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GIS在城市应急平台建设中的应用研究
1 引言
上世纪后半叶，随着人口激增、资源短缺、生态破坏、环境恶化和恐怖主义的盛行，人类面临日益严峻的公共安全问题。进入新世纪，自然灾害、事故灾难、公共卫生、社会安全等突发公共事件对人类的侵袭更有愈演愈烈之势。2001年美国911恐怖袭击事件，2003年惊心动魄的SARS疫情，2004年巴拉圭超市特大火灾事件，2004年—2005年的印度洋海啸事件，这些事件带给人类的除了伤亡、疾病，还有无法磨灭的记忆和伤痛。我国每年由公共安全问题造成的非正常死亡约20万人，伤残约200万人，造成的经济损失约为GDP总量的5%。未来20年是我国经济社会发展的重要战略机遇期，城市化、新型工业化以及全球化进程将进一步加快，公共安全问题发生频度将进一步增加。我国政府高度重视对突发公共事件的预防和处置工作，2006年1月8日国务院公布了《国家突发公共事件总体应急预案》，2006年出台的《国务院关于全面加强应急管理工作的意见》把“推进国家应急平台体系建设”列为“加强应对突发公共事件的能力建设”的首要工作，明确指出“加快国务院应急平台建设，完善有关专业应急平台功能，推进地方人民政府综合应急平台建设，形成连接各地区和各专业应急指挥机构、统一高效的应急平台体系”，公共安全应急平台建设作为实施预案的工具，成为应急管理的一项重要基础性工作。
GIS出现于20世纪60年代，经过40多年的发展，逐渐形成了其理论和技术体系，GIS已被广泛应用于自然、社会、经济、人文等众多领域的建模和决策支持，因为其固有的优势，应急管理工作的许多业务需求可以甚至必须在GIS的支持下才能实现。近年来，虽然各级政府应急平台建设的工作已先后展开，然而对GIS在应急平台中的应用尚缺乏系统的研究，鉴于此，本文鉴于应急平台的地位和作用，结合GIS的功能，系统研究了GIS对应急平台建设的支持。此外，本文还基于当前新软件工程技术及主流GIS软件提供的设计和开发方法，阐述了GIS在应急平台上的集成。通过典型案例，展示了GIS在城市应急平台建设中的应用。文章后对GIS在公共安全应急中的应用现状和趋势进行了总结和展望。
与遥感和GPS测量技术结合，GIS可以为监测监控提供支持。遥感具有大范围、快速、多频次、经济地获取空间数据的优势，GPS则能用于高精度定位，遥感和GPS作为GIS的重要数据源，结合GIS的数据收集、处理和管理的能力，可以获取各种监测监控数据。为风险分析和评估提供数据支持。
GIS技术具有管理和分析多源空间数据的能力。而风险隐患辨识、分析和评估涉及到各种风险源、防护目标以及相关应急资源、救援力量，各类自然、社会、经济等因素的综合处理分析，GIS强大的空间分析功能，如叠加分析、缓冲区分析等能为其提供支持。如通过GIS的缓冲区分析功能，可以识别出明显或潜在的重大危险源和重点防护目标等信息，再结合人口密度、街道、管线、电力线等其它地图数据，使用叠加统计、空间关联分析等基础的空间分析功能，开展风险分析和评估。二、三维可视化技术，如空间数据符号化展示，统计图表，三维地形模型、空间对象模型等是GIS提供的丰富的展示功能。在风险表达中，可以综合使用GIS的可视化技术和图表功能，将风险隐患辨识、分析和评估的结果制作为二、三维专题图的形式，不仅具有丰富的效果，更便于信息的传递、理解和应用。
在接收到突发公共事件信息时，通过GIS可以进行突发公共事件定位、按比例尺查询显示事发地周边环境信息，进行地图标绘，制作事件接报专题图。
通过GIS的空间查询、空间数据编辑、区域统计等功能，可以对监控点、各类应急资源进行查询检索和维护管理，保证监测监控的有效性和现势性，全面掌控资源状态，及时更新应急资源信息。
随着软件工程技术的发展，面向对象和面向服务的设计和开发方法日益成熟，并在实际中获得了巨大的成功，当前主流的GIS软件也提供了对这些设计和开发技术的支持。因此，为了与GIS软件无缝集成，获得佳应用效果，应急平台的架构设计亦应该遵循平台化、构件化的设计思想，采用统一的数据交换、统一的接口标准、统一的安全保障。
