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一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法

郭煜坤 朱军 付林 李维炼 郑全红 赵媛媛 吴思豪

郭煜坤, 朱军, 付林, 李维炼, 郑全红, 赵媛媛, 吴思豪. 一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
引用本文: 郭煜坤, 朱军, 付林, 李维炼, 郑全红, 赵媛媛, 吴思豪. 一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
GUO Yukun, ZHU Jun, FU Lin, LI Weilian, ZHENG Quanhong, ZHAO Yuanyuan, WU Sihao. A Visual Representation Method of Landslide Disasters for Public Education[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
Citation: GUO Yukun, ZHU Jun, FU Lin, LI Weilian, ZHENG Quanhong, ZHAO Yuanyuan, WU Sihao. A Visual Representation Method of Landslide Disasters for Public Education[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091

一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法

doi: 10.13203/j.whugis20200091
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC0803101);国家自然科学基金(41871289);中央高校基本科研业务费专项资金(2682018CX35);四川省科技项目“遥感监测与灾害应急四川省青年科技创新研究团队”(20CXTD0102)
详细信息
    作者简介:

    郭煜坤,硕士,主要从事虚拟地理环境研究工作。gyk8181219@outlook.com

    通讯作者: 朱军,博士,教授。vgezj@163.com
  • 中图分类号: P642.22;X43

A Visual Representation Method of Landslide Disasters for Public Education

Funds: The National Key Research and Development Program of China(2016YFC0803101); the National Natural Science Foundation of China(41871289); the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2682018CX35)
More Information
    Author Bio:

    GUO Yukun, master, specializes in the virtual geographical environment. E-mail: gyk8181219@outlook.com

    Corresponding author: ZHU Jun, PhD, professor. E-mail: vgezj@163.com
  • 摘要: 对公众展开滑坡灾害教育,可以提升公众的灾害风险意识。目前的灾害教育主要针对学生与救护人员,其教育方式集中于课本教学及专业培训,内容专业性较强,且教育者与公众之间缺乏有效的沟通渠道,公众难以对滑坡灾害有直观认知。针对上述问题,提出一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法,重点研究动静结合的视觉表征框架以及滑坡灾害知识图解与概念图实例化等关键技术,以实现对滑坡过程的整体描述与外在因果的表现。选择2017年6月24日发生的6·24茂县叠溪特大山体滑坡开展案例实验分析,实验结果表明,该方法能够有效地构建滑坡灾害知识的视觉内容,快速地帮助公众了解滑坡灾害知识。
  • 图  1  滑坡灾害视觉表征框架

    Figure  1.  Framework for Visual Representation of Landslides

    图  2  滑坡灾害概念图

    Figure  2.  Landslide Disaster Concept Map

    图  3  滑坡灾害动态表达关键技术

    Figure  3.  Key Technology of Dynamic Expression of Landslide Disaster

    图  4  案例区域

    Figure  4.  Case Area

    图  5  实验结果展示

    Figure  5.  Experiment Results

    表  1  概念图的概念信息

    Table  1.   Information of Conceptual Map

    概念 包含信息 主要作用
    受灾位置 滑坡发生的地点 帮助公众了解灾害发生地点的环境信息
    受灾时间 滑坡发生的时间 帮助公众判别灾前灾后时间节点
    诱发因素 引发灾害的自然及人工因素 解释滑坡灾害形成的原因
    滑动过程 滑动方向、掩盖范围 帮助公众了解滑坡滑动的状况
    受损情况 承灾体的可视化展示 为公众提供灾后的损失情报
    次生灾害 灾后可能引发的二次灾害 展示灾后所带来的潜在危险
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    表  2  诱发因素实例化及其动画表达

    Table  2.   Instantiate Process and Animation Expression of Inducing Factor

    诱发因素实例化 动画表达方式 示例
    地震 对场景进行晃动,来表示地震的发生;根据晃动的频率、幅度与延续时间来表明地震的强弱;同时配上文字,说明是何时何地的地震
    暴雨 通过在场景中添加降雨的效果进行表示
    雪灾 通过在场景中添加降雪的效果进行表示
    工程活动 在场灾害发生的山体上添加施工图标,并加上文字说明
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    表  3  滑动过程实例化及其动画表达

