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GIS在城市應急平臺建設中的應用研究

1 引言
上世紀后半葉，隨著人口激增、資源短缺、生態(tài)破壞、環(huán)境惡化和恐怖主義的盛行，人類面臨日益嚴峻的公共安全問題。進入新世紀，自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生、社會安全等突發(fā)公共事件對人類的侵襲更有愈演愈烈之勢。2001年美國911恐怖襲擊事件，2003年驚心動魄的SARS疫情，2004年巴拉圭超市特大火災事件，2004年—2005年的印度洋海嘯事件，這些事件帶給人類的除了傷亡、疾病，還有無法磨滅的記憶和傷痛。我國每年由公共安全問題造成的非正常死亡約20萬人，傷殘約200萬人，造成的經(jīng)濟損失約為GDP總量的5%。未來20年是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期，城市化、新型工業(yè)化以及全球化進程將進一步加快，公共安全問題發(fā)生頻度將進一步增加。我國政府高度重視對突發(fā)公共事件的預防和處置工作，2006年1月8日國務院公布了《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》，2006年出臺的《國務院關于全面加強應急管理工作的意見》把“推進國家應急平臺體系建設”列為“加強應對突發(fā)公共事件的能力建設”的首要工作，明確指出“加快國務院應急平臺建設，完善有關專業(yè)應急平臺功能，推進地方人民政府綜合應急平臺建設，形成連接各地區(qū)和各專業(yè)應急指揮機構、統(tǒng)一高效的應急平臺體系”，公共安全應急平臺建設作為實施預案的工具，成為應急管理的一項重要基礎性工作。
GIS出現(xiàn)于20世紀60年代，經(jīng)過40多年的發(fā)展，逐漸形成了其理論和技術體系，GIS已被廣泛應用于自然、社會、經(jīng)濟、人文等眾多領域的建模和決策支持，因為其固有的優(yōu)勢，應急管理工作的許多業(yè)務需求可以甚至必須在GIS的支持下才能實現(xiàn)。近年來，雖然各級政府應急平臺建設的工作已先后展開，然而對GIS在應急平臺中的應用尚缺乏系統(tǒng)的研究，鑒于此，本文鑒于應急平臺的地位和作用，結合GIS的功能，系統(tǒng)研究了GIS對應急平臺建設的支持。此外，本文還基于當前新軟件工程技術及主流GIS軟件提供的設計和開發(fā)方法，闡述了GIS在應急平臺上的集成。通過典型案例，展示了GIS在城市應急平臺建設中的應用。文章后對GIS在公共安全應急中的應用現(xiàn)狀和趨勢進行了總結和展望。

2 GIS與應急管理

2.1 GIS的主要功能

GIS(Geographic Information System)是地理信息系統(tǒng)的簡稱，它是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計用來支持空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規(guī)劃和管理問題。GIS是20世紀60年代在迅速發(fā)展的計算機技術的推動下出現(xiàn)的一項地理學研究技術，它是地理學、測繪學、地圖學、計算機科學等多種學科交叉的產(chǎn)物。近年來，受日益廣泛的應用需求驅動并得益于計算機科學的飛速發(fā)展，GIS無論在理論研究還是實際應用方面均獲得了迅速的發(fā)展。許多計算機領域的新技術，如Internet技術、面向對象的數(shù)據(jù)庫技術、三維可視化技術、圖像處理和人工智能技術都被先后應用到GIS中。

