表達(dá)和綜合管理。
2 防汛抗早信息管理及指揮決策
防汛抗旱工作關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全, 要求最及時(shí)、最準(zhǔn)確、最有效地獲取天氣、雨情、水情、險(xiǎn)情、災(zāi)情和工情等各類信息, 為管理部門決策提供依據(jù)。在有限的時(shí)間單元內(nèi)所需要的信息量大, 信息的分析處理要求高,是防汛抗旱工作面臨的關(guān)鍵問題之一。因此, 實(shí)現(xiàn)防汛抗旱信息采集的自動化、指揮決策的現(xiàn)代化和科學(xué)化是提升防汛抗旱工作水平的重要途徑。
2.1 防汛抗旱工作的主要特點(diǎn)
防汛抗旱工作在信息的表達(dá)、管理和分析等方面, 具有實(shí)時(shí)性、空間性、動態(tài)性、定量性和綜合性等特點(diǎn)。
(1)實(shí)時(shí)性。水旱災(zāi)害的發(fā)生一般具有明顯的歷時(shí)過程, 從初始狀態(tài)逐漸發(fā)展形成險(xiǎn)情和災(zāi)情, 需要對相關(guān)信息、的實(shí)時(shí)監(jiān)控。特別對于暴雨洪水引發(fā)的災(zāi)害, 從發(fā)布預(yù)警到應(yīng)急響應(yīng), 進(jìn)行指揮、調(diào)度、搶險(xiǎn)、救災(zāi)等都需要對各類防汛信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測, 以確保指揮決策的科學(xué)有效。
(2)空間性。水旱災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展、影響都是在空間上分布的, 快速響應(yīng)如指揮、調(diào)度、搶險(xiǎn)、救災(zāi)也是在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行。因此空間特征是防汛抗旱工作的重要方面, 當(dāng)應(yīng)用GIS參與防汛抗旱的信息定位、隊(duì)伍調(diào)集、物資調(diào)運(yùn)和轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)等輔助決策時(shí), 應(yīng)急指揮調(diào)度水平將會有很大改善。
(3)動態(tài)性。防汛抗旱工作的快速發(fā)展要求各種信息、規(guī)劃、預(yù)案、措施和對策等不斷地變化和趨于完善。在我國, 目前大多數(shù)省市還沒有建立所轄區(qū)域的防汛抗旱基本信息庫, 數(shù)據(jù)、圖表、圖像等信息往往以文檔、報(bào)告和報(bào)表形式給出, 不能實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的動態(tài)管理, 一方面使用不便, 另一方面不能有效發(fā)揮作用。GIS的應(yīng)用, 可以建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)更新、存儲和預(yù)測。
(4)定量性。在防汛抗旱指揮決策過程中需要大量的定量數(shù)據(jù)(如水位、流量、流速、產(chǎn)流系數(shù)等), 需要對突發(fā)暴雨洪水的空間區(qū)域進(jìn)行仿真演算, 由于區(qū)域面積及屬性的變化, 以往大多通過人工估算, 而應(yīng)用GIS建立每個空間網(wǎng)格的空間和屬性信息數(shù)據(jù)庫, 劃定不同的區(qū)域就可以進(jìn)行相關(guān)分析和預(yù)測, 大大提高了決策的科學(xué)性。
(5)綜合性。防汛抗旱與空間地域、人文景觀密切相關(guān), 涉及到城鄉(xiāng)建設(shè)的許多方面, 災(zāi)害發(fā)生往往波及的范圍廣、影響面大, 并經(jīng)常伴有各種次生災(zāi)害, 給水旱災(zāi)害的防護(hù)搶救工作帶來更大的困難。應(yīng)用GIS中的一些空間拓?fù)浞治龅? 可以很好地得到解決。
2.2 防汛抗旱信息管理
防汛抗旱的基本信息包括2種數(shù)據(jù)類型:圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。信息管理工作主要是圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的建立及有效結(jié)合。
2.2.1 圖形數(shù)據(jù)
圖形數(shù)據(jù)主要來自專題圖的數(shù)字化, 主要有以下幾類。
(1)多邊形圖。由一組線段相連所圍成的閉合區(qū)域成為多邊形區(qū)域, 由多組多邊形區(qū)域組成的專題圖稱為多邊形圖。在GIS中, 把每一個多邊形賦予一個標(biāo)示碼, 用于區(qū)分其他的多邊形, 這樣就可以惟一決定該多邊形的幾何構(gòu)成及其專題屬性值。如水庫、湖泊的分布等。