    Table  3.   Instantiate Process and Animation Expression of Landslide Sliding

    滑动过程实例化 动画表达方式 示例
    滑动方向 通过箭头的滑动表示滑坡的滑动方向
    动态过程 通过叠加不同时刻的滑动模型同时添加烟雾效果,进行滑动过程的模拟
    滑坡范围 利用线要素勾画出滑坡滑动的整体范围
    堆积体厚度与宽度 用箭头拉伸动画强调堆积体的厚度与宽度,同时附上文字进行说明
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    表  4  受灾情况实例化及其动画表达

    Table  4.   Instantiate Process and Animation Expression of Damage Information

    受灾情况实例化 动画表达方式 示例
    房屋 体要素,利用颜色分类
    河道 面要素,利用颜色分类
    道路 线要素,利用虚实线分类
    耕地 面要素,利用颜色分类
    重要设施 特殊符号
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    表  5  次生灾害实例化及其动画表达

    Table  5.   Secondary Disaster and Animation Expression of Damage Information

    次生灾害实例化 动画表达方式 示例
    河道阻塞 标记并解释河道堵塞的危害性
    山体不稳 标记并解释山体不稳的危害性
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    表  6  可视化方法对比描述

    Table  6.   Contrast Description of Methods of Visual Representation

    视觉表征方法 服务对象 可视化基础 表达内容 用途
    本文方法 公众 知识表征 滑坡灾害的浅层知识与逻辑 传播教育
    其他滑坡可视化视觉表征方法 专业人员 力学模型 滑坡变形的真实过程 预测与分析
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    表  7  滑坡灾害认知方式对比统计表

    Table  7.   Statistical Table of Cognitive Style of Landslide Disaster

    指标 动画表达 文字报告
    选择人数占比/% 72 28
    观后对滑坡有了更直观的认识/% 97.1 92.6
    答题通过率/% 63.2 48.1
    完成问卷平均耗时 1 min 28 s 1 min 40 s
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-16
  • 刊出日期:  2020-09-05

一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法

doi: 10.13203/j.whugis20200091
    基金项目:  国家重点研发计划(2016YFC0803101);国家自然科学基金(41871289);中央高校基本科研业务费专项资金(2682018CX35);四川省科技项目“遥感监测与灾害应急四川省青年科技创新研究团队”(20CXTD0102)
    作者简介:

    郭煜坤,硕士,主要从事虚拟地理环境研究工作。gyk8181219@outlook.com

    通讯作者: 朱军,博士,教授。vgezj@163.com
  • 中图分类号: P642.22;X43

摘要: 对公众展开滑坡灾害教育,可以提升公众的灾害风险意识。目前的灾害教育主要针对学生与救护人员,其教育方式集中于课本教学及专业培训,内容专业性较强,且教育者与公众之间缺乏有效的沟通渠道,公众难以对滑坡灾害有直观认知。针对上述问题,提出一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法,重点研究动静结合的视觉表征框架以及滑坡灾害知识图解与概念图实例化等关键技术,以实现对滑坡过程的整体描述与外在因果的表现。选择2017年6月24日发生的6·24茂县叠溪特大山体滑坡开展案例实验分析,实验结果表明,该方法能够有效地构建滑坡灾害知识的视觉内容,快速地帮助公众了解滑坡灾害知识。