GIS与应急平台的集成基于先进的多层架构模型和SOA (Service-Oriented Architecture)架构模型。多层架构可以搭建松散耦合、易于复用、可扩展性强的应用，除了方便软件开发的组织和实施外，亦便于日后系统的维护和扩展。而SOA架构模型则可以更好地满足系统的组件化、互操作、模块化、可伸缩等特性，实现当前或今后应急信息化建设中更多的资产重用，快速响应业务需求变化，SOA架构具有的规范统一性和高度的开放性可以保证应急领域信息化建设的兼容性。
将GIS功能封装成组件及发布成Web服务，定义统一的接口，界定输入、输出参数，通过C/S或B/S模式与应急平台集成，为应急平台各系统提供基础的GIS功能（图1）。
该层为GIS基础构件层提供数据支持，主要包括：空间数据库，网络地图服务（WMS，Web Map Service）、网络要素服务（WFS，Web Feature Service）和各类型空间数据文件。
2）基础构件层
该层分为两部分，一部分是以GIS服务形式（Web Service）提供的基础构件，这些基础构件用于B/S应用开发，支持分布式和集中式部署，可在大型组织内以及Internet用户间发布和共享地理信息：除了为客户端提供地图和数据服务，GIS服务器还可在共享的中心服务器上支持GIS工作站的所有功能。另一部分是以GIS组件形式(如COM、CORBA)提供的基础构件，主要是满足面向组件的应用开发需要，适合于C/S模式的应用开发。
3）业务应用层
应急平台包括B/S和C/S两种模式的应用，B/S模式通过调用GIS提供的服务，实现运行于局域或广域网环境下的应用，而C/S模式则直接通过调用组件来构建基于功能需求更复杂、性能要求更高的应用，如二维标绘，三维展示等。
4 案例展示
为应对快速城市化进程中日益突出的公共安全问题，从2006年起，昆山市政府启动了突发公共事件应急平台建设项目，北京市辰安伟业科技有限公司负责了该项目的研发工作。经过近2年的努力，目前昆山市应急平台已正式上线运行。昆山市应急平台采用了美国ESRI公司的ArcGIS基础软件平台，许多应急业务功能都是在该软件平台的基础上，通过二次开发技术实现的。
在昆山市应急平台中，GIS与应急平台的集成采用了B/S和C/S两种模式，其中B/S模式主要是实现基于Web的地图信息浏览、发布等应用，而C/S模式则主要是针对模型分析和空间决策支持等复杂空间分析需求，而实现的基于桌面的应用。
针对昆山市典型突发事件特征，在昆山市应急平台上实现了数十种突发事件预测分析模型，这些模型均基于GIS基础平台开发，GIS基础平台为这些模型提供空间数据输入、空间数据处理分析及模型运行结果展示等功能支持。图 2为各种模型运行界面截图。
公共安全是关系到公众生命和财产安全、经济发展、社会稳定的大问题。GIS对空间数据的获取、存储和操纵能力及其强大的空间分析功能, 使其能为公共安全体系提供强大的技术支持, 对公共安全事业的发展有着十分重要的意义。目前，各级政府、企事业单位等应急相关机构应急平台建设工作开展得如火如荼，GIS的诸多功能也逐渐得到发掘和应用。GIS在应急平台建设中取得初步成功的同时，也还存在许多需要解决的问题，主要体现在以下方面：
1）GIS强大分析功能的进一步深入挖掘。目前，虽然一些常用的空间分析功能在应急平台及应急相关系统建设中获得了成功的应用，而许多复杂、高级的分析功能，还没有得到充分、有效的利用。
2）空间智能决策技术在应急平台的集成和应用。基于人工智能的技术已经有深入的研究，但在应急领域还没有得到充分利用。应急平台的科学性和智能化的提高，还需要这些技术的强有力支持。
3）三维可视化和虚拟现实技术的应用。三维可视化和虚拟现实技术是GIS研究的前沿领域，目前在该领域已经取得了一些重要的成果，将这些新的技术应用于应急领域，必将进一步增加人类应对突发公共事件的能力。
上世纪后半叶，随着人口激增、资源短缺、生态破坏、环境恶化和恐怖主义的盛行，人类面临日益严峻的公共安全问题。进入新世纪，自然灾害、事故灾难、公共卫生、社会安全等突发公共事件对人类的侵袭更有愈演愈烈之势。2001年美国911恐怖袭击事件，2003年惊心动魄的SARS疫情，2004年巴拉圭超市特大火灾事件，2004年—2005年的印度洋海啸事件，这些事件带给人类的除了伤亡、疾病，还有无法磨灭的记忆和伤痛。我国每年由公共安全问题造成的非正常死亡约20万人，伤残约200万人，造成的经济损失约为GDP总量的5%。未来20年是我国经济社会发展的重要战略机遇期，城市化、新型工业化以及全球化进程将进一步加快，公共安全问题发生频度将进一步增加。我国政府高度重视对突发公共事件的预防和处置工作，2006年1月8日国务院公布了《国家突发公共事件总体应急预案》，2006年出台的《国务院关于全面加强应急管理工作的意见》把“推进国家应急平台体系建设”列为“加强应对突发公共事件的能力建设”的首要工作，明确指出“加快国务院应急平台建设，完善有关专业应急平台功能，推进地方人民政府综合应急平台建设，形成连接各地区和各专业应急指挥机构、统一高效的应急平台体系”，公共安全应急平台建设作为实施预案的工具，成为应急管理的一项重要基础性工作。
