災害數據管理技術與平臺進展及其面臨的需求研究

王艷杰，王卷樂，卜 坤

(1.中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101；2.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.江蘇省地理信息資源開發與利用協同中心，江蘇 南京210023；4.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林 長春130102)

近年來，頻發的自然災害給人類社會造成了巨大的生命和財產損失，防災減災已成為世界各國面臨的共同挑戰[1-2]。在2005-2015年的10年間，災害造成70多萬人喪生、140多萬人受傷和約2 300萬人無家可歸，超過15億人受到災害的各種影響，經濟損失總額超過1.3萬億美元[3]。中國是世界上發生自然災害最普遍和嚴重的國家之一， “十二五”期間(2011-2015年)，自然災害年均造成3.1億人次受災，因災死亡失蹤1 500余人，緊急轉移安置900多萬人次，直接經濟損失3 800多億元；2016年各類自然災害造成全國近1.9億人次受災，1 700余人死亡失蹤，910.1萬人次緊急轉移安置，直接經濟損失5 032.9億元[4-5]。

災害數據在災害發生的各個階段都起著至關重要的作用[6]，是防災減災最重要的基礎支撐條件之一。根據災害系統理論，災害數據可劃分為：致災因子數據、孕災環境數據、承災體數據和災情數據[7]。致災因子數據分為自然致災因子與人為致災因子；孕災環境數據包括孕育產生災害的自然環境數據與人文環境數據；承災體數據是指致災因子作用對象相關的數據，承災體通常可分為人和財產資源兩類；災情數據指各方面對災害損失程度的反映，包括人員傷亡與經濟損失等[8]。豐富的自然災害數據可為更高效地災害監測預警、應急響應、風險評估和救災決策提供充足有效的信息，充分利用災害數據提升災害管理能力成為防災減災的迫切需求[9-12]。

當前，3S技術、數據存儲技術、數據庫技術、互聯網技術、移動通訊技術等的飛速發展，以及云計算、大數據和非關系型數據庫(NoSQL)等方面的研究進展[13]，使得災害數據獲取和處理手段不斷提高，帶來了其在信息時代的新特點，如海量性、多源性、異構性、多尺度、多分辨率、多時空屬性等。對多類型、多屬性的災害數據進行高效地整合集成與管理成為面臨的重大挑戰。建立災害數據共享平臺，對獲取的各類災害數據進行集成管理及共享服務[14]，最大化實現災害數據的共享價值，對于防災減災工作是至關重要的。本文圍繞災害科學數據共享，對當前災害數據獲取、集成管理、共享服務和可視化等技術及國內外災害數據平臺進展進行調研，總結現有災害數據平臺的不足，并分析指出了其發展的主要需求。

1 災害數據管理技術研究進展

1.1 災害數據獲取技術

遙感技術可應用于自然災害調查、監測、預警、評估的全過程，具備宏觀性強、時效性好、信息量豐富和非接觸性等優點，在大范圍、區域性的災害監測或調查中具有顯著優勢。近年來，遙感技術已形成高光譜、高空間分辨率、全天時、全天候、實時/準實時的對地觀測能力，成為災害信息獲取中不可或缺的先進技術手段[15-17]。基于遙感影像數據，結合地形數據，可開展研究區域內孕災環境條件的解譯和分析，進而獲取全域和重點災害點不同空間尺度的孕災與成災環境背景數據與資料。

無人機低空攝影測量是以無人機為飛行平臺搭載傳感器設備獲取地面信息的遙感測量方式，具有機動性強、獲取數據快速的特點。無人機低空攝影測量系統可以靈活快速地獲取高分辨率、大比例尺和高現勢性的遙感影像，克服衛星遙感和航空攝影測量因云層遮擋而帶來的障礙[18-19]。對于人力難以到達現場且具有重大威脅的冰川、冰湖、滑坡、泥石流、堰塞湖等災害點，無人機航拍技術具有顯著優勢。

移動GIS(Mobile GIS)技術綜合運用了GPS 精確定位技術、便攜移動設備、移動通訊技術和GIS 的空間信息處理能力，使系統能夠實時地獲取、存儲、處理、分析和顯示地理相關信息，獲得第一手數據資料[20-21]。徐錫珍[21]基于Mobile GIS技術，設計了災情數據采集終端軟件“應急通”，實現包括文本、圖片、音頻、xml表單等多種格式的災害數據采集。楊旭東等[22]基于移動3S 技術研發的地質災害野外調查數據采集系統，實現了地質災害野外調查定點、填表、實體勾繪、平剖面圖繪制、拍照、路線采集等工作全流程信息化。

