17卷1期
2008年2月自 然 灾 害 学 报JOURNAL OF NAT URAL D I S ASTERS Vol .17,No .1Feb .2008收稿日期:2007-11-20; 修订日期:2007-12-28
基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAD20B02)
作者简介：蒲秋(1982-)，男，硕士研究生，主要从事自然灾害与地理信息系统研究. 通讯作者：武建军，男，副教授.E 2mail:W ujj@ires
文章编号:100424574(2008)0120033206
———以北师大北太平庄校区为例
蒲 秋2，武建军1,2,3
(1.地表过程与资源生态国家重点实验室(北京师范大学)，北京100875;2.北京师范大学环境演变与自然灾害
教育部重点实验室，北京100875;3.民政部/教育部减灾与应急管理研究院，北京100875)
摘要：随着近几十年GI S 、空间数据库、三维可视化等技术的发展,3D GI S 技术已经被广泛应用到城市
规划、城市设计、公共安全以及城市工程等各个方面。同时,3D GI S 为防灾减灾以及应急响应和管
理，特别是城市区域内的应急处置提供了一个可靠的工具。通过3D GI S 提供的实时环境和分析工
具，可以实现灾害事件重现、推演和和灾害管理分析，为减灾和应急处置提供有效的策略支持。主要 分析了城市灾害应急系统的结构，研究了基于网络结构的城市逻辑结构及分析方法，以北京师范大学
北太平庄校区为例，通过对城市内部复杂结构的抽象，提取城市应急管理中最重要的因素和信息，利
用3D GI S 技术建立城市三维环境和城市网络逻辑模型，模拟了城市应急处置过程。同时，通过对以
社区为单元的城市应急系统的建设考察了该系统在整个城市应急管理系统中应用的可行性。
关键词：灾害；应急系统；地理信息系统；三维可视化
中图分类号:X4 文献标识码:A
相环
Three d i m en si ona l G I S 2ba sed preli m i n ary study on urban
d is a ster
e m ergency system :t ak i n g Be iji n g Norma l Un i versity
area a t Be it a i p i n gzhuang a s an exam ple
P U Q iu 2,WU J ian 2jun 1,2,3
(1.State Key Laborat ory of Earth Surface Pr ocesses and Res ources Ecol ogy (Beijing Nor mal University ),Beijing 100875,China;2.Key Laborat ory
上海市第五十四中学of Envir onmental Change and Natural D isaster,M inistry of Educati on of China,Beijing Nor mal University,Beijing 100875,China;
3.Acade my of D isaster Reducti on and Emergency Manage ment,M inistry of Civil Affairs &M inistry
of Educati on,the Peop le ’s Republic of China,Beijing 100875,China )
Abstract:A l ong with devel opment of GI S,s patial database,visualizati on t ools and virtual reality ap
p licati ons in recent decades,the 3D GI S technol ogy has been widely used in urban p lanning,urban design,public security and civil engineering and architecture p r ojects .And it als o p r ovides a useful t ool f or disaster reducti on and e mergency res ponse,es pecially for the e mergency manage ment in urban areas .GI S based 3D real 2ti m e si m ulati on syste m is hel pful not only t o manage ment and analysis of disaster s patial data,but als o t o p r oviding reliable t ool f or disaster reducti on and e mergency manage ment .I n this paper,we als o outline the structure and data model of a 3D GI S 2based disaster analysis and res ponse syste m.And taking Beitai p ingzhuang ca mpus of Beijing Nor mal University as a case study,the urban e mergency manage ment p r ocess was si m ulated .The result shows that the 3D GI S 2based
e mergency res ponse syste m can p r ovide reliable t ool for the disaster reducti on and e mergency res ponse .