GIS出现于20世纪60年代，经过40多年的发展，逐渐形成了其理论和技术体系，GIS已被广泛应用于自然、社会、经济、人文等众多领域的建模和决策支持，因为其固有的优势，应急管理工作的许多业务需求可以甚至必须在GIS的支持下才能实现。近年来，虽然各级政府应急平台建设的工作已先后展开，然而对GIS在应急平台中的应用尚缺乏系统的研究，鉴于此，本文鉴于应急平台的地位和作用，结合GIS的功能，系统研究了GIS对应急平台建设的支持。此外，本文还基于当前新软件工程技术及主流GIS软件提供的设计和开发方法，阐述了GIS在应急平台上的集成。通过典型案例，展示了GIS在城市应急平台建设中的应用。文章后对GIS在公共安全应急中的应用现状和趋势进行了总结和展望。
2 GIS与应急管理
GIS(Geographic Information System)是地理信息系统的简称，它是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、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。GIS是20世纪60年代在迅速发展的计算机技术的推动下出现的一项地理学研究技术，它是地理学、测绘学、地图学、计算机科学等多种学科交叉的产物。近年来，受日益广泛的应用需求驱动并得益于计算机科学的飞速发展，GIS无论在理论研究还是实际应用方面均获得了迅速的发展。许多计算机领域的新技术，如Internet技术、面向对象的数据库技术、三维可视化技术、图像处理和人工智能技术都被先后应用到GIS中。
与遥感和GPS测量技术结合，GIS可以为监测监控提供支持。遥感具有大范围、快速、多频次、经济地获取空间数据的优势，GPS则能用于高精度定位，遥感和GPS作为GIS的重要数据源，结合GIS的数据收集、处理和管理的能力，可以获取各种监测监控数据。为风险分析和评估提供数据支持。
GIS技术具有管理和分析多源空间数据的能力。而风险隐患辨识、分析和评估涉及到各种风险源、防护目标以及相关应急资源、救援力量，各类自然、社会、经济等因素的综合处理分析，GIS强大的空间分析功能，如叠加分析、缓冲区分析等能为其提供支持。如通过GIS的缓冲区分析功能，可以识别出明显或潜在的重大危险源和重点防护目标等信息，再结合人口密度、街道、管线、电力线等其它地图数据，使用叠加统计、空间关联分析等基础的空间分析功能，开展风险分析和评估。二、三维可视化技术，如空间数据符号化展示，统计图表，三维地形模型、空间对象模型等是GIS提供的丰富的展示功能。在风险表达中，可以综合使用GIS的可视化技术和图表功能，将风险隐患辨识、分析和评估的结果制作为二、三维专题图的形式，不仅具有丰富的效果，更便于信息的传递、理解和应用。
在接收到突发公共事件信息时，通过GIS可以进行突发公共事件定位、按比例尺查询显示事发地周边环境信息，进行地图标绘，制作事件接报专题图。
通过GIS的空间查询、空间数据编辑、区域统计等功能，可以对监控点、各类应急资源进行查询检索和维护管理，保证监测监控的有效性和现势性，全面掌控资源状态，及时更新应急资源信息。
在灾后恢复和重建时，恢复期内，可以用手持设备、GPS定位毁坏的设施，确定损失情况，排出优先级；配给中心按人口和每个地区遭受的损失程度，给安置点发放水、食物、药品、衣被等生活物资。重建期内，可以用GIS来跟踪和显示重建的计划和进展，辅助重建资金的预算、分配和记录。
随着软件工程技术的发展，面向对象和面向服务的设计和开发方法日益成熟，并在实际中获得了巨大的成功，当前主流的GIS软件也提供了对这些设计和开发技术的支持。因此，为了与GIS软件无缝集成，获得佳应用效果，应急平台的架构设计亦应该遵循平台化、构件化的设计思想，采用统一的数据交换、统一的接口标准、统一的安全保障。