1.2 災害數據集成管理技術

早期的災害管理系統利用關系型數據結構存儲，主要用于災害傷亡人數、倒損房屋、財產損失等災情數據庫[23-24]。此階段的災害信息管理系統主要是面向災害數據對象類型單一的固定數據源，因此數據以“E-R”表形式統一存儲于MySQL, SQL Server等關系型數據庫中。

隨著地理信息系統(GIS)以及WebGIS技術的發展，帶有時空索引的空間數據庫引擎如ESRI公司的ArcSDE、Oracle公司的Oracle Spatial以及加州大學伯克利分校研發的PostgreSQL&PostGIS產品，逐漸成為災害信息管理的主要平臺。S.Balbo等[25]基于開源地理空間數據共享管理平臺GeoNode開發了名為MASDAP的災害數據共享平臺，該平臺采用PostgreSQL& PostGIS進行數據管理，并通過開源地圖服務平臺GeoServer實現Web地圖發布。嚴麗軍[2]利用Oracle Spatial空間數據庫技術，實現自然災害災情空間數據與屬性數據的統一存儲，采用數據倉庫技術高效地實現了多源災害數據的整合和管理。黃健等[26]運用ArcGIS Server、ArcSDE for Oracle 、Oracle數據庫及ASP．NET開發技術，設計了基于網絡的地質災害信息管理系統(WIMS)。

隨后以MongoDB、Redis、HBase等為代表的非關系型分布式數據庫快速發展。借助開源空間數據服務引擎，災害信息系統實現了信息發布與共享以及在線分析制圖等功能[27]。NoSQL在多源異構災害數據的存儲管理中具有顯著優勢，其采用鍵值對(key-value)形式、圖片形式、文檔形式等多種存儲格式，較之關系型數據庫更為豐富多樣，且易于擴展。牛千等[28]研究了基于MongoDB的分布式地質災害數據存儲策略。Grolinger K等[13]研究了采用關系數據庫和NoSQL數據庫相結合對海量異構災害數據進行存儲管理的方式。

GML(Geography Markup Language)是空間數據建模標準規范的簡稱。基于GML設計轉換接口，通過模型抽取、數據抽取和數據轉換把異構數據轉換到統一的GML文檔，可以消除空間數據的異構性。江衛東[29]、王惠芬[30]、尹志華[31]等先后研究設計了基于GML的多源異構空間數據集成模型。冷小鵬[32]提出了地質災害標記語言GHML，用于對空間數據、屬性數據、專題數據及數據服務等進行組織管理與描述，實現客戶端平臺的數據匯聚。廖永豐等[33]采用GeoSOT全球剖分網格模型，提出了基于“空間面片”統一組織管理多元災害信息數據的方法。梁慶發等[34]設計了多源異構數據的目錄樹節點工具，實現了對各類型數據讀取、加載、入庫、提取、分析、符號化與出圖等功能。汪宙峰[35]引入地災本體論的思想，設計了地災本體空間數據庫模型，提出基于地災本體分類的多源異構地災信息的集成方法。

1.3 災害數據共享服務與可視化技術

ZHAO Q Z等[36]研究提出了基于Web service和面向服務的構架SOA的面向多種自然災害和突發公共安全事件的應急管理系統體系結構。黃亮[37]利用Ajax技術、Web Service技術，在Visual Studio 2010 環境下進行了地質災害管理信息系統的開發實踐。王倩[8]提出了以地理框架數據為載體，基于統一地理編碼整合各類災害數據的方法，實現了不同部門異構災害數據共享。汪宙峰等[38]通過SOA技術和GeoWeb2. 0技術實現地災服務架構，設計開發了共享服務平臺。陳宇達等[39]提出了一個通過整合WebGIS、Ajax、ESML和數據網格技術來實現地質災害數據共享和互操作的平臺模型。張文江[40]提出了一種基于代理的用戶數據視圖的數據共享技術，統一結構化數據和非結構化數據為一致的用戶數據視圖，實現地質災害數據的安全共享。

