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地质灾害应急制图模型研究

龚丽芳 李爱勤 陈张建 胡冯伟 杜清运 侯宛玥

龚丽芳, 李爱勤, 陈张建, 胡冯伟, 杜清运, 侯宛玥. 地质灾害应急制图模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
引用本文: 龚丽芳, 李爱勤, 陈张建, 胡冯伟, 杜清运, 侯宛玥. 地质灾害应急制图模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
GONG Lifang, LI Aiqin, CHEN Zhangjian, HU Fengwei, DU Qingyun, HOU Wanyue. Emergency Mapping Model for Geological Disaster[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
Citation: GONG Lifang, LI Aiqin, CHEN Zhangjian, HU Fengwei, DU Qingyun, HOU Wanyue. Emergency Mapping Model for Geological Disaster[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140

地质灾害应急制图模型研究

doi: 10.13203/j.whugis20200140
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFC0803106

详细信息
    作者简介:

    龚丽芳,硕士,高级工程师,主要研究方向为地图制图与GIS 工程。gonglifang121@126.com

    通讯作者: 李爱勤,博士,正高级工程师。aqli_cn@126.com
  • 中图分类号: P208

Emergency Mapping Model for Geological Disaster

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2016YFC0803106

More Information
    Author Bio:

    ZHANG Fuhao,PhD,professor, specializes in government geographic information system.E-mail:Zhangfh@casm.ac.cn

    Corresponding author: LI Aiqin,PhD, professor engineer. E-mail: aqli_cn@126.com
图(9) / 表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-01
  • 刊出日期:  2020-08-05

地质灾害应急制图模型研究

doi: 10.13203/j.whugis20200140
    基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFC0803106

    作者简介:

    龚丽芳,硕士,高级工程师,主要研究方向为地图制图与GIS 工程。gonglifang121@126.com

    通讯作者: 李爱勤,博士,正高级工程师。aqli_cn@126.com
  • 中图分类号: P208

摘要: 随着突发事件应急处置过程的标准化、信息化程度不断提高,应急管理部门对应急测绘地理信息保障服务的主动性和适应性要求也越来越高。应急制图作为应急测绘地理信息保障服务的重要内容,也面临着提升制图速度、覆盖应急处置全过程的迫切需求。以地质灾害为例,梳理了地质灾害孕育、产生、发展到消亡全过程的地理场景模型;提出了决策者、执行者、承灾者、旁观者等4个用户类别并逐一解析了不同地理场景模型中应急制图的用户需求模型;设计了数据制图模式、模型制图模式以及专家制图模式等一套满足多场景的地质灾害专题制图方案,并以中国浙江省地质灾害中的测绘地理信息保障服务工作为例进行了验证。

English Abstract

龚丽芳, 李爱勤, 陈张建, 胡冯伟, 杜清运, 侯宛玥. 地质灾害应急制图模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
引用本文: 龚丽芳, 李爱勤, 陈张建, 胡冯伟, 杜清运, 侯宛玥. 地质灾害应急制图模型研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
GONG Lifang, LI Aiqin, CHEN Zhangjian, HU Fengwei, DU Qingyun, HOU Wanyue. Emergency Mapping Model for Geological Disaster[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
Citation: GONG Lifang, LI Aiqin, CHEN Zhangjian, HU Fengwei, DU Qingyun, HOU Wanyue. Emergency Mapping Model for Geological Disaster[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1273-1281. doi: 10.13203/j.whugis20200140
  • 浙江省是中国地质灾害易发和多发的省份之一。受地形地貌、地质构造、气象条件与人类强烈工程活动的影响,平原区地面沉降发育迅速; 山区受梅汛期、台汛期强降雨影响,容易诱发滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害[1-2]

    在地质灾害防治与应急处置过程中,应急专题图是应急测绘地理信息保障服务最普遍的测绘成果表现形式。国内学者针对应急专题图制作模式、制作技术等方面开展了一系列研究[3-13]。现有成果主要围绕提升灾后应急制图的时效性展开,能够避免出现“人等图”的现状,但依旧处于被动式制图状态,在制图内容上缺乏对灾害应急制图全过程场景的覆盖,在制图方法上缺乏对全部可视化变量制图模式的解析。因此,本文以地质灾害这一单一灾种为例,从构建地质灾害孕育、发生、发展到消亡全过程的地理场景模型入手,逐一解析了不同情景中的应急制图用户需求模型,提出了针对不同的可视化变量的应急制图模型,设计了一套满足应用需求的多场景地质灾害专题制图方案,并以浙江省地质灾害防治和应急中的测绘地理信息保障服务工作为例进行了验证。

