和海霞 李素菊 武斌
和海霞,應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心副研究員, 空間與重大災(zāi)害國際憲章項(xiàng)目經(jīng)理。2009年畢業(yè)于中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所高光譜室,一直從事災(zāi)害遙感機(jī)理研究、高光譜遙感應(yīng)用與災(zāi)害理論與應(yīng)用研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和技術(shù)骨干主持和參與國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計(jì)劃、863計(jì)劃、財(cái)政部等多項(xiàng)國家重大工程與科研項(xiàng)目20余項(xiàng),先后參與10余顆衛(wèi)星論證工作,發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇,參與出版災(zāi)害圖集3部,參與發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、民政行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng),專利4項(xiàng)。2009年以來,先后多次參與重特大自然災(zāi)害災(zāi)情監(jiān)測與損失評估工作,累計(jì)制作災(zāi)害遙感監(jiān)測產(chǎn)品2000余期,在自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)方面具備豐富的經(jīng)驗(yàn)。
地震災(zāi)害頻發(fā),對人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。據(jù)全球緊急事件數(shù)據(jù)庫(Emergency Events Database, EM-DAT)統(tǒng)計(jì),1994年到2013年20年間全球地震災(zāi)害致死人口占所有因?yàn)?zāi)死亡人口的55%,達(dá)到750000人,比洪澇、颶風(fēng)、極端氣候、旱災(zāi)、火山噴發(fā)、火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害等其他災(zāi)害致死人口總和還多;地震災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占所有因?yàn)?zāi)經(jīng)濟(jì)損失的31%,達(dá)到了7870億美元。地震災(zāi)害發(fā)生后,及時有效地完成地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖,可為人員緊急撤離、災(zāi)害救援和災(zāi)民救助等提供決策支撐,能夠有效提高應(yīng)急響應(yīng)決策的科學(xué)性、時效性和實(shí)用性,減輕地震災(zāi)害造成的損失。地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖是面向公眾和救災(zāi)決策等獲取震后災(zāi)情信息的迫切需求,圍繞地震災(zāi)情變化監(jiān)測、災(zāi)害范圍評估、實(shí)物量損毀和綜合損失評估、次生災(zāi)害分析、應(yīng)急救援和救助計(jì)劃制訂等內(nèi)容開展的制圖服務(wù)。
地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖備受多方重視。聯(lián)合國人道主義事務(wù)協(xié)調(diào)辦公室(United Nations Office for the Coordination of Humanitarian Affairs,OCHA)是全球人道主義緊急事件應(yīng)急響應(yīng)的綜合機(jī)構(gòu),一直致力于提供全方位的地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖服務(wù);救災(zāi)網(wǎng)(Reliefweb)是OCHA授權(quán)的全球人道主義事件數(shù)據(jù)提供者,從1996年開始收集、編輯、分析、分發(fā)來自全球4000個信息源的數(shù)據(jù),為地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖提供災(zāi)情數(shù)據(jù);聯(lián)合國衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)項(xiàng)目(UNOSAT)自2003年起開展地震災(zāi)害快速制圖,為OCHA和其他機(jī)構(gòu)提供重大災(zāi)害應(yīng)急快速制圖服務(wù);空間與重大災(zāi)害國際憲章(International Charter Space and Major Disasters)充分發(fā)揮全球衛(wèi)星機(jī)構(gòu)的信息共享優(yōu)勢,每周7天、每天24小時為地震災(zāi)害應(yīng)急提供空間數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務(wù)。