English Abstract

郭煜坤, 朱军, 付林, 李维炼, 郑全红, 赵媛媛, 吴思豪. 一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
引用本文: 郭煜坤, 朱军, 付林, 李维炼, 郑全红, 赵媛媛, 吴思豪. 一种面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
GUO Yukun, ZHU Jun, FU Lin, LI Weilian, ZHENG Quanhong, ZHAO Yuanyuan, WU Sihao. A Visual Representation Method of Landslide Disasters for Public Education[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
Citation: GUO Yukun, ZHU Jun, FU Lin, LI Weilian, ZHENG Quanhong, ZHAO Yuanyuan, WU Sihao. A Visual Representation Method of Landslide Disasters for Public Education[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1378-1385. doi: 10.13203/j.whugis20200091
  • 滑坡是一种典型的地质灾害,具有发生频率高、地域范围广的特点,对人民生命财产安全构成了极大的威胁[1]。面向公众的灾害教育是防灾减灾过程中重要的一环,也是风险防范的一种重要方式[2-3]。《仙台减灾框架(2015—2030)》[4]明确指出了需要加强减灾的公众教育与认知,并提出要推动防灾减灾等灾害风险知识教育纳入公民教育中。可见,通过对公众的滑坡灾害教育转变其灾害观念、增强风险意识,对于提升滑坡灾害防灾减灾能力具有十分重要的意义。

    当前灾害教育的主体主要包括学生及医护人员,教育方法趋于系统化,且内容专业性较强[5-8],导致学习成本较高,不适用于普通民众。可视化是感知和认知信息的重要手段,也是群体之间传递知识的重要方法[9-12],运用可视化辅助教学可帮助公众建立与灾害信息沟通的桥梁。概念图作为一种组织与表征知识的可视化图形工具[13],能够用于滑坡灾害知识的构建与传播,却难以展示滑坡的动态变化过程。利用动画的视觉表征形式能够增进人们对动态目标的理解[14],有关滑坡的动画可视化已经有不少研究成果。张昆等[15]用三维地形模型与弹性动画技术构建了滑坡变形的可视化效果。Wang等[16]利用光滑粒子系统与非连续变形分析模拟预测滑坡与河流之间的作用。洪政[17]开发了可交互软件,对滑坡的运动过程进行可视化展示。上述研究都对滑坡的时空过程进行了动画展示,但展示的内容是结合内在机理的滑坡变形过程的模拟,追求滑坡破坏变形的真实性,多用于专业的预测分析与仿真实验。这样的动态表达缺乏对滑坡灾害的整体表述与外在因果关系的表现,没有专业背景的人难以从中获取有效的信息。针对此,本文结合概念图构建与动画展示,提出了一种动静态结合的视觉表征方法。利用概念图对滑坡灾害知识进行表征,辅助教育者整理思路,再将概念图实例化为场景动画,帮助公众了解滑坡灾害的整体过程。

    • 动静结合的滑坡灾害的视觉表征框架如图 1所示。首先根据已有的滑坡灾害信息提取出需要进行传播的内容和易于公众理解的浅层逻辑;接着利用静态的概念图对内容与逻辑进行图解表达,同时根据所完成的概念图进行思路整理并验证内容与逻辑的合理性;然后结合滑坡灾害的信息将完成的概念图实例化为动画片段与时间序列;最后将实例化后的内容进行组织形成场景动画。

      图  1  滑坡灾害视觉表征框架

      Figure 1.  Framework for Visual Representation of Landslides

    • 概念图的作用是组织整理从现实世界抽象出的滑坡灾害相关的概念与逻辑关联。组成概念图的基本要素包括概念、命题、交叉连接以及层级结构[13], 其中概念指对事件或对象所感知到的规律。命题是对物体或事件的陈述,通常由两个或两个以上的概念以及连接概念的词或短语所组成。交叉连接用于表示不同知识领域概念之间的相互关系。层级结构则是将不同概括程度的概念以层次结构进行排列。要将滑坡灾害知识用概念图的形式进行表达,需要确立上述4种基本要素。