    • 情景可以表述为是对未来可能发生的事物在它发生发展的整个过程中的趋势和态势的一个全面描述,它并不是预测,而更倾向于是通过对该事物在过去发生的大量案例的总结和分析而产生的一种合理的期望[14-15]。对情景建模就是对某特定情景进行不同维度和不同层次的分析,使它从一个抽象概念具化为一组参数或要素的集合[16],成为一个可以以清晰化、逻辑化的方式用不同属性描述和表达的对象。

      中国作为一个地质灾害较为严重的国家,有效的防灾减灾应急响应工作对于人民的安全生存与健康发展、国家的社会和谐稳定繁荣都具有重要意义[17]。对地质灾害进行情景建模可为灾害的认识和理解提供理论支持,也可为灾害发生时应急响应工作的开展提供依据,提高应急响应能力,减少灾害带来的损失。

      根据目前已开展工作的经验积累和总结,可从突发事件的“分类”“分级”“分期”3个维度构建地质灾害的全过程情景。表达式为:

      $$ G\left( I \right) = \left\{ {C, L, T} \right\} $$

      式中,G(I)指代特定的一个地质灾害;I是对其标识信息的编号;C表示地质灾害的类别,主要的地质灾害有崩塌、滑坡、泥石流、不稳定斜坡、地面塌陷等几种类型;T表示地质灾害的发生阶段,有地质灾害孕育(灾前)、地质灾害发生(灾中)、地质灾害后(灾后)3个阶段。L表示地质灾害的级别,按照地质灾害的危害程度和规模大小可分为:(1)特大型地质灾害险情和灾情(Ⅰ级):需搬迁转移人数 > 1 000人或潜在经济损失 > 1亿元或死亡人数 > 30人或直接经济损失 > 1 000万元;(2)大型地质灾害险情和灾情(Ⅱ级):需搬迁转移人数为500~1 000人或潜在经济损失为5 000万元~1亿元或死亡人数为10~30或直接经济损失为500~1 000万元;(3)中型地质灾害险情和灾情(Ⅲ级):需搬迁转移人数为100~500人或潜在经济损失为500~5 000万元或死亡人数为3~10人或直接经济损失为100~500万元;(4)小型地质灾害险情和灾情(Ⅳ级):需搬迁转移人数 < 100人或潜在经济损失 < 500万元或死亡人数 < 3人或直接经济损失 < 100万元。以这3个属性为一组即可完成对某一个地质灾害的情景构建和特定表达。

      情景的发生是和特定的地理空间相关的,这个地理空间就构成了地质灾害的地理场景[13],它的本质是由一条条不同类型的地理信息组成的,从特定场景中总结普遍性规律,对其中的地理信息类型进行抽取、分析、概括的过程就是对它的建模过程,也可以理解为是将地质灾害应急处置全过程中包含的地理领域的知识、信息和数据构建为地理本体[18]。应急制图的过程就是对这个地理本体快速描述的过程。

      为了描述地质灾害处置全过程的地理场景模型,选择“信息”“范围”“时态”“载体”4个维度进行构建。其中,“信息”是指地理场景描述中涉及的各类基础和专题地理空间信息,主要包括以下4种:(1)背景信息,指与地质灾害应急处置全过程相关的地形地貌、自然资源、应急资源等背景信息。这类信息通常应在日常工作中搜集并提前准备好。(2)历史信息,指地质灾害应急处置过程的回溯信息。这类信息通常应在灾害发生后整理形成。(3)现场信息,指地质灾害孕育、发生阶段从现场实时监测或者报送的各类信息。这类信息的获取通常需要提前建立监测网络或者报送网络。(4)评估信息,指基于前面3种信息,利用各种模型计算加工后形成的各类预警预报、评估评价信息。这类信息通常需要通过实时计算获得。“范围”是指地理场景描述的空间单元,可分为“小场景”和“大场景”。“小场景”是指地理场景中“信息”的承载区域为灾害发生地周围的空间单元;“大场景”是指地理场景中“信息”的承载区域为应急管理所覆盖全区域的空间单元。“时态”是指地理场景表达的时态性,可分为“静态”和“动态”。“静态”是指地理场景中的“信息”在应急处置过程中不会随时间而变化;“动态”指地理场景中的“信息”在应急处置过程中会随时间而变化。“载体”是指地理场景表达的媒体形式,分为“纸质”和“电子”。根据这个模型,地质灾害孕育、发生发展、消亡等3个阶段的地理场景模型建模结果如表 1所示。