歐盟委員會資助的哥白尼應(yīng)急管理服務(wù)項(xiàng)目(Copernicus Emergency Management Service,EMS)于2015年2月開始面向全球開展災(zāi)害響應(yīng)制圖服務(wù),產(chǎn)品內(nèi)容包括災(zāi)區(qū)背景圖(Reference maps)、災(zāi)害范圍和趨勢圖(Delineation maps)、災(zāi)害損失評估圖(Grading maps)。美國地調(diào)局地震災(zāi)害項(xiàng)目(USGS Earthquake Hazards Program)是目前世界上業(yè)務(wù)化程度最高、最先進(jìn)的地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖系統(tǒng),產(chǎn)品包括地震災(zāi)害基本信息、災(zāi)害影響和損失評估、地震機(jī)理圖等。德國天基危機(jī)信息服務(wù)中心(Center for Satellite Based Crisis Information,ZKI),提供地震災(zāi)害期間7d、24h的快速制圖服務(wù),并在其網(wǎng)站免費(fèi)共享應(yīng)急服務(wù)產(chǎn)品。中國災(zāi)害管理部門和學(xué)術(shù)界也高度重視地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖工作,“九五”期間中國地震局專門設(shè)立重點(diǎn)項(xiàng)目構(gòu)建地震災(zāi)害應(yīng)急快速響應(yīng)信息系統(tǒng);2002年民政部國家減災(zāi)中心開始探索地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)產(chǎn)品體系、運(yùn)行機(jī)制等,并于2008年汶川地震期間開展了業(yè)務(wù)化應(yīng)用。之后,在一系列重大專項(xiàng)支持下地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖得到了快速發(fā)展,可實(shí)現(xiàn)地震和震區(qū)基本情況快速制圖響應(yīng)的中國地震臺網(wǎng)已開始穩(wěn)定業(yè)務(wù)化運(yùn)行,國家減災(zāi)中心實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)外不同等級地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運(yùn)行,為國家應(yīng)急救援和救助提供了決策支撐。
總的來說,目前地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖產(chǎn)品體系建立、業(yè)務(wù)運(yùn)行與服務(wù)工作已在全球范圍內(nèi)開展。但是,隨著技術(shù)的發(fā)展和用戶需求不斷變化,產(chǎn)品體系需要不斷完善,產(chǎn)品生產(chǎn)的時效性需要不斷提高。我國相關(guān)涉災(zāi)機(jī)構(gòu)雖然也非常重視相關(guān)工作,但地震災(zāi)害的不確定性、災(zāi)情的復(fù)雜性、災(zāi)害損失的區(qū)域差異性、公眾和救災(zāi)決策需求的多樣性等特征,造成我國現(xiàn)有的應(yīng)急響應(yīng)制圖存在以下問題:一是產(chǎn)品體系不完善,未建立起標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的符合用戶需求的產(chǎn)品體系,尤其是與地震應(yīng)急救援和救助密切相關(guān)的產(chǎn)品類型和內(nèi)容不明確;二是自動化程度低、時效性不強(qiáng),現(xiàn)有的地震災(zāi)害應(yīng)急產(chǎn)品以手工生產(chǎn)為主,耗時長,地震災(zāi)害背景影像圖制作需要3h,獲取災(zāi)后數(shù)據(jù)后完成災(zāi)后信息產(chǎn)品圖需4h,不能滿足公眾和救災(zāi)決策日益增長的需求。因此,迫切需要進(jìn)一步梳理產(chǎn)品體系、提高時效性。
本文圍繞公眾和應(yīng)急決策對地震災(zāi)害背景信息、災(zāi)情分布、次生災(zāi)害、災(zāi)害救援與救助信息、災(zāi)害影響范圍與趨勢和災(zāi)害損失信息的需求,在分析我國地震災(zāi)害減災(zāi)救災(zāi)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,梳理地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)產(chǎn)品體系,研究如何在制圖綜合自決策的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地震應(yīng)急響應(yīng)制圖。