    • 根据滑坡灾害发生的主要特征[18-21],将概念类型分为受灾位置、受灾时间、诱发因素、滑坡状况、受损情况和次生灾害,如表 1所示。

      表 1  概念图的概念信息

      Table 1.  Information of Conceptual Map

      概念 包含信息 主要作用
      受灾位置 滑坡发生的地点 帮助公众了解灾害发生地点的环境信息
      受灾时间 滑坡发生的时间 帮助公众判别灾前灾后时间节点
      诱发因素 引发灾害的自然及人工因素 解释滑坡灾害形成的原因
      滑动过程 滑动方向、掩盖范围 帮助公众了解滑坡滑动的状况
      受损情况 承灾体的可视化展示 为公众提供灾后的损失情报
      次生灾害 灾后可能引发的二次灾害 展示灾后所带来的潜在危险
    • 根据概念的概括程度以及时空关系可确定概念图的整体层次结构,利用连接词将相关的概念进行关联,可对整个滑坡事件进行陈述,从而确立概念图的整体框架。在滑坡灾害中,不同领域的概念之间也互有关联。如诱发因素受灾害地点影响,若受灾地点在地震带区域,可推断灾害有可能是地震诱发。灾前灾后的概念之间包含因果关系,诱发因素导致滑坡发生,滑坡的发生又对设施、人员与财产造成损害,且可能引发次生灾害。为了在概念图上表示上述关系,需要利用交叉连接,将不同领域的概念之间进行连接。如图 2所示。

      图  2  滑坡灾害概念图

      Figure 2.  Landslide Disaster Concept Map

    • 以概念图为基准,用场景动画的形式向公众传播相关的内容,需要将概念图中的概念进行实例化,并构建相应的动画表达形式,形成相应的动画帧。根据概念图的逻辑确定动画帧的排列顺序,最后形成完整的场景动画。

    • 1) 受灾位置。受灾位置的实例化是根据滑坡灾害地点构造三维场景,作为整个场景动画进行动画展示的基础,同时利用文字展示所在位置的地名信息。通过三维场景与文字的演示说明,公众可以清楚了解灾害发生的具体位置及其周边的环境信息。

      2) 受灾时间。受灾时间的实例化是利用文字展示具体的时间显示在场景动画中,且受灾时间可作为灾前与灾害发生时的分界点。

      3) 诱发因素。文献[18-20]表明,引起滑坡的主要诱因有地震、暴雨、雪灾以及工程活动。以上诱因的实例化与动画表达形式如表 2所示。

      表 2  诱发因素实例化及其动画表达

      Table 2.  Instantiate Process and Animation Expression of Inducing Factor

      诱发因素实例化 动画表达方式 示例
      地震 对场景进行晃动,来表示地震的发生;根据晃动的频率、幅度与延续时间来表明地震的强弱;同时配上文字,说明是何时何地的地震
      暴雨 通过在场景中添加降雨的效果进行表示
      雪灾 通过在场景中添加降雪的效果进行表示
      工程活动 在场灾害发生的山体上添加施工图标,并加上文字说明

      4) 滑动过程。滑动过程为公众提供最为直观的滑坡动态变化过程,并且向公众展示滑动的范围以及堆积体的状态。其展示方式如表 3所示。

      表 3  滑动过程实例化及其动画表达

      Table 3.  Instantiate Process and Animation Expression of Landslide Sliding

      滑动过程实例化 动画表达方式 示例
      滑动方向 通过箭头的滑动表示滑坡的滑动方向
      动态过程 通过叠加不同时刻的滑动模型同时添加烟雾效果,进行滑动过程的模拟
      滑坡范围 利用线要素勾画出滑坡滑动的整体范围
      堆积体厚度与宽度 用箭头拉伸动画强调堆积体的厚度与宽度,同时附上文字进行说明

      5) 受损情况。受损信息选择与公众生活相关的信息,更容易引起公众的关注与共鸣,本文将受损情况实例为房屋、道路、河道、耕地以及重要设施。其表达方式如表 4所示。

      表 4  受灾情况实例化及其动画表达

      Table 4.  Instantiate Process and Animation Expression of Damage Information

      受灾情况实例化 动画表达方式 示例
      房屋 体要素,利用颜色分类
      河道 面要素,利用颜色分类
      道路 线要素,利用虚实线分类
      耕地 面要素,利用颜色分类
      重要设施 特殊符号

