GIS应急系统.docx

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GIS应急系统

GIS环境下突发性大气环境污染事故应急方案可视化与模拟推演研究

中文摘要

在突发性环境污染事故频发的现代社会背景下，如何运用计算机技术、数据库技术、GIS技术等现代先进技术提高应急决策能力，成为现代应急管理的研究重点。

突发性大气环境事故应急具有很高的时效性要求，如何在最短的时间内，确定科学的应急方案，采取有效的处置措施控制事态的发展，将事故的危害降到最低成为亟待解决的问题。

本文研究了GIS环境下的突发性环境污染事故应急方案可视化与推演模拟技术，将传统的文本应急方案转换成推演方案，在GIS环境中用直观的方式对其进行呈现，帮助应急决策者在采取应急措施之前对事故的发展进行预估，并快速确定科学有效的应急方案。

应急推演方案的生成过程和可视化的呈现是一个复杂的过程，具体研究内容包括：

1）根据应急方案可视化和推演模拟的需要，研究设计应急方案的内容与结构。

文本应急方案是推演方案的数据源，科学合理的推演方案来源于完善、有效的文本应急方案。

本文旨在设计一种固定格式的结构化文本应急方案，只要该文本方案的格式、内容和结构符合特定的要求，就能

2）设计和实现应急方案映射模型，实现结构化文本应急方案向应急推演方案的转换。

实质上是研究基于GIS的突发性大气污染事故推演数据生成方法，结合大气污染扩散型，生成大气污染时空分布数据，利用ArcGIS空间分析功能分析确定参与应急的队伍、物资及其调度路线，并根据应急方案的推演需求分析得出应急队伍和资源调度的时空分布数据。

3）基于时空分布数据，利用ArcGIS的可视化和时态数据推演功能实现对大气污染应急方案的推演。

基于GIS的大气污染事故推演数据生成方法和事故推演方法不仅可以降低应急系统开发人员的开发难度，而且，对于应急数据的组织、查询、管理、可视化以及进一步深层次分析均具有突出的优势。

关键字：

应急方案，可视化，推演模拟，地理信息系统，污染扩散模型

TheResearchonVisualizationandDeductionofEmergencyScenariosofUnexpectedAtmosphericPollutionAccidentBasedonGIS

Abstract

Suddenenvironmentalpollutionaccidentsoccurfrequentlyinmodernsocietybackground,howtousecomputertechnology,databasetechnology,GIStechnologyandothermodernadvancedtechnologytoimproveemergencydecision-makingability,becomeoneofthemodernemergencymanagementresearchfocus.Suddenaccidentemergencyatmosphericenvironmenthastheveryhightimelinessrequirements,howtointheshortestpossibletime,determinetheemergencyplanofscience,takeeffectivetreatmentmeasurestocontrolthedevelopments,minimizethedangersofaccidentsbecomeaproblemtobesolved.WerestudiedunderGISenvironmentofsuddenenvironmentalpollutionaccidentemergencyschemeforvisualizationanddeductionsimulationtechnology,thetraditionaltextcontingencyplanintodeduction,intuitivemannerinaGISenvironmenttopresent,beforehelpemergencydecisionmakersintakingemergencymeasurestocarryontheforecasttothedevelopmentofaccident,andquicklydeterminethescientificandeffectiveemergencyplans.Emergencyinferenceschemegenerationandvisualizationoftherenderingisacomplexprocess,thespecificresearchcontentsinclude:

1）accordingtothedemandofemergencyplansvisualizationanddeductionsimulationstudydesigncontentandstructureoftheemergencyplan.Textemergencyplanisthesourceofdatafordeductionscheme,scientificandreasonableinferenceschemeisderivedfromtheperfectandeffectiveemergencyplans.Thepurposeofthispaperistodesignakindofstructuredtextemergencyplanoffixedformat,aslongasthetextformat,contentandstructureinlinewiththespecificrequirements,youcan

2）designandimplementemergencyplanmappingmodel,structuredtextcontingencyplanstoemergencyconversioninferencescheme.IsessentiallythesuddenpollutionaccidentisdeducedbasedonGISdatagenerationmethod,combiningwithairpollutiondiffusionmodel,generatethespace-timedistributionofairpollutiondata,thespatialanalysisfunctionofArcGISanalysisisusedtodeterminetheinvolvedinemergencyresponseteam,materialanditsscheduling,emergencyplanandaccordingtothederiveddemandanalysisofemergencyresponseteamandresourceschedulingoftimeandspacedistributiondata.