地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖是充分利用多源多尺度數(shù)據(jù),分析公眾和救災(zāi)決策特點(diǎn)與需求,開展自適應(yīng)信息提取制圖綜合和產(chǎn)品服務(wù)的過程,技術(shù)流程如圖1所示:
圖1 技術(shù)流程圖
(1)地震災(zāi)害基本信息
地震災(zāi)害基本信息是地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖的基礎(chǔ)輸入?yún)⒘?,主要包括震級、發(fā)震時刻、震中位置、震源深度、地理位置等,來源于中國地震臺網(wǎng)、美國地質(zhì)調(diào)查局。此外,歷史地震基本信息及損失數(shù)據(jù)是災(zāi)害損失預(yù)判的重要支撐。
(2)災(zāi)情信息
災(zāi)情信息是地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖的核心要素,主要包括受災(zāi)人口、因?yàn)?zāi)死亡人口、因?yàn)?zāi)失蹤人口,緊急轉(zhuǎn)移安置人口、需緊急生活救助人口、倒塌房屋間數(shù)、嚴(yán)重?fù)p壞房屋間數(shù)、一般損壞房屋間數(shù)、農(nóng)作物受災(zāi)面積、農(nóng)作物絕收面積、損毀道路公里數(shù)、直接經(jīng)濟(jì)損失等,主要來源于國家自然災(zāi)害災(zāi)情管理系統(tǒng)、國際緊急事件數(shù)據(jù)庫、救災(zāi)網(wǎng)等。
(3)遙感數(shù)據(jù)
遙感數(shù)據(jù)是災(zāi)區(qū)環(huán)境分析和承災(zāi)體信息提取的主要數(shù)據(jù)源,主要包括災(zāi)前影像和災(zāi)后影像,來源多樣,包括開源的衛(wèi)星數(shù)據(jù)、國內(nèi)外合作機(jī)制獲取的數(shù)據(jù)、商業(yè)購買的數(shù)據(jù)。災(zāi)前影像主要用于災(zāi)害背景信息提取,災(zāi)后數(shù)據(jù)主要用于倒損房屋評估、農(nóng)作物受災(zāi)評估、損毀道路評估等災(zāi)害專題信息提取。
(4)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)
基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖中輔助表征災(zāi)害位置和范圍的重要要素。主要包括行政區(qū)劃和界限、城市點(diǎn)位、鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)位和村點(diǎn)位、交通、水系等信息。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于國家地理信息公共服務(wù)平臺天地圖、open street map網(wǎng)站。
(5)地表覆蓋數(shù)據(jù)
地表覆蓋及其變化信息是地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)中用于分析不可或缺的基礎(chǔ)信息和關(guān)鍵參量。全球30米地表覆蓋數(shù)據(jù)(Globe Land 30)包括耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪等10余種地表覆蓋類型。
(6)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)
人口密度、人口數(shù)量和房屋數(shù)據(jù)對預(yù)判地震災(zāi)害損失具有重要的意義。全國人口密度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,人口數(shù)據(jù)和房屋數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計(jì)局。
表1 公眾和救災(zāi)決策地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)需求分析與產(chǎn)品體系梳理
公眾主要包括受災(zāi)人員、專業(yè)救援和救助人員、志愿者、關(guān)注災(zāi)害的民眾等,公眾對應(yīng)急響應(yīng)產(chǎn)品的需求具有聚集熱點(diǎn)地區(qū)、通俗易懂、互動性強(qiáng)等特點(diǎn)。救災(zāi)決策對應(yīng)急響應(yīng)產(chǎn)品的需求具有系統(tǒng)性強(qiáng)、專業(yè)性強(qiáng)、建議性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。在不同的災(zāi)害階段,公眾和救災(zāi)決策對地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)圖的內(nèi)容、要素和更新周期具有不同的需求。震后1天內(nèi)是搶救生命的關(guān)鍵時段,公眾和救災(zāi)決策者亟須了解地震災(zāi)害背景信息,不僅包括地震發(fā)生地、發(fā)生時間及震區(qū)人口、房屋、道路、重大基礎(chǔ)設(shè)施等數(shù)量和空間分布信息,還包括地震可能會造成的人員和經(jīng)濟(jì)損失情況等災(zāi)情初步研判信息;震后1~7天是搶救生命和災(zāi)民安置的黃金期,公眾和救災(zāi)決策者亟須獲取災(zāi)情分布信息、災(zāi)害救援與救助信息和次生災(zāi)害分布信息等;震后8~60天是搶救生命、災(zāi)民安置和損失評估的關(guān)鍵期,公眾和救災(zāi)決策者亟須獲取災(zāi)害影響范圍、趨勢和損失綜合評估情況等。具體需求如表1所示。