(2)線狀圖。由一條條線段組成的專題圖稱為線狀圖。在GIS中, 每一條線段被賦予一個指稱碼, 用于區(qū)分其他的線段。用指稱碼可以惟一決定該線段的幾何構(gòu)成及其專題屬性值。如河系分布等。
(3)點(diǎn)狀圖。由一個個獨(dú)立的點(diǎn)組成的專題圖稱為點(diǎn)狀圖。在GIS中, 這些孤立的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn), 它們在系統(tǒng)中被賦予不同的標(biāo)示碼, 用標(biāo)示碼可以惟一決定該線段的幾何構(gòu)成及其專題屬性值。如泵站、立交橋、機(jī)閘、搶險(xiǎn)隊(duì)伍駐點(diǎn)等。
(4)光柵圖。在GIS中還支持來自掃描儀的光柵圖形,經(jīng)過配淮可作為區(qū)域矢量圖的背景或直接用于顯示小比例地圖中某一區(qū)域的細(xì)節(jié)內(nèi)容。如防洪重點(diǎn)保護(hù)區(qū)等。
2.2.2 屬性數(shù)據(jù)
屬性數(shù)據(jù)是指與空間位置沒有直接關(guān)系的其他各類數(shù)據(jù)。在GIS中, 其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須滿足通用性的要求, 既保證數(shù)據(jù)使用方便、靈活, 還必須考慮數(shù)據(jù)組織冗余小、管理程度高、邏輯操作功能強(qiáng)等特點(diǎn)。防汛抗旱工作中涉及到的數(shù)據(jù)庫, 種類繁多, 建庫的工作量大, 實(shí)際操作時(shí)必須統(tǒng)籌考慮, 逐步實(shí)施。在建立數(shù)據(jù)庫的過程中既要考慮用戶管理的便捷, 還要充分考慮與圖形數(shù)據(jù)的結(jié)合, 以提高數(shù)據(jù)信息的可用性。
(1)各類大中小型水庫信息:包括名稱、類型、級別、地址、隸屬單位、建設(shè)年份、防洪標(biāo)淮、庫容、最大泄量、責(zé)任單位、責(zé)任人、聯(lián)系電話。
(2)大江、大河信息:包括名稱、類型、級別、所屬流域(河系)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、責(zé)任單位、責(zé)任人、聯(lián)系電話。
(3)重要閘壩信息:包括名稱、類型、防洪標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)年份、責(zé)任單位、責(zé)任人、聯(lián)系電話。
(4)城區(qū)立交橋及雨水泵站信息:包括名稱、地址、建設(shè)單位、建設(shè)年份、匯水面積、最大排量、責(zé)任單位、責(zé)任人、聯(lián)系電話。
(5)防汛物資、隊(duì)伍信息:包括名稱、地址、級別、隸屬單位、建設(shè)年份、保障能力、責(zé)任單位、責(zé)任人、聯(lián)系電話。
(6)各級指揮部及相關(guān)單位信息:包括單位名稱、地址、職責(zé)、指揮長、聯(lián)系方式。
(7)防汛抗早預(yù)案及責(zé)任制信息:包括名稱、編制單位、使用范圍、啟動條件、啟動級別、職責(zé)單位、責(zé)任分工、重點(diǎn)部位責(zé)任單位、責(zé)任人、聯(lián)系電話。
(8)防汛重點(diǎn)部位信息:包括名稱、地址、隸屬單位、責(zé)任單位、責(zé)任人、應(yīng)急設(shè)施、聯(lián)系電話。
(9)電話號碼信息庫:包括檢索號、單位名稱、地址、人員職務(wù)、電話類別。
(10)其他相關(guān)資料庫:包括重要法律、法規(guī)、文件、辦法、要求。
在GIS中, 將防汛抗早的各類圖形及屬性數(shù)據(jù)有效結(jié)合起來, 就構(gòu)成了防汛抗旱指揮決策系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 是實(shí)現(xiàn)對防汛抗旱信息有效管理和高效指揮決策的主要依據(jù)。
2.3 防汛抗旱指揮決策
防汛抗旱指揮決策主要針對突發(fā)情況下或超標(biāo)準(zhǔn)情況下的水旱災(zāi)害而提出的應(yīng)對措施和解決方案, 伴隨于水旱災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展、出現(xiàn)災(zāi)情、形成災(zāi)害、指揮調(diào)度、搶險(xiǎn)救援、轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)、災(zāi)后安置的整個過程。具有實(shí)時(shí)性、動態(tài)性的顯著特征, 需要各種實(shí)地信息、數(shù)據(jù)、圖像的實(shí)時(shí)采集和傳輸作為支撐。科學(xué)、快速的指揮決策還依賴于信息綜合分析、處理的自動化和智能化。
利用防汛抗旱屬性——空間數(shù)據(jù)庫及GIS環(huán)境, 指揮員可以方便查詢實(shí)地信息, 通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息采集系統(tǒng), 可以了解最新情況運(yùn)用GIS工具進(jìn)行空間分析和模擬運(yùn)算等, 可以獲得專題信息, 從而提供有效的輔助決策。
