GIS在城市應急平臺建設中的應用研究
發布時間：2013/6/18 14:25:21 來源：ESRI
1 引言
上世紀后半葉，隨著人口激增、資源短缺、生態破壞、環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、公共衛生、社會安全等突發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，造成的經濟損失約為GDP總量的5%。未來20年是我國經濟社會發展的重要戰略機遇期，城市化、新型工業化以及全球化進程將進一步加快，公共安全問題發生頻度將進一步增加。我國政府高度重視對突發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，形成連接各地區和各專業應急指揮機構、統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出現于20世紀60年代，經過40多年的發展，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、經濟、人文等眾多領域的建模和決策支持，因為其固有的優勢，應急管理工作的許多業務需求可以甚至必須在GIS的支持下才能實現。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，系統研究了GIS對應急平臺建設的支持。此外，本文還基于當前最新軟件工程技術及主流GIS軟件提供的設計和開發方法，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。文章最后對GIS在公共安全應急中的應用現狀和趨勢進行了總結和展望。
與遙感和GPS測量技術結合，GIS可以為監測監控提供支持。遙感具有大范圍、快速、多頻次、經濟地獲取空間數據的優勢，GPS則能用于高精度定位，遙感和GPS作為GIS的重要數據源，結合GIS的數據收集、處理和管理的能力，可以獲取各種監測監控數據。為風險分析和評估提供數據支持。
GIS技術具有管理和分析多源空間數據的能力。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、緩沖區分析等能為其提供支持。如通過GIS的緩沖區分析功能，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據，使用疊加統計、空間關聯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，如空間數據符號化展示，統計圖表，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。
在接收到突發公共事件信息時，通過GIS可以進行突發公共事件定位、按比例尺查詢顯示事發地周邊環境信息，進行地圖標繪，制作事件接報專題圖。
通過GIS的空間查詢、空間數據編輯、區域統計等功能，可以對監控點、各類應急資源進行查詢檢索和維護管理，保證監測監控的有效性和現勢性，全面掌控資源狀態，及時更新應急資源信息。
隨著軟件工程技術的發展，面向對象和面向服務的設計和開發方法日益成熟，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技術的支持。因此，為了與GIS軟件無縫集成，獲得最佳應用效果，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，采用統一的數據交換、統一的接口標準、統一的安全保障。
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，除了方便軟件開發的組織和實施外，亦便于日后系統的維護和擴展。而SOA架構模型則可以更好地滿足系統的組件化、互操作、模塊化、可伸縮等特性，實現當前或今后應急信息化建設中更多的資產重用，快速響應業務需求變化，SOA架構具有的規范統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布成Web服務，定義統一的接口，界定輸入、輸出參數，通過C/S或B/S模式與應急平臺集成，為應急平臺各系統提供基礎的GIS功能（圖1）。
該層為GIS基礎構件層提供數據支持，主要包括：空間數據庫，網絡地圖服務（WMS，Web Map Service）、網絡要素服務（WFS，Web Feature Service）和各類型空間數據文件。
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，支持分布式和集中式部署，可在大型組織內以及Internet用戶間發布和共享地理信息：除了為客戶端提供地圖和數據服務，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需要，適合于C/S模式的應用開發。
3）業務應用層
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，實現運行于局域或廣域網環境下的應用，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公共事件應急平臺建設項目，北京市辰安偉業科技有限公司負責了該項目的研發工作。經過近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，許多應急業務功能都是在該軟件平臺的基礎上，通過二次開發技術實現的。
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模式主要是實現基于Web的地圖信息瀏覽、發布等應用，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，而實現的基于桌面的應用。
針對昆山市典型突發事件特征，在昆山市應急平臺上實現了數十種突發事件預測分析模型，這些模型均基于GIS基礎平臺開發，GIS基礎平臺為這些模型提供空間數據輸入、空間數據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。
公共安全是關系到公眾生命和財產安全、經濟發展、社會穩定的大問題。GIS對空間數據的獲取、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, 對公共安全事業的發展有著十分重要的意義。目前，各級政府、企事業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實技術的應用。三維可視化和虛擬現實技術是GIS研究的前沿領域，目前在該領域已經取得了一些重要的成果，將這些最新的技術應用于應急領域，必將進一步增加人類應對突發公共事件的能力。