針對不同破壞性地震,應(yīng)急響應(yīng)等級和產(chǎn)品內(nèi)容也有所不同。破壞性大的地震,造成的損失嚴(yán)重,公眾和決策者對應(yīng)急產(chǎn)品的需求量大,需要產(chǎn)品體系里的全部或大部分產(chǎn)品;破壞性小的地震,造成的損失較輕,公眾和決策者對應(yīng)急產(chǎn)品的需求量相對較小,僅需要產(chǎn)品體系中的一種或多種產(chǎn)品,有時甚至不用啟動應(yīng)急響應(yīng)制圖。
災(zāi)害信息提取是地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖中的核心環(huán)節(jié),主要內(nèi)容包括地震災(zāi)害背景信息篩選、災(zāi)情分布分析、災(zāi)害救援與救助信息分析、地震影響范圍和趨勢分析、災(zāi)害損失和次生災(zāi)害分布分析等。①災(zāi)后初期,在未獲得災(zāi)后有效數(shù)據(jù)的情況下,主要依靠地震災(zāi)害背景信息篩選,從相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)庫中自動選擇地震基礎(chǔ)信息及與地震損失密切相關(guān)的人口、土地利用與覆蓋、地理環(huán)境、災(zāi)情等信息,開展災(zāi)情信息初步研判;在獲得地方上報(bào)災(zāi)情、現(xiàn)場調(diào)查災(zāi)情、輿情等災(zāi)后有效信息后,開展災(zāi)情的時間和空間分布特征提?。虎谠跒?zāi)害救援與救助期,重點(diǎn)開展救援力量分布、救援地分布、帳篷安置、救援物資分布、運(yùn)送和分發(fā)等信息提?。虎墼跒?zāi)害損失評估期,首先利用地震局提供的烈度數(shù)據(jù)、現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測等數(shù)據(jù)開展地震影響范圍和趨勢分析,然后基于災(zāi)后遙感影像采用分類和目標(biāo)識別的方法,開展房屋損毀、農(nóng)作物損毀、生命線損毀、基礎(chǔ)設(shè)施損毀、次生災(zāi)害等災(zāi)害損失和次生災(zāi)害信息提取。
制圖綜合自決策是地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖綜合過程是針對不同破壞性的地震,選取公眾和救災(zāi)決策感興趣的地圖要素,根據(jù)規(guī)則,采用多人多機(jī)器協(xié)同方式進(jìn)行信息綜合、概括和符號化的過程,其特點(diǎn)是制圖內(nèi)容和比例尺不固定,隨地震等級、破壞等級和震區(qū)承災(zāi)體脆弱性變化,需要大量的人機(jī)交互決策。
首先,根據(jù)重要性綜合原則,在不同的災(zāi)害階段選取不同的地圖內(nèi)容要素,強(qiáng)化公眾和救災(zāi)決策關(guān)注的災(zāi)害損失、災(zāi)害救援和救助、次生災(zāi)害分布及風(fēng)險(xiǎn)等信息,舍去或者化簡與災(zāi)情連接不緊密的背景要素。如應(yīng)優(yōu)先表達(dá)居民地、道路、基礎(chǔ)設(shè)施分布和損毀等地震制圖重點(diǎn)信息;次要表達(dá)農(nóng)作物等信息。
其次,根據(jù)特殊性和臨近性綜合方法對應(yīng)急響應(yīng)制圖對象進(jìn)行分類分級,根據(jù)制圖用途,進(jìn)行質(zhì)量或數(shù)量的概括。如距離震中最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地和重大基礎(chǔ)設(shè)施因其位置特殊和功能特殊,可能受災(zāi)最嚴(yán)重,對應(yīng)急響應(yīng)制圖意義重大,不能因其一般意義上的“小”而在制圖綜合中被刪除,應(yīng)優(yōu)先表達(dá)。
最后,將這些決策知識信息存入計(jì)算機(jī),存入專家知識庫,以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)簡單問題自決策。需要指出的是,制圖綜合是一項(xiàng)復(fù)雜性的系統(tǒng)工程,計(jì)算機(jī)不能有效模擬所有人的全部思維方式,需充分發(fā)揮人的主導(dǎo)作用和計(jì)算機(jī)的輔助支撐作用。
地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖是根據(jù)地震等級和可能造成的損失選擇相應(yīng)的災(zāi)害信息,按照不同的比例尺和制圖模板,在制圖綜合基礎(chǔ)上,選定震中附近人口密集區(qū)、重大基礎(chǔ)設(shè)施分布區(qū)、災(zāi)害隱患點(diǎn)、災(zāi)情嚴(yán)重區(qū)等制圖重點(diǎn)地區(qū)開展專題制圖工作。制圖過程包括圖件名稱、圖件編號、縮略圖、地震基本信息、震區(qū)環(huán)境和人口信息、數(shù)據(jù)源信息、制圖時間、制圖單位、制圖人員等制圖要素自動添加,專題信息符號化智能表示,在移動終端、打印機(jī)等不同終端自動顯示模式。