3）basedonspace-timedistributiondata,usingtheArcGISvisualizationandtemporaldatainferencefunctionofatmosphericpollutionemergencyplanofdeduction.

AtmosphericpollutionaccidentdeductiondatagenerationmethodbasedonGISandaccidentdeductionmethodcannotonlyreducethedevelopmentdifficultyofemergencysystemdevelopers,andorganizationsforemergencydata,query,management,visualization,andfurtherdeepanalysishasoutstandingadvantages.

KeyWords:

Datagenerationmethod,Visualization,Deduce,GIS（geographicinformationsystem）,Pollutiondiffusionmodel

目录

中文摘要I

AbstractII

目录IV

第一章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状3

1.2.1应急预案与应急方案3

1.2.2应急方案可视化和模拟推演技术5

1.2.3应急方案可视化和模拟推演研究现状9

1.2.4GIS环境下应急方案可视化与推演模拟国内研究现状分析10

1.3论文的组织和主要内容11

1.4本章小结11

第二章应急方案映射模型12

2.1应急方案映射的含义12

2.2突发性大气环境污染事故应急数据的集成13

2.2.1应急数据类型与来源13

2.2.2应急数据的预处理13

2.2.3应急数据的组织与存储14

2.3基于应急方案映射模型的应急数据生成方法14

2.3.1文本应急方案的结构设计16

2.3.2大气污染物浓度时空分布数据的生成18

2.3.3应急队伍和应急物资时空分布数据的生成20

2.4本章小结24

第三章突发性大气环境污染事故应急方案的可视化与模拟推演25

3.1应急符号的设计及符号库的建立26

3.1.1图形符号管理机制26

3.1.2应急符号的设计和做作27

3.1.3图形符号化的方法32

3.2应急方案可视化与模拟推演33

3.2.1应急方案静态数据可视化33

3.2.2应急方案动态可视化35

3.3本章小结36

第四章GIS环境下突发性大气环境污染事故应急方案可视化与推演模拟系统的设计与实现38

4.1系统设计38

4.1.1系统目标38

4.1.2总体设计38

4.1.3功能特点39

4.2数据准备40

4.2.1基础地理空间信息数据库40

4.2.2常规危险化学品应急辅助知识库41

4.2.3危险源数据库42

4.2.4应急组织数据库44

4.2.5应急符号库45

4.3系统实现46

4.3.1GIS与大气污染扩散模型的结合46

4.3.2系统功能结构的划分47

4.3.3应急方案映射模型的实现49

4.3.4应急方案可视化与模拟推演51

4.4本章小结54

第五章总结和展望55

5.1总结55

5.2展望56

参考文献57

致谢61

个人简历、在校期间研究成果及发表论文62

第一章绪论

一.1研究背景及意义

在全球化、知识化、网络化等一系列浪潮的冲击下，世界格局正发生重大变化，我国社会也随着改革开放的进程发生了深刻的改变[1]。

现代科学技术和工业生产的迅猛发展在丰富了人类的物质生活的同时，也隐藏着众多的潜在危险，安全问题也愈发严重[2]。

在诸多不稳定因素的推动下，突发性大气环境污染事故频发。

不同于一般的环境污染，突发性大气环境污染事故没有固定的排放方式和排放途径，突然发生、来势凶猛，往往在极短的时间内排放出大量的污染物质，而且种类复杂，致病率高，扩散迅速，短期内难以控制，污染面较大，处理处置困难，危害后果严重，且往往会带来一系列次生、衍生的潜在危害[3]。