      表 1  地质灾害地理场景建模

      Table 1.  Geological Disaster Geographical Scene Modeling

      阶段 地理场景模型 地理场景模型实例 信息 范围 时态 载体
      地质灾害孕育 环境监测 历史地质灾害分布图
      地质灾害隐患点分布图
      台风路径图
      气象监测图
      地质风险防范区一张图
      背景信息
      历史信息
      现场信息
      大场景 静态
      动态
      纸质
      电子
      预警预报 气象风险预报图
      台风路径地质灾害风险分析图
      突发性地质灾害风险预报图
      突发性地质灾害风险实时预警图
      背景信息
      评估信息
      大场景 动态 电子
      地质灾害发生、发展 静态信息展示 灾区位置图
      灾区地形图
      水电油气通信管线分布图
      灾区危险源分布图
      应急安置点分布图
      医疗救援点分布图
      背景信息 大场景 静态 纸质
      电子
      动态信息展示 受损交通路线分布图
      灾区实时遥感影像图
      灾情信息分布图
      救援人员动态分布图
      安全保障范围图
      背景信息
      现场信息
      小场景
      大场景
      动态 电子
      评估分析 预计地质灾害影响范围分布图
      次生灾害隐患点及次生灾害分布图
      背景信息
      评估信息
      小场景 动态 电子
      决策结果展示 避让搬迁区域分布及路线图
      应急救援/受困人员撤离推荐路线图
      背景信息
      评估信息
      小场景 静态 纸质
      电子
      地质灾害消亡 变化比对 灾后水电油气通信线路受损情况分布图
      灾后植被覆盖变化图
      灾后次生灾害隐患点分布图
      背景信息
      现场信息
      评估信息
      大场景 动态 电子
      静态信息展示 人员伤亡分布图
      灾后交通分布图
      灾后受损建筑物分布图
      经济损失分布图
      治安保障分布图
      公共卫生事件及隐患分布图
      背景信息
      评估信息
      小场景大场景 静态 纸质
      电子
    • 用户模型是伴随着互联网和大数据技术的飞速进步而发展的概念,对用户们的兴趣需求和认知特点进行总结划分,将用户分为不同类型,对于不同用户类型使用具有一定结构、形式化的语言进行描述[19]完成用户建模,有助于用户需求挖掘和匹配的准确性。常见的用户兴趣建模方法有向量空间模型[20]、基于本体的表示法[21]、神经网络[22]、基于层次的表示法[23]等。

      根据地质灾害领域研究的用户分类调研结果[24]以及实际工作中不同人群对于应急响应在任务分工、数据需求、相关程度、可视化认知能力方面的差别,将地质灾害应急制图用户分为4类:

      1)决策者:对于全局具有较强空间认知能力和决策能力,需要的是源数据加工后产生的信息,根据信息结合不同情景产生相应的决策信息,并确定拟采取的方案。

      2)执行者:接受两方面的信息,承担两方面的职责:一方面是需要接受关于地质灾害最完整、最全面、最精细的源数据,并完成对数据的收集、汇总、加工、处理,形成加工后的信息为决策者提供辅助支持;另一方面还是决策者产生的决策信息和选定的应急方案的直接接收者和承担者,针对具体方案完成各项落实工作,具体地去开展各项应急响应工作。

      3)承灾者:是应急事件中的直接当事人,和灾害事件具有最直接的关系。他是地质灾害受灾信息的初始提供人,也是救灾方案的直接承受者,地质灾害应急响应工作开展的及时有效性直接为其生命安全和财产生活提供保障。