圖2 地震災(zāi)區(qū)遙感影像圖
圖3 地震災(zāi)區(qū)人口密度分布圖
圖4 地震災(zāi)區(qū)地表覆蓋圖
2014年8月3日16時30分,云南省昭通市魯?shù)榭h(27.1°N,103.3°E) 發(fā)生6.5級地震,震源深度12km,造成617人死亡,112人失蹤。地震災(zāi)害發(fā)生后,國家減災(zāi)中心根據(jù)本次地震能量在短時間內(nèi)集中釋放、震級高、震源淺等特點(diǎn),迅速啟動應(yīng)急機(jī)制,根據(jù)公眾和救災(zāi)決策關(guān)注的信息,開展應(yīng)急制圖。利用基于本文方法開發(fā)的應(yīng)用軟件,在獲取災(zāi)害基礎(chǔ)信息后,20分鐘內(nèi)完成地震災(zāi)害背景信息系列圖的制作(圖2~圖5);在獲取災(zāi)情信息、地震烈度、災(zāi)后遙感影像后,30分鐘內(nèi)完成災(zāi)情分布、次生災(zāi)害、災(zāi)害救援與救助信息、災(zāi)害影響范圍與趨勢和災(zāi)害損失等系列圖的制作(圖6~圖9)。其中,地震災(zāi)區(qū)遙感影像圖(圖2)表示震中距居民點(diǎn)的距離、周圍河流、道路狀況等信息;人口密度分布圖(圖3)表示地震是否發(fā)生在人口密集區(qū);地表覆蓋圖(圖4)表示震區(qū)附近的農(nóng)用地狀況;重點(diǎn)區(qū)遙感影像圖(圖5)選擇人口密集區(qū)、重大基礎(chǔ)設(shè)施、災(zāi)害隱患點(diǎn)、災(zāi)情嚴(yán)重區(qū)開展高分辨率遙感制圖;災(zāi)情分布圖(圖6)表示死亡和失蹤人口、緊急轉(zhuǎn)移安置人口、需緊急生活救助、農(nóng)作物受災(zāi)、農(nóng)作物絕收、直接經(jīng)濟(jì)損失等指標(biāo)空間分布;次生災(zāi)害分布圖(圖7)表示滑坡、泥石流等次生災(zāi)害的數(shù)量和空間分布;帳篷安置圖(圖8)表明災(zāi)害救援與救助信息;災(zāi)害影響范圍圖(圖9)表示不同等級災(zāi)害影響分布情況;災(zāi)害損失分布圖(圖10)表示道路和房屋損毀分布情況。
圖5 魯?shù)榭h城區(qū)遙感影像圖
圖7 次生災(zāi)害分布圖
圖8 帳篷安置圖
圖9 災(zāi)害影響范圍圖
圖10 災(zāi)害損失分布圖
地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖是提高應(yīng)急救助和應(yīng)急救援水平的有效手段。本文基于面向公眾和救災(zāi)決策的特點(diǎn)和信息需求,針對目前我國地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖中存在的產(chǎn)品體系不完善、時效性不強(qiáng)、自動化程度低等問題,根據(jù)不同的地震應(yīng)急階段梳理地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)產(chǎn)品體系,明確了地震災(zāi)害背景信息、災(zāi)情分布、災(zāi)害救援與救助信息、災(zāi)害影響范圍和趨勢、災(zāi)害損失和次生災(zāi)害等地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)圖的內(nèi)容、用途和表達(dá)方式,具有直觀性強(qiáng)、針對性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn),對提高公眾、救災(zāi)決策者、救援救助人員和災(zāi)民等的溝通效率和水平具有重要的意義;在此基礎(chǔ)上,提出一種制圖綜合自決策的地震應(yīng)急響應(yīng)制圖方法。將該產(chǎn)品體系和制圖方法應(yīng)用于2014年魯?shù)榈卣馂?zāi)害應(yīng)急響應(yīng),實(shí)踐表明,依據(jù)該產(chǎn)品體系可在災(zāi)害發(fā)生后第一時間啟動應(yīng)急產(chǎn)品生產(chǎn),相比過去的臨時制定產(chǎn)品制作方案、制作內(nèi)容的方式,產(chǎn)品的豐富性、規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)型、時效性顯著提高。
目前地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)制圖產(chǎn)品體系和制圖方法還存在一些不足,主要表現(xiàn)在兩個方面,一是產(chǎn)品體系的完整性、準(zhǔn)確性、標(biāo)準(zhǔn)化水平還不夠,需要面向公眾和救災(zāi)決策不斷變化的需求,結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)際,不斷補(bǔ)充、驗(yàn)證和規(guī)范;二是還未實(shí)現(xiàn)“一鍵制圖”,還需根據(jù)不同地震災(zāi)害的特點(diǎn),開展現(xiàn)場、公眾、遙感等多手段災(zāi)情信息自動獲取、處理和制圖,不斷提升科學(xué)性、時效性和自動化水平。