突发大气环境污染事故在较短的时间内对局部地区的自然生态环境造成严重的污染和破坏，如果污染物处理不及时或处置不当，可能会造成污染物泄露的进一步扩大或新的二次污染，从而扩大事故影响范围，加重事故危害后果。

这将会给人类、环境、经济和社会的和谐发展带来极大的威胁。

突发性大气环境污染事故的频繁发生，要求政府能够迅速、有效地应对，而此类事故的应急和处置离不开应急决策。

突发事故应急决策包含事故发生前的决策和事故发生时的决策两个方面，事故发生前的决策是指灾害预防和准备活动[4]，突发事故发生时的决策，是指在重大突发事故发生后，在短时间内，搜集、处理相关信息，明确问题与目标，分析评价各种预案并选择合适的方案，组织实施应急方案，跟踪检验并调整方案直至事故得到控制为止的一个动态过程[5]。

为了保证在突发事故发生时能够迅速有效地展开援救，将突发事故造成的损失降低到最低，必须在事故发生前，根据事故的规律和可能的影响来制定出科学合理的事前决策。

同时，突发性事故具有不确定性，许多灾害情况是人们无法预计的，现有的事前决策并不能完全满足应对突发事件现场应急的需要。

因此，在灾难事故发生时，必须及时根据现场信息进行科学、高效的应急决策，保证顺利地实现应急救援的目的。

随着我国应急指挥体系建设的逐步完成，已初步建成国家突发公共事件应急预案体系，各级政府、各行业主管单位都根据相关标准规范制定了大量的突发性大气环境污染事故应急预案，这些预案从形式和内容上都比较统一，在为应急处置工作做出突出贡献[6]。

但是，目前大多数应急预案和在应急预案基础上制定的应急方案都以文本的形式存在，信息形式化程度低，缺乏灵活性、可扩展性和可维护性，自动化程度不高[6]。

大气污染事故救援预案的制定是为大气污染事故救援与指挥调度服务的，先进、科学、实用的大气污染事故应急方案应该成为应急指挥人员进行快速、有效地指挥应急调度的有力手段，如何提高数字应急预案的使用价值，成为学者们研究的焦点，而地理信息系统（GIS）成为这些学者解决这一问题的利器。

GIS受到学者们的高度重视不是没有原因的。

最先到达污染现场的应急指挥员要在极短的时间内作出决定，根据应急预案提出十分周密的救援实施方案，并迅速下达作战行动命令。

在这个过程中，决策者受到四个因素的限制：

第一是时间限制；第二是必须在有限的不完备的信息下进行决策；第三是决策量非常大，决策者必须在短时间内处理大量的决策信息；第四是决策者面临很大的压力。

即使有事故发生前的决策作为依据，有先验知识作为参考，有专家参与制定应急方案，也不能保证应急指挥员提出的方案是科学有效的。

而且，这些应急方案是以结构化的形式存储在关系数据库中或者以电子文档文件的形式存在，不够直观。

另外，现有应急方案的诸多内容仍存在不明确、不完整之处，例如，对于受灾群众疏散路线，方案中可能只提及往特定方向撤退的空间距离，而并未给出具体疏散通道，这可能造成受灾群众撤退时道路拥挤等不良后果。

应急问题的最显著特点表现为时间的紧迫性，在突发事故中，援救行动的失败不仅不能控制灾害事故的发展，更有可能造成严重社会经济问题的发生。

寻求一种科学手段，使得应急指挥员能在下达救援命令之前对应急方案进行直观、快速地展示，并验证其有效性，将有助于应急指挥员有条不紊地指挥作战，大大提高救援行动的成功率，将事故所带来的损失降低到最低。

研究表明，视觉是人类获取信息的最重要的途径[7]，可见，突发性大气环境事故应急方案在实施前，进行相关应急信息的可视化和应急过程预演，有助于应急决策指挥者在整合各种数据的基础上，既从整体上掌握全局，又从局部深入事故现场的各个处置细节，全面掌握决策信息，快速制定出更科学、合理、有效的应急策略。