可視化在信息世界中占有關鍵的地位，而地理信息的區域差異性決定了地理信息可視化的多樣性[41]。WebGIS是傳統GIS技術在網絡技術上的延伸和發展，它既具有傳統的GIS功能，又能實現網絡環境下的空間信息發布、共享和協作交流，具有客戶訪問范圍廣、可擴展性和跨平臺性、互操作性和分布性等優勢[37，42]。RIA(Rich Internet Application)是一種新的Web應用程序概念，它能夠將豐富的應用服務與表現力、交互性強的客戶端結合在一起，解決傳統WebGIS的一些弊端。實現RIA的主流技術有Ajax、Flex、Silverlight等。張明鋒[43]研究了基于RIA的Flex技術的臺風災害數據時空可視化表達，基于ArcGIS Server構建了臺風災害信息時空可視化顯示平臺。李楠楠[44]應用Virtual Globe技術和SOA模型，構建了一個地質災害監測預警三維可視化數據集成框架，實現地質災害數據的三維可視化顯示。李艷[45]研究了基于災害符號的地震災情信息可視化方法，構建虛擬地震災害場景與災害符號協同表達，實現可視化服務。

2 災害數據平臺建設進展

2.1 國際災害數據平臺

聯合國災害管理與應急響應空間信息平臺(http://www.un-spider.org)設有“Links and Resources”欄，匯聚了包括美國國家航空航天局(NASA)、美國海洋和大氣管理局(NOAA)、美國地質勘探局(USGS)等多個機構的災害數據鏈接及軟件工具鏈接。國際山地綜合發展中心(ICIMOD，http://www.icimod.org)是一個跨區域的政府間知識共享中心，為興都庫什喜馬拉雅地區的八個成員國，阿富汗、孟加拉國、不丹、中國、印度、緬甸、尼泊爾和巴基斯坦提供服務，內容包括歷史自然災害相關信息及科研文獻。USGS地震數據庫(https://earthquake.usgs.gov)記錄了全球所發生的地震災害事件及相關數據，提供部分數據資源下載。EM-DAT(https://www.emdat.be)是在世界衛生組織和比利時政府的支持下創建的歷史災害數據庫，記載有1900年至今世界上22 000多起大規模災害發生和影響的基本核心數據，用戶可以免費下載災害相關文獻資料。火災信息資源管理系統(https://earthdata.nasa.gov/earth-observation-data/near-real-time/firms)提供NASA地球觀測數據中的火災數據瀏覽與下載。全球減災與恢復設施(https://www.gfdrr.org/en)是一個幫助發展中國家更好地了解和減少面對自然災害和氣候變化脆弱性的國際組織，為脆弱國家提供技術援助、能力建設和分析工作，以幫助提高恢復力和減少風險。PREVIEW全球風險數據平臺(http://preview.grid.unep.ch/)共享有關全球自然災害風險的空間數據信息，包括歷史災害數據和自然災害風險指數數據。平臺按災害類型對數據進行可視化處理，并允許用戶下載和提取。GAR數據風險平臺(https://risk.preventionweb.net/)共享有關全球自然災害風險的空間數據信息，平臺主要以可視化的方式，對全球各類災害數據進行展示，并提供數據下載。

2.2 國內行業部門災害數據平臺

國家減災委主辦的國家減災網(http://www.jianzai.gov.cn)，建有災害遙感專題平臺，提供災情分布、災害監測、應急監測等遙感影像數據的可視化瀏覽。中國地震臺網中心建立有地震臺網平臺(http://news.ceic.ac.cn)，實時更新地震災害數據，并以谷歌地圖、百度地圖和天地圖為底圖對數據進行可視化展示。2002年啟動的地震科學數據共享項目，建立了集數據整合、共享服務功能于一體的地震科學數據共享平臺(http://data.earthquake.cn)，平臺數據按地震探測、地震監測、地震調查、地震實驗等分類。中國地震局建立的中國地震科普網(http://www.dizhen.ac.cn)以視頻、圖片等多媒體方式提供實時地震災害信息及知識科普。中國地質調查局建有地質云平臺(http://geocloud.cgs.gov.cn)，設有地質災害圖件欄目，平臺全部資源按圖件、科普資料、地質資料、出版物、標準、專利軟件等分類共享。水利部建有全國水雨情信息平臺(http://xxfb.hydroinfo.gov.cn)，平臺提供有全國熱點水情圖，對洪水、干旱、臺風、暴雨等災害信息實時更新及可視化展示，并設有水情查詢欄目，用戶可對大江大河、大型水庫、重點雨水情等信息進行搜索查看。中國氣象局主辦的中國興農網(http://zhfy.xn121.com)設立有災害預防專欄，提供實時氣象災害信息和氣象災害預警。水利部建立有防汛防臺知識專欄(http://www.mwr.gov.cn/szs/fxftzl)，為用戶提供與洪水和臺風災害相關的知識科普。