      4)旁观者:泛指与应急事件没有直接关系的公众,只需要对少量原始信息和结果信息有所了解即可。

      对这4类用户的兴趣模型使用基于层次的方式进行表示。决策者的兴趣模型如图 1所示。执行者的兴趣模型如图 2所示。承灾者的兴趣模型如图 3所示。旁观者的兴趣模型如图 4所示。

      图  1  基于层次的决策者兴趣模型

      Figure 1.  Interest Model of Decision Maker Based on Hierarchy

      图  2  基于层次的执行者兴趣模型

      Figure 2.  Interest Model of Executor Based on Hierarchy

      图  3  基于层次的承灾者兴趣模型

      Figure 3.  Interest Model of Disaster Victims Based on Hierarchy

      图  4  基于层次的旁观者兴趣模型

      Figure 4.  Interest Model of Onlookers Based on Hierarchy

      根据用户兴趣模型将地质灾害不同情景下产生的专题图与4种用户进行匹配,如表 2所示。

      表 2  专题图与用户的匹配

      Table 2.  Matching Thematic Map with Users

      阶段 专题图 用户角色
      决策者 执行者 承灾者 旁观者
      地质灾害孕育 历史地质灾害分布图
      地质灾害隐患点分布图
      台风路径图
      气象监测图
      气象风险预报图
      台风路径地质灾害风险分析图
      突发性地质灾害风险预报图
      突发性地质灾害风险实时预警图
      地质风险防范区一张图
      地质灾害发生 灾区位置图
      预计地质灾害影响范围分布图
      灾后地形图
      次生灾害隐患点分布图
      灾区危险源分布图
      应急安置点分布图
      避让搬迁区域分布及路线图
      救援人员动态分布图
      医疗救援点分布图
      受损交通路线分布图
      应急救援/受困人员撤离推荐路线图
      安全保障范围图
      水电油气通信管线分布图
      灾区实时遥感影像图
      灾情信息分布图
      地质灾害后 人员伤亡分布图
      灾后交通分布图
      灾后受损建筑物分布图
      经济损失分布图
      灾后水电油气通信线路受损情况分布图
      灾后植被覆盖变化图
      灾后次生灾害隐患点分布图
      治安保障分布图
      公共卫生事件及隐患分布图
    • 应急制图具有针对性强、时效性高、信息传输效率高的要求,针对地质灾害建立的全过程地理场景模型,明确与之对应的应急地图的种类、专题内容及制图方法,可以建立地质灾害情景知识规则和地质灾害制图知识规则,形成“情景-制图”模型,开发应急制图引擎服务,以减少应急制图的环节,提高成图速度。

      针对地质灾害情景知识规则,表 1表 2已对不同情景、不同用户对应的应急地图种类进行表达,有助于在实际应急制图情景下完成专题地图类型的匹配和选择。

      快速制图、数据准确、表达直观是地质灾害应急制图的要求和目标,为此制图过程需满足标准化、流程化、自动化。

      1)标准化。针对各类数据源运用对应处理方案提前进行标准化,尽量缩短应急制图中所需的各类基础、专题信息数据源的处理过程。

      2)流程化。针对应急制图形成流程体系,不同专题图对其制图各阶段所需的制图规则、制图模板、制图符号做好预设,标准化的数据源输入后按照预设流程实现迅速出图。

      3)自动化。运用信息技术收集数据源、完成数据到知识的处理,提高自动化程度,提升速度。

      不同的专题图制图流程有所不同,根据制图专题信息的生成方式划分为3类制图方法:

      1)数据制图。适用于制作各类设施、人口等信息的基础分布图,只需对这些要素的位置分布信息进行直观表达,即简单的要素分布图,将数据源空间化后得到的空间位置信息叠加制图模板并设置合适制图符号即可得到结果图。

      2)模型制图。适用于制作各类预警预报、分析图,数据源需要套用各种地理模型进行分析计算,专题地图呈现出的是分析计算的结果,相比数据制图多了模型分析的过程。结果图可能是要素分布图、统计专题图等地图类型,仍需套用不同模板选用符号完成模板制图。