而地理信息系统（GIS）与可视化和模拟推演有着天然的联系[8]，它能很好地协助应急指挥者完成应急方案的可视化和模拟推演任务。

地理信息系统（GIS）是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题[8]。

GIS的技术优势在于它的有效的数据组织、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位和复杂的查询功能、强大的图形制造和可视化表达方法，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等。

其中，通过地理空间分析可以产生常规方法难以获取的重要信息，实现地理过程动态模拟和决策支持，这是GIS的研究核心，也是GIS的重要贡献。

GIS与地理学有着天然的联系，它以一种全新的思想和方法来解决复杂的规划、管理和地理等的问题，例如资源管理、灾害监测、全球变化等[9]。

由此可见，我们可以利用GIS的强大的空间数据组织、管理、分析和表达能力，对突发性大气环境事故发生地点进行快速定位，对相关的基础空间数据和各类专题数据进行有效的组织和管理，将相关的可用资源和救援力量分布信息等进行直观、形象地表达在电子地图上，并根据应急方案对突发性事故的过程进行可视化模拟推演，从而验证应急方案是否可行。

还可以在应急方案不明确、不完整或者不可行的情况下，通过GIS的空间分析，对现有方案进行补充或调整，并对事故可能造成的后果进行估计。

基于以上分析，本文一方面尝试利用数据、信息、知识可视化手段对突发性大气环境污染事故应急知识进行直观的可视化表达，另一方面尝试利用GIS的强大空间数据组织、管理和分析和表达能力，对突发性大气环境污染事故应急方案进行直观、形象的可视化表达和模拟推演，验证应急方案的有效性，并在第一时间对不完整或者不可行的应急方案进行调整，帮助应急指挥员快速制定有效地应急方案，将突发性大气环境污染事故所带来的损失降到最低。

一.2国内外研究现状

一.2.1应急预案与应急方案

近年来，随着突发事件的高频化、扩大化、复杂化，现代应急管理（modernemergencymanagement,MEM）面临越来越严峻的挑战。

陈安[10]对现代应急管理做了这样的定义“是为了降低突发灾难性事件的危害，基于对造成突发事件的原因、突发事件发生和发展过程以及所产生负面影响的科学分析，有效集成社会各方面的资源，采用现代技术手段和现代管理方法，对突发事件进行有效地应对、控制和处理的一套理论、方法和技术体系”，MEM贯穿突发事件的全过程，包括预防与准备、监测与预警、处置与救援和恢复重建四个阶段。

应急预案的制定是应急预防阶段的重要工作，俗话说“预则立，不预则废”，科学的应急预案为应急的后续阶段建立坚实的基础。

应急预案是针对可能发生的重大事故或灾害，为保证迅速、有效地开展应急救援与行动、降低事故损失而预先指定的有关计划或方案[11]。

应急预案的编制目的是提高政府保障公共安全和处置突发公共事件的能力，最大程度地预防和减少突发公共事件及其造成的损害，保障公众的生命财产安全，维护国家安全和社会稳定，促进经济社会全面、协调、可持续发展[12]。

应急方案是以应急预案为基础的，描述应急预案中某个部分的具体处置措施[6]。

应急预案是突发公共事件应对的基础，它提供了突发公共事件处置的原则和目标，是突发公共事件应急响应和全程管理的标准和指南。

应急预案是贯穿整个应急指挥过程的规范和纲领性文件，也正因如此，预案难以涉及紧急事件处置的细节内容，无法根据事件时间、地点、范围等的差别而灵活地进行相应的变化，这也就削弱了应急预案在应急处置中的作用。