2.3 國內災害知識服務專業平臺

中國工程院下設有國際工程科技知識中心(IKCEST)和中國工程科技知識中心(CKCEST)，分別建立有與災害相關的知識服務平臺。國際工程科技知識中心建有防災減災知識服務平臺(http://drr.ikcest.org)[46-47]，平臺持續集成整合中國及周邊國家地震、洪水、干旱等自然災害相關的數據資源，為用戶提供數據在線瀏覽與下載及實時災害信息和歷史災害事件可視化、防災減災經驗分享等各類專題應用服務。中國工程科技知識中心下建有地震科學專業知識服務系統、地質專業知識服務系統和氣象科學專業知識服務系統。地震科學專業知識服務系統(http://earthquake.ckcest.cn)匯集整理地震相關文獻資料及地震科學數據，為用戶提供數據瀏覽下載及地震知識科普等服務。地質專業知識服務系統下有地質災害知識服務應用平臺(http://geohazard.geol.ckcest.cn)，平臺對地質災害數據進行了可視化，用戶可以自定義年份、地區、地質災害類別進行檢索瀏覽。氣象科學專業知識服務系統(http://meteor.ckcest.cn)匯聚氣象領域基礎資料、服務產品、標準規范、前沿資訊、科技文獻、領域專家、科普百科等數據資源，為用戶提供一帶一路氣象、暴雨災害、干旱災害、臺風災害等專題數據訪問與服務。

2.4 政府綜合性數據平臺

European Data Portal(https://www.european-dataportal.eu)獲取歐洲國家公共數據門戶上的公共部門信息元數據，平臺共收集有超過84.3萬個數據集的元數據信息，其中與災害(disaster and hazard)相關的數據集(2 927)占比約為0.3%。Australia Government Data Portal(https://data.gov.au)發布來自于澳大利亞各級政府的公共數據，平臺目前有超過3萬個數據集，其中與災害相關的數據集(384)占比約為1%。America Government Data Portal(https://www.data.gov)發布來自美國政府的公共數據，平臺目前收集有約30.3萬個數據集，其中與災害相關的數據集(10978)占比約為3%。綜合來說，國家政府綜合性數據平臺中災害數據量占比非常小，災害數據資源不夠豐富。

3 災害數據平臺未來發展需求

3.1 當前災害數據平臺的不足

基于上文對災害數據管理技術及災害數據平臺的調研分析，指出當前災害數據平臺存在的以下幾類問題：

(1)數據平臺災種單一。如我國相關行業部門建立的地震、地質災害、水雨情等平臺，均只針對某一類特定災害，此類數據平臺通常數據較為詳實，但不涉及其他災種。

(2)擴展性和互操作性較弱。已有災害數據平臺都是相互獨立的，無法進行平臺間關聯訪問以實現真正意義上的災害信息共享。

(3)各類型災害數據關聯及可視化程度不足。現有平臺未做到基于位置的集成關聯，同時對數據的可視化程度不夠，用戶無法快速且清楚地獲取某一地點或某次災害事件相關的全部信息。

(4)缺少面向跨國區域的災害數據平臺。我國行業部門建立的災害數據平臺多為面向國內，目前缺少面向國際視野和跨國典型區域的災害數據平臺，如ICIMOD。

(5)數據資源不夠豐富且不便獲取。部分數據平臺僅提供災情信息、科普知識或災害遙感影像等，而不提供文獻資料、工具模型以及知識加工產品等資源，且部分網站資源不便于用戶下載與獲取。

3.2 數據平臺發展需求

針對當前災害數據平臺的不足，對未來發展指出以下幾點需求：

(1)災害數據分類編碼與統一標準

平臺需針對各類孕災環境數據、災害監測數據、災害分布及風險評估等數據資源制定分類體系，并設計全球唯一編碼，實現災害數據資源的永久標識。可采用混合編碼方式，綜合運用鏈式編碼與樹式編碼，以“主碼+擴展碼”的模式對災害數據進行編碼[48]。平臺須制定數據標準，規范化約束匯聚數據的質量，集成到平臺中的各類數據資源要有對應的元數據、資源實體、說明文檔、縮略圖等信息。為滿足數據的實時動態更新，平臺需開發時空數據導入接口，實現災害數據在線匯聚，允許相關科研人員或公眾用戶隨時隨地在線提交數據。

