3S技术在自然灾害学中的应用

3S技术在自然灾害学中的应用

摘要：自然灾害学作为一门综合性的交叉学科，对其认识和研究离不开众多理论以及科学技术的支撑。3S技术集成了GIS、RS以及GPS三者的优点，依靠其高效的对地观测和数据采集的能力，并结合其功能强大的数据处理、分析及建模能力，使得其在自然灾害中的应用越来越广泛，如在救援保障、灾害评估分析、灾害监测、灾害建模等领域都起到重要作用。3S技术的广泛应用使得对自然灾害的认识和研究变得更加的深入，包括其形成机理、孕灾环境以及致灾因子等，有助于区域的风险脆弱性评估和分析，也有助于完善应对灾害的防护措施，并为灾害救援提供了保障，在一定程度上降低了人员伤亡以及财产损失。本文着重从灾前、灾中以及灾后三个不同时间段进行阐述，说明3S技术在自然灾害学中的重要应用和作用。

关键词：3S；GPS；地理信息系统；遥感；自然灾害；应用

1引言

自然灾害是指对人类生存带来威胁或者损害人类生活环境的一些自然现象，其内涵是由自然事件或力量为主因造成的生命伤亡和人类社会财产损失的事件[1]，例如地震、洪涝、干旱、台风、泥石流、沙尘暴、风暴潮以及草原和森林火灾等。自然灾害的发生会给人们的生产生活带来不同程度的影响，会对区域的社会、经济、自然环境等方面造成不同程度的破坏，甚至会危及人们的生命。但作为自然现象，大部分自然灾害又是不可避免的，且其发生具有广泛性、区域性、频繁性以及不确定性等特点[1]。但随着人们对自然环境的研究逐渐加深以及科学技术的飞速发展，使得人们对自然灾害的研究和认识更加深刻，也逐渐掌握了其发生的机理以及应对方法，特别是随着对自然灾害的观测或模拟手段的不断丰富、救援保障能力的不断提升，使得自然灾害变得不再那么陌生和可怕，其对人类的影响与过去相比也得到了一定程度的减轻。

3S技术是地理信息系统(Geographic Information System)、遥感(Remote Sensing)、全球定位系统(Global Positioning System)三者的简称。遥感(简称RS)主要用于大范围快速、精准、实时、重复性的获取地球表面及其之上大气层的空间、光谱及气象信息；全球定位系统(简称GPS)主要用于全球性或区域性的全天候、实时、高精度的空间定位及导航服务，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及中国的“北斗”等；地理信息系统(简称GIS)则主要用于空间

数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等[2,3]。

3S技术最先应用与地理学和空间科学，主要用于对地观测与采集数据，并可以对数据进行管理、处理、分析和建模等，以此从中发掘新的知识和经验。而自然灾害正是发生于或表现于地球表层及其上下一定空间范围，并使得地表发生了一定程度的变化，此外导致自然灾害的孕灾环境、致灾因子等也与地表自然地理环境以及人文要素等密切相关，而这些自然灾害相关要素都可以通过3S技术将其采集或者抽象的表达出来，并能对其进行处理和分析[4]，这也正满足了当前自然灾害学研究的要求，就是能更加直观、真实、高效、准确的模拟和分析灾害。因此，3S技术的优点使得其在自然灾害学中的应用越来越广泛，下面就3S技术在自然灾害学中的应用分为灾前、灾中以及灾后三个时间段来阐述。

23S技术在灾前的应用

2.1 历史自然灾害统计分析

主要是对历史自然灾害数据的统计、建库及分析。对历史自然灾害的研究，一是有助于更好的认识不同灾种自然灾害的发生机理、孕灾环境以及其对区域自然和社会经济等方面的影响；二是有助于从中吸取经验和教训，以史为鉴，避免将来灾害再次来临时产生不必要的损失[5]。

GIS对空间数据有着很好的获取、管理、处理、分析以及显示能力，特别是诸如Geodatabase等功能强大的关系型数据库在GIS中的应用，使得GIS能够对复杂的空间数据及其属性数据进行管理和处理，而GIS的基本内涵在于可以将现实世界中的各种事物或过程及其之间的空间关系抽象成点、线、面之间的空间拓扑关系[4]，因此可以将历史自然灾害的孕灾环境、致灾因子、承灾体以及区域自然、社会、经济、人文等要素抽象成空间数据以及属性数据录入到GIS数据库中，在GIS中对其进行再现和相应的处理分析[6]。

此外强大的空间分析功能也是GIS区别与其它信息系统的一个重要方面，诸如最常用的空间查询与量算、地统计分析、空间插值、趋势分析、缓冲区分析以及路径分析等，通过对历史自然灾害数据运用这些空间分析，可以从中获取深层次的经验和知识，并可以更加定量化的认识这些自然灾害。同时GIS也拥有很好的三维分析能力，通过对发生自然灾害的区域进行三维建模，并结合各项属性数据，可以将历史自然灾害更加直观生动的展现出来[7,8]。

2.2 建立灾害预测模型

3S技术在这方面的主要应用就是利用已有灾害数据建立相应的自然灾害模型并预测未来可能会发生自然灾害的区域或者几率[9]。随着对地观测技术的发展，现如今对一部分自然灾害已经可以进行提前预知和监测了，譬如台风、沙尘暴、洪涝等自然灾害，这些都可以通过卫星影像在其形成时便可进行实时的观测，其未知性及不确定性较小。但对于其余的自然灾害提前预知较为困难，并不能有效的对其进行提前预知和观测，往往其发生时便已造成了巨大的破坏，如地震、泥石流等。但这并不是说对这些自然灾害的发生完全不能预测，因为它们发生的不确定性中也伴随着很多的确定性，如孕灾环境、致灾因子、自然及社会环境等，当区域的这些确定性因素达到一定条件或者临界值时，相应的自然灾害便有很大的发生概率[10,11]。因此，完全可以利用这些确定性因素作为参数来建立灾害预测模型，以此来对可能会发生自然灾害的区域或者几率进行预测，起到提前预防的作用。

2.3 风险脆弱性评估

3S技术在风险脆弱性评估中的应用，主要是通过实地调查和收集数据，对区域的自然、社会、经济以及人口等环境因素进行评估，判断其发生自然灾害的风险如何，以及其面对自然灾害时的脆弱性程度，以此来发现区域在面对自然灾害时的薄弱环节并及时巩固加强[12]。通过RS以及GPS来获取区域地质、地貌以及环境等信息，结合实地调查数据，综合分析区域在面对自然灾害时的风险脆弱性，以此来为政府决策提供意见和支持。特别是对于泥石流、洪涝、山体滑坡、地震等自然灾害来说，事先对区域进行风险脆弱性评估尤为重要，因为这些自然灾害的孕灾环境或者说在什么样的环境中具有很强的破坏力等都是较为清晰的，譬如区域地质地貌、土壤类型、山体坡度、植被覆盖状况、建筑物质量、人员分布、排水系统等等，对包括这些因素的区域各方面环境进行彻底的评估排查，并利用GIS来制作区域自然灾害风险脆弱性专题图，可以为区域规划建设提供重要参考，避免灾害来临时造成重大人员伤亡及财产损失[13-15]。

2.4 对地监测

前面已经提到，通过RS等对地观测技术，可以对某些自然灾害进行提前预警以及实时监测，从而大大减少其对人们生命财产等的威胁，譬如台风、沙尘暴、森林及草原火灾等[16]。现在的气象卫星以及其它遥感卫星可以实现对地的全天候、实时、可重复性的观测，特别是对于像台风、森林草原火灾等易于观测且造成危害之前有一定时间段的自然灾害来说，这一