3 地理信息系統(tǒng)在防汛抗旱指揮決策中的應(yīng)用
地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于防汛抗旱信息管理與指揮決策服務(wù), 主要概括如下:
(1)量算和統(tǒng)計(jì)。通過GIS應(yīng)用軟件, 可分別在一維、二維、三維空間里實(shí)現(xiàn)對各種研究對象的長度、面積、體積進(jìn)行快速量算, 然后將各種信息匯集在一起, 通過系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和分析, 獲得一些特定問題的解決方案。如:實(shí)現(xiàn)對臺風(fēng)當(dāng)前路徑、預(yù)報(bào)路徑、影響范圍等信息的生成和動態(tài)演示, 結(jié)合有關(guān)歷史數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù), 提供防臺風(fēng)、抗臺風(fēng)的決策支持。
(2)監(jiān)測和預(yù)測。通過GIS的查詢和檢索功能, 可為決策者快速而準(zhǔn)確提供系統(tǒng)的監(jiān)測, 為科學(xué)的管理提供有力支持。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型、模擬算法可以實(shí)現(xiàn)對事物發(fā)展的預(yù)測。如:結(jié)合常規(guī)的洪水預(yù)報(bào)模型, 研究給定降水區(qū)域的產(chǎn)匯流機(jī)制、匯流過程和洪水的時(shí)空分布, 真實(shí)模擬洪水演進(jìn)和淹沒過程。
(3)規(guī)劃和管理。GIS能夠進(jìn)行多要素的綜合分析和管理, 提供專題空間信息。如:對區(qū)域地下水位、河道水位及雨情和水情等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)合理的分析, 及時(shí)生成防汛抗旱調(diào)度方案, 可以實(shí)現(xiàn)水資源的有效統(tǒng)籌與管理。
(4)輔助決策。GIS在其空間數(shù)據(jù)庫支持下, 通過構(gòu)建一系列決策模型, 并對這些決策模型進(jìn)行比較分析, 為管理者提供科學(xué)的決策支持。如:可以利用洪水風(fēng)險(xiǎn)分析模型結(jié)合GIS進(jìn)行災(zāi)前分析, 提供最優(yōu)、最科學(xué)和最實(shí)用的防災(zāi)減災(zāi)方案, 也可以利用的網(wǎng)絡(luò)分析功能確定救災(zāi)物資調(diào)配的最佳路徑, 為受災(zāi)人員和財(cái)產(chǎn)的安全有效轉(zhuǎn)移提供決策依據(jù), 為防汛搶險(xiǎn)提供快捷服務(wù)。
(5)向空間拓展。GIS的拓?fù)潢P(guān)系和空間分析功能也是其主要的應(yīng)用之一。如:對快速采集來的洪澇災(zāi)害和洪水淹沒情況進(jìn)行空間分析與綜合評價(jià), 進(jìn)行災(zāi)害統(tǒng)計(jì)和處置規(guī)劃。
4 前景及展望
目前, 空間信急技術(shù)的發(fā)展, 已經(jīng)大大豐富了GIS的功能, 遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、三維技術(shù)、專家系統(tǒng)等與GIS的結(jié)合使得在數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)共享、空間模型構(gòu)造和分析、仿真模擬和智能演算等方面的研究逐步深入; 在系統(tǒng)平臺的構(gòu)建上, 基于INTERNET的WEBGIS使得用戶通過瀏覽器能夠在異地直接獲得地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和功能, 提高了系統(tǒng)的應(yīng)用水平, 表現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诜姥纯购敌畔⒐芾砑爸笓]決策系統(tǒng)中引入WEBGIS模式, 將防汛抗旱信息與空間信息有機(jī)地結(jié)合在一起, 以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支撐、以數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為手段, 以水文、氣象、通信、社會經(jīng)濟(jì)和空間地理信息為基礎(chǔ)構(gòu)成的防汛抗旱指揮系統(tǒng)將開創(chuàng)防汛抗旱信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的新局面。