(2)基于元數據的災害數據發現與平臺間關聯訪問

元數據是公認的適合描述數據資源的數據，有助于發現和管理數據[49]。平臺基于元數據對災害數據進行管理，需制定具有擴展能力，且與國際災害元數據標準格式兼容的元數據標準，基于元數據標準對匯聚的各類災害數據建立相應的元數據[47]。開發災害元數據管理系統對元數據注冊入庫、審核發布、目錄檢索、瀏覽展示以及維護更新等，從而實現元數據對數據集實體的在線導航和關聯，滿足由元數據到數據實體的一站式訪問和獲取。基于元數據進行獨立災害數據平臺之間的關聯訪問與互操作是當下亟待解決的問題。利用開源元數據目錄工具pycsw設計災害元數據管理系統，針對不同災害數據平臺開發相應的元數據接口，實現元數據被動獲取或主動收割，建立海量災害元數據庫，從而實現災害數據平臺的關聯訪問，是一個具有較大潛力的解決方案。

(3)多類型災害數據集成與可視化

災害數據平臺需解決多種災害數據零散分布，無法基于地理位置關聯的問題，并為用戶提供災害數據的可視化服務。WebGIS技術可為上述問題提供良好的解決方案。利用WebGIS技術，融合地理實體數據、地名地址數據、地圖數據、遙感影像數據、高程數據等作為地理框架數據，搭載孕災環境數據、社會經濟統計數據及多媒體數據等多類型災害數據，通過統一地理編碼實現基于位置的關聯[8，50]，建立在線可視化環境，對災害數據進行可視化展示，實現在一個Web地圖界面中追溯到任意時空的全部災害資料信息。

(4)數據服務多樣化與用戶在線協同

科學數據具有科學價值、社會價值和經濟價值, 應該讓它進行交流和共享才能充分體現它的價值和效益[51]。災害數據平臺不應只是存儲數據，需為用戶提供多樣化的服務，如數據資源、數據產品的在線可視化瀏覽與離線下載，數據定制與加工，工具模型的調用等，同時簡化用戶獲取數據的流程，提供下載鏈接，做到真正便利地共享數據。災害數據平臺應面向數據生產和提供者、數據平臺管理者、數據應用者等多用戶角色，開發在線交流模塊，解決用戶間或用戶與數據提供者無法進行直接交流的問題。基于Ajax技術開發web在線交流平臺，使各類用戶(包括數據生產者、數據使用者和數據管理者等)以在線討論的方式進行異地交流與互動研討。

(5)面向重點區域的災害數據資源匯聚

自然災害分布特征因區域而異，需針對重點研究區域內災害的特點建立災害數據平臺。以“一帶一路”沿線為例，“一帶一路”倡議是我國的重要國家戰略，其建設受到自然災害的嚴重威脅，六大經濟走廊面臨的主要災害有[12]：①中蒙俄經濟走廊：地震、滑坡、洪水、泥石流；②新亞歐大陸橋：地震、滑坡、洪水；③中國-中亞-西亞經濟走廊：地震、滑坡、洪水；④中國-中南半島經濟走廊：地震、滑坡、洪水；⑤中巴經濟走廊：滑坡、泥石流、冰湖潰決洪水、地震；⑥孟中印緬經濟走廊：洪水、地震、滑坡。各經濟走廊建設面臨的災害存在差異，亟需建立相應的災害數據共享平臺，整合集成各類災害數據資源，為“一帶一路”區域災害科學研究及走廊建設提供支撐。

4 結 論

本文綜述了災害數據獲取、集成管理、共享服務和可視化等技術的研究進展，并對當前國內國際已建的災害數據平臺做了調研，分析了災害數據平臺存在的不足，具體包括數據平臺災種單一、擴展與互操作性弱、多類型災害數據集成和可視化程度不足、缺少面向跨國區域的災害數據平臺、平臺數據資源不豐富且不便獲取等方面。基于不足，指出了平臺未來發展五個方面的主要需求。