2.2 應急管理中的GIS
與遙感和GPS測量技術結合，GIS可以為監(jiān)測監(jiān)控提供支持。遙感具有大范圍、快速、多頻次、經(jīng)濟地獲取空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，GPS則能用于高精度定位，遙感和GPS作為GIS的重要數(shù)據(jù)源，結合GIS的數(shù)據(jù)收集、處理和管理的能力，可以獲取各種監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)。為風險分析和評估提供數(shù)據(jù)支持。
GIS技術具有管理和分析多源空間數(shù)據(jù)的能力。而風險隱患辨識、分析和評估涉及到各種風險源、防護目標以及相關應急資源、救援力量，各類自然、社會、經(jīng)濟等因素的綜合處理分析，GIS強大的空間分析功能，如疊加分析、緩沖區(qū)分析等能為其提供支持。如通過GIS的緩沖區(qū)分析功能，可以識別出明顯或潛在的重大危險源和重點防護目標等信息，再結合人口密度、街道、管線、電力線等其它地圖數(shù)據(jù)，使用疊加統(tǒng)計、空間關聯(lián)分析等基礎的空間分析功能，開展風險分析和評估。二、三維可視化技術，如空間數(shù)據(jù)符號化展示，統(tǒng)計圖表，三維地形模型、空間對象模型等是GIS提供的豐富的展示功能。在風險表達中，可以綜合使用GIS的可視化技術和圖表功能，將風險隱患辨識、分析和評估的結果制作為二、三維專題圖的形式，不僅具有豐富的效果，更便于信息的傳遞、理解和應用。
在接收到突發(fā)公共事件信息時，通過GIS可以進行突發(fā)公共事件定位、按比例尺查詢顯示事發(fā)地周邊環(huán)境信息，進行地圖標繪，制作事件接報專題圖。
通過GIS的空間查詢、空間數(shù)據(jù)編輯、區(qū)域統(tǒng)計等功能，可以對監(jiān)控點、各類應急資源進行查詢檢索和維護管理，保證監(jiān)測監(jiān)控的有效性和現(xiàn)勢性，全面掌控資源狀態(tài)，及時更新應急資源信息。

在災后恢復和重建時，恢復期內(nèi)，可以用手持設備、GPS定位毀壞的設施，確定損失情況，排出優(yōu)先級；配給中心按人口和每個地區(qū)遭受的損失程度，給安置點發(fā)放水、食物、藥品、衣被等生活物資。重建期內(nèi)，可以用GIS來跟蹤和顯示重建的計劃和進展，輔助重建資金的預算、分配和記錄。

3 GIS與應急平臺的集成
隨著軟件工程技術的發(fā)展，面向對象和面向服務的設計和開發(fā)方法日益成熟，并在實際中獲得了巨大的成功，當前主流的GIS軟件也提供了對這些設計和開發(fā)技術的支持。因此，為了與GIS軟件無縫集成，獲得佳應用效果，應急平臺的架構設計亦應該遵循平臺化、構件化的設計思想，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一的接口標準、統(tǒng)一的安全保障。
GIS與應急平臺的集成基于先進的多層架構模型和SOA (Service-Oriented Architecture)架構模型。多層架構可以搭建松散耦合、易于復用、可擴展性強的應用，除了方便軟件開發(fā)的組織和實施外，亦便于日后系統(tǒng)的維護和擴展。而SOA架構模型則可以更好地滿足系統(tǒng)的組件化、互操作、模塊化、可伸縮等特性，實現(xiàn)當前或今后應急信息化建設中更多的資產(chǎn)重用，快速響應業(yè)務需求變化，SOA架構具有的規(guī)范統(tǒng)一性和高度的開放性可以保證應急領域信息化建設的兼容性。
將GIS功能封裝成組件及發(fā)布成Web服務，定義統(tǒng)一的接口，界定輸入、輸出參數(shù)，通過C/S或B/S模式與應急平臺集成，為應急平臺各系統(tǒng)提供基礎的GIS功能（圖1）。