      3)专家制图。适用于指挥现场各类决策方案的呈现,比如撤离路线图等,它的数据源来自现场直接输入的各种专题信息,套用相应模板符号即可成图。

      地质灾害应急制图总体流程如图 5所示。

      图  5  地质灾害应急制图流程

      Figure 5.  Geological Disaster Emergency Mapping Process

    • 应急专题制图是以“模板+数据=专题图”为指导思想,专题地图模板包含了专题制图数据、附图、符号、整饰在内的各种制图要素的存储方式和可视化表达形式。这些要素相互联动,相互作用,共同构建了在线专题图的数字化表达形式。从制图流程、技术要求和产品类型等因素出发,通过对专题数据、附图、符号、整饰、尺度等在内的制图要素属性(尺寸、位置、内容、层级、样式、数值)进行分析,抽取、抽象封装成计算机可执行的对象集合。各制图要素的集合组成的制图对象就是一幅数字专题图,通过数据驱动,计算机可直接动态渲染成图。

    • 制图框架从下至上分别设计为数据访问层、业务逻辑层和表示层,如图 6所示。数据访问层是系统根基,用于获取第三方平台的地质灾害、基础地理信息、政务信息等数据,形式包括接口、服务和文件;业务逻辑层是系统核心,用于封装专题制图引擎及其与场景库、模板库、符号库的功能接口;表示层主要面向用户,用于接收和展示制图引擎的运行结果。专题制图引擎包含专题图管理、在线制图、共享这3大功能模块。专题图管理模块用于历史图件的目录显示、排序与查询;在线制图模块用于各类应急专题图的动态生成,包括模板选择、底图设置、动态符号化,附图添加、制图要素的参数化设置等功能;共享模块主要面向用户,提供线下打印输出、在线共享至第三方平台系统以及打印参数设置等功能。

      图  6  应急制图系统架构

      Figure 6.  Emergency Mapping System Architecture

    • 在Visual Studio Code环境下,基于VUE框架,本文以浙江省地质灾害防治和应急过程中的要素分布图、预警预报图、灾害情况示意图为例设计并实现了地质灾害应急制图模块。

      要素分布图用于地质灾害应急处置的全过程,该类专题图主要面向执行者用户(省、市、县应急值守人员),可直观展示地质灾害专题的要素分布情况和属性信息,并能够根据指定参数值动态控制要素的表现形式,方便用户判别风险情况。要素分布图的制作是数据制图方法的典型代表,这种专题图的特点是应用场景单一,数据与引擎直接连通,可一次接入多种要素展示,如避灾点、医院等(见图 7)。

      图  7  要素分布图制图

      Figure 7.  Mapping of Element Distribution Map

      预警预报图主要用于地质灾害孕育阶段,该类专题图主要面向省、市决策者用户,通常以分级底色法表示各地区的气象风险等级预报情况,从宏观层面方便用户迅速掌握孕灾环境。预警预报图制作是模型制图方法的典型代表。这种专题图的特点是专题数据需要经过专业模型分析处理才能输入到制图引擎出图;而且模型分析结果具有时序性,制图引擎也需要根据模型结果动态出图,如图 8所示。

      图  8  预警预报图制图

      Figure 8.  Mapping ofEarly Warning and Forecast Map

      灾害情况示意图用于地质灾害发生阶段,主要面向应急救援时的决策者和执行者用户,制作时需以应急调查采集的灾害专题信息为基础,叠加各类标绘结果,辅助用户实施救援。灾害情况示意图的制作是专家制图方法的典型代表,这种专题图的特点是专题数据来自灾害发生后野外应急调查,专题数据经过制图引擎后,还需要结合专家知识和地图标绘等能力,才能生成最终的灾害情况示意图(见图 9)。

      图  9  灾害情况示意图制图

      Figure 9.  Mapping of Hazard Situation

    • 相较于传统被动式制图模式,本文以地质灾害单一灾种为出发点,构建了地质灾害孕育、发生、发展到消亡全过程的地理场景模型与用户需求模型,提出了针对不同可视化变量的应急制图模型,并由此实现了一套满足应用需求的多场景地质灾害专题制图解决方案。通过浙江省地质灾害防治和应急过程中的制图案例表明了该方案在应急环境下可以辅助用户决策分析,进一步改善地质灾害应急制图的效率和质量;且对于提升浙江省地质灾害防治和应急信息化水平也具有重要的借鉴意义。未来的研究工作将重点分析研究多场景地质灾害专题制图中的系列主题模板,并对制图引擎不断优化,以提升应急制图过程中的自适应性。

参考文献 (24)

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