      为方便公众快速识别各物体,本文根据上述实例的特征,分别使用体、线、面要素以及点标记的形式在场景中进行标识。同时根据受灾情况,用不同的颜色形态对承灾体进行分类,并对受灾物体辅以闪动的动画效果。其中房屋用体要素进行表示,河道与耕地用面要素表示,道路用线要素表示,重要设施根据实际情况选择合适的标记符号进行点标记。在实际展示时,需根据展示的物体添加对应的图例,以辅助公众认知场景中的承灾体。如有具体的受损数据也可进一步添加文字进行描述。

      6) 次生灾害。滑坡原生灾害的发生会诱发次生灾害[22],次生灾害的发生大多是滑坡影响山体本身与临近河道造成的。因此本文将次生灾害实例化为河道阻塞与山体不稳,使用几何体在相应的河道与山体处进行标记,并添加文字说明其危害性,如表 5所示。

      表 5  次生灾害实例化及其动画表达

      Table 5.  Secondary Disaster and Animation Expression of Damage Information

      次生灾害实例化 动画表达方式 示例
      河道阻塞 标记并解释河道堵塞的危害性
      山体不稳 标记并解释山体不稳的危害性
    • 滑坡动态表达的实现主要依靠两个关键点,一是灾害过程因果关系的表现,二是概念实例动画表达的实现。由于滑坡灾害整体过程的因果性与时序性保持一致,因此,按照灾害过程的先后顺序进行动画表达可以体现出其因果关系。而动画表达是通过场景中的模型状态的变化与遍历更新并结合粒子特效完成的,其中状态的变化是根据变换矩阵、四元数与模型可视状态的变动所得,而粒子特效是依据其放置位置、设定的寿命与速度、范围以及颜色大小确定的。将两个关键点结合则可得到滑坡灾害的动态表达。

      图 3所示,以顺序结构组织概念节点,概念节点中以时序性链接概念实例。在进行动态表达时,按顺序读取每个概念节点,在读取概念节点时按链接的顺序依次进行概念实例的动画表达,读取完成所有的概念节点即完成滑坡灾害的动态表达。

      图  3  滑坡灾害动态表达关键技术

      Figure 3.  Key Technology of Dynamic Expression of Landslide Disaster

    • 本文选取2017年6月24日发生的6·24茂县特大山体滑坡开展实验。案例区域位于四川省阿坝州茂县叠溪镇新磨村(103°39′46″E,32°4′47″N),具体位置如图 4所示。该滑坡灾害使得众多民居与耕地多处掩埋,同时损毁道路若干并堵塞河道[23-24],造成了重大的经济损失与人员伤亡,并留下潜在威胁。

      图  4  案例区域

      Figure 4.  Case Area

    • 在了解滑坡灾害的位置、时间、诱因、滑动状况、受损情况与相应的次生灾害后,利用本文所述方法得到图 5的结果。如图 5所示,首先在滑坡位置结合场景震动展示历史地震事件,之后在场景展示强降雨动画,接着展示滑坡整体的范围以及当前的位置与时间,而后展示滑坡滑动的过程,最后结合说明展示堆积体的状态。在滑动结束后,结合图例与文字说明展示灾害的受损状况与潜在的次生灾害威胁。

      图  5  实验结果展示

      Figure 5.  Experiment Results

    • 本文滑坡可视化视觉表征方式与其他滑坡变形可视化表达的对比如表 6所示。由表 6可知,本文方法是以公众教育为导向进行的可视化表达,表达内容与传统方法不同,能够帮助公众直观地了解滑坡灾害知识。

      表 6  可视化方法对比描述

      Table 6.  Contrast Description of Methods of Visual Representation

      视觉表征方法 服务对象 可视化基础 表达内容 用途
      本文方法 公众 知识表征 滑坡灾害的浅层知识与逻辑 传播教育
      其他滑坡可视化视觉表征方法 专业人员 力学模型 滑坡变形的真实过程 预测与分析