GIS与应急平台的集成基于先进的多层架构模型和SOA (Service-Oriented Architecture)架构模型。多层架构可以搭建松散耦合、易于复用、可扩展性强的应用，除了方便软件开发的组织和实施外，亦便于日后系统的维护和扩展。而SOA架构模型则可以更好地满足系统的组件化、互操作、模块化、可伸缩等特性，实现当前或今后应急信息化建设中更多的资产重用，快速响应业务需求变化，SOA架构具有的规范统一性和高度的开放性可以保证应急领域信息化建设的兼容性。
将GIS功能封装成组件及发布成Web服务，定义统一的接口，界定输入、输出参数，通过C/S或B/S模式与应急平台集成，为应急平台各系统提供基础的GIS功能（图1）。
图 1 GIS与应急平台的集成架构
由图1可见，GIS与应急平台的集成架构由三层组成。
该层为GIS基础构件层提供数据支持，主要包括：空间数据库，网络地图服务（WMS，Web Map Service）、网络要素服务（WFS，Web Feature Service）和各类型空间数据文件。
2）基础构件层
该层分为两部分，一部分是以GIS服务形式（Web Service）提供的基础构件，这些基础构件用于B/S应用开发，支持分布式和集中式部署，可在大型组织内以及Internet用户间发布和共享地理信息：除了为客户端提供地图和数据服务，GIS服务器还可在共享的中心服务器上支持GIS工作站的所有功能。另一部分是以GIS组件形式(如COM、CORBA)提供的基础构件，主要是满足面向组件的应用开发需要，适合于C/S模式的应用开发。
3）业务应用层
应急平台包括B/S和C/S两种模式的应用，B/S模式通过调用GIS提供的服务，实现运行于局域或广域网环境下的应用，而C/S模式则直接通过调用组件来构建基于功能需求更复杂、性能要求更高的应用，如二维标绘，三维展示等。
4 案例展示
为应对快速城市化进程中日益突出的公共安全问题，从2006年起，昆山市政府启动了突发公共事件应急平台建设项目，北京市辰安伟业科技有限公司负责了该项目的研发工作。经过近2年的努力，目前昆山市应急平台已正式上线运行。昆山市应急平台采用了美国ESRI公司的ArcGIS基础软件平台，许多应急业务功能都是在该软件平台的基础上，通过二次开发技术实现的。
在昆山市应急平台中，GIS与应急平台的集成采用了B/S和C/S两种模式，其中B/S模式主要是实现基于Web的地图信息浏览、发布等应用，而C/S模式则主要是针对模型分析和空间决策支持等复杂空间分析需求，而实现的基于桌面的应用。
针对昆山市典型突发事件特征，在昆山市应急平台上实现了数十种突发事件预测分析模型，这些模型均基于GIS基础平台开发，GIS基础平台为这些模型提供空间数据输入、空间数据处理分析及模型运行结果展示等功能支持。图 2为各种模型运行界面截图。
图 2 各种突发公共事件预测模拟运行示意图
图 3 昆山市应急平台上Web GIS的实现和运行示意图
公共安全是关系到公众生命和财产安全、经济发展、社会稳定的大问题。GIS对空间数据的获取、存储和操纵能力及其强大的空间分析功能, 使其能为公共安全体系提供强大的技术支持, 对公共安全事业的发展有着十分重要的意义。目前，各级政府、企事业单位等应急相关机构应急平台建设工作开展得如火如荼，GIS的诸多功能也逐渐得到发掘和应用。GIS在应急平台建设中取得初步成功的同时，也还存在许多需要解决的问题，主要体现在以下方面：
1）GIS强大分析功能的进一步深入挖掘。目前，虽然一些常用的空间分析功能在应急平台及应急相关系统建设中获得了成功的应用，而许多复杂、高级的分析功能，还没有得到充分、有效的利用。
2）空间智能决策技术在应急平台的集成和应用。基于人工智能的技术已经有深入的研究，但在应急领域还没有得到充分利用。应急平台的科学性和智能化的提高，还需要这些技术的强有力支持。
3）三维可视化和虚拟现实技术的应用。三维可视化和虚拟现实技术是GIS研究的前沿领域，目前在该领域已经取得了一些重要的成果，将这些新的技术应用于应急领域，必将进一步增加人类应对突发公共事件的能力。
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