圖 1 GIS與應急平臺的集成架構

由圖1可見，GIS與應急平臺的集成架構由三層組成。

1）數(shù)據(jù)層
該層為GIS基礎構件層提供數(shù)據(jù)支持，主要包括：空間數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡地圖服務（WMS，Web Map Service）、網(wǎng)絡要素服務（WFS，Web Feature Service）和各類型空間數(shù)據(jù)文件。
2）基礎構件層
該層分為兩部分，一部分是以GIS服務形式（Web Service）提供的基礎構件，這些基礎構件用于B/S應用開發(fā)，支持分布式和集中式部署，可在大型組織內(nèi)以及Internet用戶間發(fā)布和共享地理信息：除了為客戶端提供地圖和數(shù)據(jù)服務，GIS服務器還可在共享的中心服務器上支持GIS工作站的所有功能。另一部分是以GIS組件形式(如COM、CORBA)提供的基礎構件，主要是滿足面向組件的應用開發(fā)需要，適合于C/S模式的應用開發(fā)。
3）業(yè)務應用層
應急平臺包括B/S和C/S兩種模式的應用，B/S模式通過調用GIS提供的服務，實現(xiàn)運行于局域或廣域網(wǎng)環(huán)境下的應用，而C/S模式則直接通過調用組件來構建基于功能需求更復雜、性能要求更高的應用，如二維標繪，三維展示等。
4 案例展示
為應對快速城市化進程中日益突出的公共安全問題，從2006年起，昆山市政府啟動了突發(fā)公共事件應急平臺建設項目，北京市辰安偉業(yè)科技有限公司負責了該項目的研發(fā)工作。經(jīng)過近2年的努力，目前昆山市應急平臺已正式上線運行。昆山市應急平臺采用了美國ESRI公司的ArcGIS基礎軟件平臺，許多應急業(yè)務功能都是在該軟件平臺的基礎上，通過二次開發(fā)技術實現(xiàn)的。
在昆山市應急平臺中，GIS與應急平臺的集成采用了B/S和C/S兩種模式，其中B/S模式主要是實現(xiàn)基于Web的地圖信息瀏覽、發(fā)布等應用，而C/S模式則主要是針對模型分析和空間決策支持等復雜空間分析需求，而實現(xiàn)的基于桌面的應用。
針對昆山市典型突發(fā)事件特征，在昆山市應急平臺上實現(xiàn)了數(shù)十種突發(fā)事件預測分析模型，這些模型均基于GIS基礎平臺開發(fā)，GIS基礎平臺為這些模型提供空間數(shù)據(jù)輸入、空間數(shù)據(jù)處理分析及模型運行結果展示等功能支持。圖 2為各種模型運行界面截圖。

圖 2 各種突發(fā)公共事件預測模擬運行示意圖

基于ArcGIS Server提供的網(wǎng)絡地圖操作功能，昆山市應急平臺建立了應急Web GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)了突發(fā)事件信息網(wǎng)絡報告、突發(fā)事件信息的網(wǎng)上適時發(fā)布等功能（圖 3）。便利了突發(fā)公共事件應急管理中地理相關信息的傳輸、交換與共享。

圖 3 昆山市應急平臺上Web GIS的實現(xiàn)和運行示意圖

5 結論和展望
公共安全是關系到公眾生命和財產(chǎn)安全、經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定的大問題。GIS對空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲和操縱能力及其強大的空間分析功能, 使其能為公共安全體系提供強大的技術支持, 對公共安全事業(yè)的發(fā)展有著十分重要的意義。目前，各級政府、企事業(yè)單位等應急相關機構應急平臺建設工作開展得如火如荼，GIS的諸多功能也逐漸得到發(fā)掘和應用。GIS在應急平臺建設中取得初步成功的同時，也還存在許多需要解決的問題，主要體現(xiàn)在以下方面：
1）GIS強大分析功能的進一步深入挖掘。目前，雖然一些常用的空間分析功能在應急平臺及應急相關系統(tǒng)建設中獲得了成功的應用，而許多復雜、高級的分析功能，還沒有得到充分、有效的利用。
2）空間智能決策技術在應急平臺的集成和應用?；谌斯ぶ悄艿募夹g已經(jīng)有深入的研究，但在應急領域還沒有得到充分利用。應急平臺的科學性和智能化的提高，還需要這些技術的強有力支持。
3）三維可視化和虛擬現(xiàn)實技術的應用。三維可視化和虛擬現(xiàn)實技術是GIS研究的前沿領域，目前在該領域已經(jīng)取得了一些重要的成果，將這些新的技術應用于應急領域，必將進一步增加人類應對突發(fā)公共事件的能力。

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