      为了进一步验证与分析本文方法的效果,设计了调查分析如下。

    • 本文将可视化结果输出为39 s的视频文件,并根据可视化内容总结出一份文字报告作为实验资料。在实验中,实验参与人员将按自身偏好选择观看动画或文字报告,在确定观看完成后填写问卷,评价资料是否帮助自身认知滑坡灾害,最后需要在没有资料的情况下进行答题。本实验所设题目一共有4题,内容均取自于实验资料,答对3题记为通过,同时记录从观看到答题完毕所花费的时间。对资料的评价可确认提供资料的有效性,实验者的偏好、答题通过率以及耗时将作为评判资料效果好坏的依据。所设问题如下:

      (1)根据资料,此区域滑坡前共发生了几次地震?

      (2)此区域滑坡后有哪些物体受损?

      (3)根据资料,此区域灾后隐患是什么?

      (4)根据资料,此区域滑坡的大致过程是怎么的?

    • 本文根据实验设计的流程制作网上问卷调查并进行发布,参与人员将在无法回翻的分页模式下完成所有答题,所有的选项与所耗时间都将记录在后台。在发布后,一共收到了124份答卷,为保证数据准确性,本文进行了ip筛选,删除了来自同一ip的多份答卷,对余留下的95份数据进行分析。

    • 统计所获数据结果如表 7所示。根据结果分析,选择以动画表达作为滑坡灾害知识学习资料的人数占总人数的72%,而选择文字报告的人数仅为总人数的28%,这表明更多的人倾向于用动画表达的方式对滑坡灾害进行认知。在选择各自偏好的资料后,双方均有90%以上的人员认为观看资料后对滑坡有了更直观的理解,其中动画表达组为97.1%,文字报告组为92.6%,说明提供两种资料对于目标人群是有用的。答题的设置是为了判断参与人员对滑坡灾害的认知程度,通过率更高被认为对滑坡灾害的认知程度更高,本次实验中选择动画表达为学习资料的人员通过率比选择文字报告的人员高15.1%,说明动画表达更能帮助人们认知滑坡灾害知识。最后对比问卷平均耗时,发现观看动画的人员完成问卷的平均耗时较选择文字报告的人员更少,在一定程度上反映了动画表达的方法认知效率更高。综上可知,动画表达的方式更受公众喜爱,且能够帮助公众快速认知滑坡灾害知识。

      表 7  滑坡灾害认知方式对比统计表

      Table 7.  Statistical Table of Cognitive Style of Landslide Disaster

      指标 动画表达 文字报告
      选择人数占比/% 72 28
      观后对滑坡有了更直观的认识/% 97.1 92.6
      答题通过率/% 63.2 48.1
      完成问卷平均耗时 1 min 28 s 1 min 40 s
    • 针对当前公众缺乏对滑坡灾害的认知,而又缺少专门针对滑坡灾害进行公众教育的方法的状况,本文展开了面向公众教育的滑坡灾害可视化视觉表征方法的研究。结合视觉辅助教育的理念,提出了一种动静态结合的视觉表征框架,对其中概念图的表示方法进行了详尽的阐述,同时也对场景动画的实例化进行了分类说明。此方法可辅助教育者将包含复杂机理的滑坡知识转为由浅层逻辑连接的概念图,并将概念图转换为场景动画用以传播。以2017年6月24日茂县叠溪镇6·24特大山体滑坡为例开展案例实验分析,实验结果表明本文方法能够辅助构建知识内容,同时能够帮助公众认识滑坡灾害。

      本文仅针对滑坡从灾前诱因到灾害损害的过程进行可视化表征研究,目的是为了让公众了解滑坡这一频发的灾害。下一步,应考虑如何将防灾和灾后措施作为知识的一部分进行表达,辅助公众提高抗灾意识与抗灾能力。

参考文献 (24)

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