而应急方案描述的是预案中某个部分的具体处置措施，内容更加详实、明确。

也就是说，应急方案往往是可以实际操作的。

因此，要真正实现应急指挥的目的，必须要在应急预案的基础上制定相应的应急方案，并根据有效地方案有步骤、有条理地应对突发性事件。

美国、日本等国家为应对自然灾害等重大突发事件，早在上个世纪初就开始了突发事件应急预案编制工作。

20世纪70年代，“总统灾难宣布机制”是美国应急体系开始形成的标志；1992年4月，美国联邦应急管理署正式推出《联邦应急方案》（FederalResponsePlan,FRP），它对应急工作进行了详细的划分，包括通信、交通、消防、救护、有害物质处理等12个职能；2001年9月，国会通过《应急和恢复法》，2003年2月，美国的《国家安全总统令》（HSPD-5）要求建立全国统一标准的国家突发事件管理系统（NationalIncidentmanagementSystem,NIMS），随着应急实践经验的积累，美国2005年美国发布了《国家应急预案》，形成了一套较为成熟的应急预案体系，并且一直在不断发展和完善。

美、英、日本的应急预案体系不仅在宏观上已经相当完善，在医院、学校、居民社区等微观领域也得到很好的应用[13]。

我国应急预案体系建设始于2003年“非典”事件，起步较晚。

2003年5月7日，国务院第7次常务会议审议通过了《突发公共卫生事件应急条例》。

同年年底，国务院办公厅成立应急预案工作小组，先后组织召开了国务院各部门和部分重点省、市预案工作会议。

2005年1月26日召开的国务院第79次常务会议通过了《国家突发公共事件总体应急预案》以及105个专项和部门应急预案，同时，各省区市也分别完成了省级总体预案的制定工作。

2006年1月24日，国务院颁布了《国家突发环境事件应急预案》。

2007年8月30日，第十届全国人大常委会第29次会议通过了《中华人民共和国突发事件应对法》，并于2007年11月1日起施行。

经过多年的努力，国务院各涉灾部门的应急预案编制工作已基本完成，全国31个省、自治区、直辖市以及灾害多发市县都制定了预案，形成了包括总体应急预案、专项应急预案和现场处置方案在内的基本应急预案框架体系，建立了“一案三制”的应急管理模式。

许多学者对应急方案的各个方面进行了研究。

因此，增强应急预案及其方案灵活性、可扩展性和可维护性，提高它们的自动化程度成为亟待解决的问题。

翟丹尼总结了当前应急预案存在的问题，提出了数字应急预案及其系统的功能与实施[14-15]；韩新、汪永明致力于数字化灭火救援预案的编制及其应用技术的研究[16-17]；袁锋则将本体理论引入应急方案生成过程中[18]，提出了基于本体的应急智能方案生成方法。

NOAACoastalServiceCenter[19]、Chakraborty[20]、Whitehead[21]等对人群行为的研究能帮助人们分析在灾害情况下，人群的撤离和疏散时间的选择，疏散避难场所的选择，疏散路径的选择等。

应急方案中的运输问题也受到许多学者的关注。

如Feng[22]等研究的交通管理方法。

Sherali[23]等针对飓风、洪水等灾害，研究了应急避难所的选址对疏散时间的影响，从而制定基于最小疏散时间的应急疏散预案。

一.2.2应急方案可视化和模拟推演技术

用可视化的方法验证应急方案的有效性，必须先采用正确的方法将应急方案中的信息转化为可视化元素，再根据突发性事故的发生地点及相关的救援物资和救援措施等，将相关的信息用专题地图的形式快速、全面地展现出来，并对事故发展状况和应急方案中的救援实施情况用动画的形式进行预演。

应急方案的可视化的本质是地理空间信息的可视化，可视化的内容包括应急环境静态信息和参与应急的动态实体信息，本文在GIS环境下进行这些信息的可视化，主要涉及传统传统地理信息可视化、时态GIS动态可视化技术和可视化符号的设计技术。

一.2.2.1地学可视化

“可视化”一词来源于英文“Visualization”，意为：

将不可见的、不能表达或抽象的东西转变为可以看见的或者大脑可以想象的图形图像。

相比不可见模式，有效的视觉界面使我们能够快速、有效地对大量的数据进