上世紀后半葉，隨著人口激增、資源短缺、生態破壞、環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、公共衛生、社會安全等突發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，造成的經濟損失約為GDP總量的5%。未來20年是我國經濟社會發展的重要戰略機遇期，城市化、新型工業化以及全球化進程將進一步加快，公共安全問題發生頻度將進一步增加。我國政府高度重視對突發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，形成連接各地區和各專業應急指揮機構、統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出現于20世紀60年代，經過40多年的發展，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、經濟、人文等眾多領域的建模和決策支持，因為其固有的優勢，應急管理工作的許多業務需求可以甚至必須在GIS的支持下才能實現。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，系統研究了GIS對應急平臺建設的支持。此外，本文還基于當前最新軟件工程技術及主流GIS軟件提供的設計和開發方法，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。文章最后對GIS在公共安全應急中的應用現狀和趨勢進行了總結和展望。
2 GIS與應急管理
GIS(Geographic Information System)是地理信息系統的簡稱，它是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統，該系統設計用來支持空間數據采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。GIS是20世紀60年代在迅速發展的計算機技術的推動下出現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展。許多計算機領域的新技術，如Internet技術、面向對象的數據庫技術、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。
與遙感和GPS測量技術結合，GIS可以為監測監控提供支持。遙感具有大范圍、快速、多頻次、經濟地獲取空間數據的優勢，GPS則能用于高精度定位，遙感和GPS作為GIS的重要數據源，結合GIS的數據收集、處理和管理的能力，可以獲取各種監測監控數據。為風險分析和評估提供數據支持。
GIS技術具有管理和分析多源空間數據的能力。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、緩沖區分析等能為其提供支持。如通過GIS的緩沖區分析功能，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據，使用疊加統計、空間關聯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，如空間數據符號化展示，統計圖表，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。
在接收到突發公共事件信息時，通過GIS可以進行突發公共事件定位、按比例尺查詢顯示事發地周邊環境信息，進行地圖標繪，制作事件接報專題圖。
通過GIS的空間查詢、空間數據編輯、區域統計等功能，可以對監控點、各類應急資源進行查詢檢索和維護管理，保證監測監控的有效性和現勢性，全面掌控資源狀態，及時更新應急資源信息。
在災后恢復和重建時，恢復期內，可以用手持設備、GPS定位毀壞的設施，確定損失情況，排出優先級；配給中心按人口和每個地區遭受的損失程度，給安置點發放水、食物、藥品、衣被等生活物資。重建期內，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。
隨著軟件工程技術的發展，面向對象和面向服務的設計和開發方法日益成熟，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技術的支持。因此，為了與GIS軟件無縫集成，獲得最佳應用效果，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，采用統一的數據交換、統一的接口標準、統一的安全保障。
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，除了方便軟件開發的組織和實施外，亦便于日后系統的維護和擴展。而SOA架構模型則可以更好地滿足系統的組件化、互操作、模塊化、可伸縮等特性，實現當前或今后應急信息化建設中更多的資產重用，快速響應業務需求變化，SOA架構具有的規范統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布成Web服務，定義統一的接口，界定輸入、輸出參數，通過C/S或B/S模式與應急平臺集成，為應急平臺各系統提供基礎的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。
該層為GIS基礎構件層提供數據支持，主要包括：空間數據庫，網絡地圖服務（WMS，Web Map Service）、網絡要素服務（WFS，Web Feature Service）和各類型空間數據文件。
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，支持分布式和集中式部署，可在大型組織內以及Internet用戶間發布和共享地理信息：除了為客戶端提供地圖和數據服務，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需要，適合于C/S模式的應用開發。
3）業務應用層
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，實現運行于局域或廣域網環境下的應用，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公共事件應急平臺建設項目，北京市辰安偉業科技有限公司負責了該項目的研發工作。經過近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，許多應急業務功能都是在該軟件平臺的基礎上，通過二次開發技術實現的。
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模式主要是實現基于Web的地圖信息瀏覽、發布等應用，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，而實現的基于桌面的應用。
針對昆山市典型突發事件特征，在昆山市應急平臺上實現了數十種突發事件預測分析模型，這些模型均基于GIS基礎平臺開發，GIS基礎平臺為這些模型提供空間數據輸入、空間數據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 各種突發公共事件預測模擬運行示意圖
圖 3 昆山市應急平臺上Web GIS的實現和運行示意圖
公共安全是關系到公眾生命和財產安全、經濟發展、社會穩定的大問題。GIS對空間數據的獲取、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, 對公共安全事業的發展有著十分重要的意義。目前，各級政府、企事業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實技術的應用。三維可視化和虛擬現實技術是GIS研究的前沿領域，目前在該領域已經取得了一些重要的成果，將這些最新的技術應用于應急領域，必將進一步增加人類應對突發公共事件的能力。