Keywords:disaster;e mergency syste m;GI S;3D visualizati on
灾害是影响人类发展和社会稳定主要因素之一，灾害事件会影响受灾区域人民的生产、生活，给当地带来严重的社会经济和政治后果。中国幅员辽阔，灾害频繁，灾害造成的直接经济损失有不断增长之势，如何有准备的面对灾害，最大限度的保障人民生命财产安全，减少灾害带来的损失，以最快的速度恢复生命线与
生产线的正常秩序，是摆在灾害管理工作者面前的一项重大课题[1]。随着经济建设的高速发展，城市化进
程加快，我国的城市数量、城市人口等都快速增加。高度密集的城市人口、城市建筑与城市交通，以及快速发展的城市经济，给城市本身也带来了诸多问题[2]
；使得公共安全、防灾减灾等问题成为城市管理的重点。
城市是社会经济文化发展的中心，人口高度集中和对外界的高度依赖性，使得城市应急管理工作显得尤为重要。近年来，各种各样的灾害和突发事件层出不穷，数量不断上升，影响也越来越大。如美国纽约发生的“9.11”事件、西班牙马德里“3.11”列车爆炸事件，英国伦敦“7.7”公交地铁爆炸事件等活动，以及东南亚和美国分别遭受海啸，地震和飓风等自然灾害袭击事件等等。世界各国都把预防和减轻自然灾害、维护社会公共安全提到了新的议事日程。如何高效利用有限的资源，有计划地进行一系列预防和应急救援，提高政府对紧急事件快速响应和抗风险的能力，并为市民提供更加快捷的紧急救助服务，成为摆在城市管理
者面前的一个亟待解决的重大问题[2]。
城市作为现代社会单元，其内部结构及其相互关系存在巨大的复杂性。从而使得城市应急管理需要考
虑动态的、多维的系统结构，以及与此相联系的复杂的信息结构。在这种情况下，合理利用现代信息技术，建立高效的城市应急技术和方法来辅助灾害管理显得尤为重要。其中GI S 技术凭借其强大的空间信息处理能力成为城市应急管理的有效手段和方法，受到国内外越来越多学者和城市安全管理者的关注。传统的方法是将现实世界的三维对象抽象表达为二维实体，必然丢失其固有的一些特性，导致了信息传输和分析的歧义与错误。与传统GI S 相比,3D GI S 能够管理可视化多维数据(数字高程模型，纹理，图像，符号，仿真结果等)，描绘真实的三维空间、立体交互关系，以及表现地形、建筑及其周边环境。同时应用3D GI S 能够有效仿真交通流和人在立体复杂城市环境中的行为和趋势，为城市应急管理提供了更好的多维空间信息。
本文旨在探讨利用3D GI S 技术建设城市应急管理系统的可行性。本文以北京师范大学北太平庄校区为例，通过对城市内部复杂结构的抽象，提取城市应急管理中最重要的因素和信息，建立城市三维环境和城市网络逻辑模型，进而利用模拟等手段建立起城市应急系统。同时，通过对以社区为单元的城市应急系统的建立来考察该系统在整个城市应急管理系统中应用的可行性。1 系统主要组成与结构
城市应急管理系统能够成功的和有效的运行取决于一系列复杂的因素，包括危机事件信息的获取能力、救援策略是否有效等多方面。而对于特定的灾害环境，在诸多因素中，最为重要的是在突发事件中快速而有效的应急反应。快速而有效的应急反应不仅需要提供危机事件环境的地理空间和灾害实时数据，而且需要对相关数据的分析和建模能力，从而提供更好的城市应急管理和规划。本文的主要目
的既是提供一个基于3D GI S 的城市快速应急反应工具系统。该系统的体系结构如图1所示。系统主要包括数据库、灾害事件、GI S 引擎、三维引擎和用户接口等模块。
1.1 数据库模块
数据库模块为系统模拟、分析、应急处置等提供基础数据。系统底层基础数据包括城市基础地理空间数据、城市建筑物结构数据、城市灾害数据以及其他与城市应急相应相关的数据。这些数据为系统的功能层提供了基础的数据支持。根据数据类型可划分为突发事件数据库、基础地理空间数据库、环境数据库、社会经济数据库等。
甘精胰岛素1.2 事件生成器模块
emax
事件生成器模块实现了城市突发事件的模拟和表示。对于应急系统而言，需要同时实现真实突发事件的处理和应对功能和对可能的突发事件的模拟功能。事件生成器模块一方面可以利用获取的真实突发事件信息和数据来显示事件造成的破坏和影响范围，另一方面可随机的生成城市突发事件，对事件的破坏力及影响范围进行模拟，以确定应急的方案和策略。通过对大量城市突发事件的模拟，可以为城市应急相应提供更
望京南湖中园小学・43・自 然 灾 害 学 报 17卷
唐山刘宝利
好的信息内容和决策支持。
1.3 G I S 引擎模块
城市应急响应需要在城市空间上实现的对受灾人口救援和应急转移,GI S 作为地理空间管理和分析工具，可为城市应急提供高效的信息分析处理、应急策略支持等功能。在本系统中，我们基于城市网络逻辑结构实现了城市GI S 模块。该模块基于GI S 的基本方法和技术为城市应急响应提供了城市基础信息查询显示、灾害事件影响范围划定、救援路径选择等功能。
1.4 三维引擎模块
三维模块主要提供城市三维可视化环境。本系统基于OpenG L 图形库结合城市网络逻辑模型，为城市应急响应提供更好的可视化效果，更便于在真实三维环境中的实现城市应急响应模拟和应急策略制定。
1.5 接口模块
接口模块主要是用户界面的设计和优化，为用户提供基于W indows 系统的易操作界面。主要注重界面的友好性和易操作性
。
图1 应急系统结构
Fig .1 Structure of e mergency system
2 基于网络结构的城市逻辑结构
对于城市应急管理来说，基于数据分析模拟提供决策支持能力是其最为重要的功能。在现代城市中，人类有限的知识结构和技术手段，以及城市系统的复杂性和无序性增加了对城市问题的分析和解决的难度。特别是在城市应急响应中，过多的考虑城市复杂的细节问题会极大地增加城市应急管理的复杂性。合理的方法是在保证城市系统基本结构的同时，通过适度抽象减少系统的复杂程度，突出城市中有关应急管理的重要因素，有利于更有效的完成城市应急管理和应急响应。本文系统中采用了网络结构来简化城市系统的复杂性，并在此网络结构的基础上实现上述系统的事件生成器模块和GI S 引擎模块。
事件生成器模块主要针对网络模型中的节点对象。事件生成器可模拟生成“事件节点”，事件节点代表了灾害或突发事件，并以节点属性方式显示灾害类型、灾害影响范围、灾害强度等信息。同时，一场灾害事件
・53・1期蒲 秋等：基于3D GI S 的城市灾害应急系统初步研究———以北师大北太平庄校区为例
可由多个“事件节点”构成以更好的模拟灾害事件。系统GI S 模块主要是通过空间三维网络结构来实现基本的GI S 以及灾害突发事件的分析、模拟算法，以此实现基于网络的灾害应急响应和管理功能。
2.1
城市网络结构
图2 基于网络的城市系统结构Fig .2 Net w ork 2based urban syste m structure
在本文系统中，我们建立了一个基
于简单网络的城市逻辑结构模型。将
现代复杂的城市空间结构表述为城市
交通系统和城市建筑物系统两部分，并
且可以表述为一个三维网络(如图2),
其中城市中的道路结构可抽象网络边,
而其他的因子如道路节点、城市建筑
物、突发事件等都可以抽象为节点。同
时、应急响应在更小的尺度上进行时,
建筑物内部结构可以做类似抽象。 在上述抽象的基础上，城市以及建筑物内部逻辑结构可用如下图(图3)数据结构表示。利用节点的NodeType 表示不同的类型的节点(道路节点、建筑、事件等),EdgeType 表示不同类型的边(道路、建筑内部连通等)。利用边和节点生成城市三维的网络结构。
上述的网络结构都在三维方向上生成，从而表达了城市的三维结构
。
图3 城市逻辑数据结构
Fig .3 U rban l ogic data structure
2.2 基于网络结构的应急路线算法
城市应急响应功能中最主要的是基于网络结构的城市应急路线选择算法。对城市应急路线的选择，可以抽象为已知救援节点(消防、医院等)到事故节点的最优路径选择问题。我们在系统应急算法库中采用了D ijkstra 算法。D ijkstra 算法是一个按路径长度递增次序产生最短路径的算法。算法可表述为:
(a )假设用带权的邻接矩阵N 表示带权有向图,N [i ][j]表示弧<v i ,v j >上的权值，若v i ,v j 不存在，则设置・63・自 然 灾 害 学 报 17卷
N [i][j]为无穷大。S 为已到从v 出发的最短路径的终点集合，它的初始状态为空集，那么从v 出发到图上其余各顶点(终点)v i 可能达到的最短路径长度的初值为
D [i ]=N [S (v i ,j )]
其中：每个分量D [i ]表示当前所到的从始点v 到每个终点v i 的最短路径长度。
(b )选择v j ，使得
D [j]=m in {D [i ]|v i ∈V -S }
其中v j 就是当前求得的一条从v 出发的最短路径的终点。
令
S =SU {(v j )}
其中S 为已求得最短路径的终点集合。
(c )修改从v 出发到集合V -S 上任一顶点v k 可达的最短路径长度
(d )重复操作(b ),(c )共n -1次"由此求得从v 到图上其余各顶点的最短路径是依路径长度递增的序列。
在运用D ijkstra 算法时考虑城市道路的条件和可通过性，并赋予不同的权重值，以此表达城市交通道路的通达程度。
同时，在城市灾害事件发生时，城市交通系统可能受到破坏。为应对此类情况，系统可以根据灾害的破坏情况改变城市网络系统状况，从而选取备用的应急路线方案。例如某一道路遭到破坏，系统可以
简单的从网络结构中删除该边，重新计算应急路线，也可以模拟可能的道路障碍，计算应急备选路线方案。3 城市应急模拟
本文在上述系统模型的基础上，选取了北师大北太平庄校区为模拟研究试验区(如图4)，对系统的可行性进行了分析。通过收集相关的数据和资料，建立起社区的逻辑网络结构和三维环境模型，包括135栋建筑物、42条道路组成的交通系统、以及区域内地理空间等基础数据
。
图4 三维环境中城市应急响应方案
Fig .4 E mergency res ponse sche me f or cities with 3D envir on ment
应急事件的模拟中，我们主要考察了系统对于应急路线的选取的可靠性和灵活性。首先我们选取了区域建筑物内部火灾事件，并且通过系统决定了事件的影响范围为该建筑物内部范围(如图)，应急模拟主要集中在消防应急路线的选取。由于区域内部无应急管理部门(消防、公安、医院等)，我们在系统模拟中选取了校门节点作为应急起始位置，并在区域路线上设置了路障(如图)。从图可以看出在应急路线实时模拟中，第一次路线选择由于路障而无法通过，系统通过在路障处运行第二次路线选择得到了如图中所示的实时
・73・1期蒲 秋等：基于3D GI S 的城市灾害应急系统初步研究———以北师大北太平庄校区为例
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