环境科学学报
ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
1999年 第19卷 第5期 Vol.19 No.5 1999



GIS/ES技术在突发性环境污染事故应急管理中的应用探讨*
许　健　吕永龙　王桂莲
摘要　探讨了GIS/ES技术应用于突发性环境污染事故应急管理的可行性及途径，指出利用GIS/ES技术建立的事故应急管理系统能有效地对突发性环境污染事故进行智能化管理和应急响应.
关键词　突发性环境污染事故；GIS/ES技术；应急管理.
Application of GIS/ES in evironmental emergency management
XU Jian,LU Yonglong,WANG Gulian (Sino-Canadian High-Tech Center of Resources and Environment, Research center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Science, Beijing 100085)
Abstract　Approaches for environmental emergency management are presented using GIS/ES (geographic information system/expert system technologies), based on the environmental emergency requirements for environmental management. It is pointed out that the integrative application of GIS/ES provides an effective tool for the intelligent emergency response and management.
Keywords　environment; emergency,GIS/ES, emergency planing, emergency management.
　　近年来，随着经济的迅速发展和人口的不断增加，我国环境污染问题日益严重，突发性环境污染事故时有发生［1］，如深圳市化学危险品库燃烧大爆炸；长江运载两吨多砒霜的货轮沉没；贵州装载剧毒农药的车辆翻车造成的农药泄漏；广州登峰加油站汽油外泄造成东濠涌爆炸等.这类事故发生突然，破坏性大，直接关系到人民生命安全，关系到国家财产损失，也往往使人民赖以生存的生态环境遭到严重破坏.这是经济发展中一个不可忽视的问题，已引起了我国各级环境管理部门的高度重视.
　　做好突发性环境污染事故的预防、监测、应急处理处置及善后工作，建立运行有效、行动快速的事故应急管理系统是最大限度减少损失的关键［2］.目前，我国已有不少学者对突发性环境污染事的预防、应急决策［3—6］、应急监测与处理处置［6］等方面进行了研究，并已建立了一些事故应急管理系统［7—8］.但是，已建立的这些系统大多是针对突发性环境污染事故应急管理的某一方面的问题，大多数情况下并不能充分满足事故应急管理的要求；而且，由于技术所限，在紧急情况下这些系统往往不能为环境管理者提供快速有效的辅助决策.为此，本文拟探讨GIS/ES技术应用于建立突发性环境污染事故应急管理系统的优越性及途径，这对建立实用的事故应急响应与管理系统，提高突发性环境污染事故的应急管理水平及拓宽GIS与ES的应用领域具有重要意义.
1　GIS/ES技术
1.1　GIS/ES技术
　　地理信息系统(GIS)是以空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息所建起来的，为多种决策提供服务的计算机技术系统.GIS经过30多年的发展已逐渐走向成熟，并在许多领域得到了广泛的应用，但其应用主要还停留在建立数据库，数据库查询，空间叠加分析，缓冲区分析和成果输出显示上，还无法为多目标、多层次的空间复杂问题，如城市规划与管理、土地规划和生产力布局等提供足够的决策支持.这是因为作为空间数据分析和处理工具，GIS缺乏知识处理和进行启发式推理的能力，而这些问题的解决不仅涉及到大量图形计算和处理，更涉及到经验和知识的表示和处理，单靠GIS无法解决这些问题.
　　专家系统(ES)是一种以知识为基础，能对某一专门领域的问题提供“专家级”解决办法的计算机程序.它面向现实世界中那些需要专家来分析、求解的半结构化或非结构化的复杂问题，强调利用专家的专门知识和推理方法来实现专家水平上的问题求解［9］.利用ES，可确保一切有关的信息都能得到考虑，并使少数专家的知识更容易为决策者所利用.另外，专家系统的评价过程是透明的，大量的和各种各样的初始信息可以用始终如一的方式处理.但是ES也存在一些根本缺陷：ES只能处理半结构化或非结构化的问题而不能处理结构化的问题，它的数学计算能力不强，更不具备处理空间信息的能力；此外，ES的推理速度较慢.
　　鉴于GIS与ES各有优势，两者具有一定的互补性，它们的集成将有助于扬长避短，从而增强整体功能.GIS/ES技术正是GIS技术与ES技术相集成的产物.实际上，它是ES技术在GIS中的一种应用.智能型GIS，基于知识GIS，地理专家系统皆属于这一范畴［10］.ES在GIS中的应用，包括地图设计、影象特征提取、智能数据库管理和地理决策分析等，它对于GIS有两个重要作用：其一为GIS提供智能界面，即按动能需要，设计有效的操作程序，以驱动GIS进行空间分析；其二进行启发式推理，这也是专家系统的主要功能［11］.
1.2　GIS与ES集成系统的实现
　　集成系统的体系结构影响到系统的集成度和运行效率.目前，GIS与ES的集成所采用的体系结构主要有两种形式：嵌入结构和对称结构［12］.
　　由于对称结构相对于嵌入结构方法简单、易于开发，选用对称结构的集成方法比较有利.目前，GIS与ES的集成大多采用这种结构，如黄波等设计的ZOMAN系统［11］及赵士彭等设计的泥石流危险度评价系统［13］.本文也拟采用这种对称结构，在这种对称结构的集成系统中，GIS与ES保持相对独立完整，两者有一共同的用户界面，并通过公共接口模块完成特定的功能：GIS被用来产生空间数据库并作为空间分析和显示的工具，而专家系统则被用来产生面向应用领域的知识库，并用其推理机进行启发式推理；同时，ES也可用来产生命令文件，以驱动GIS的操作.
2　GIS/ES技术应用于突发性环境污染事故应急管理的优越性
2.1　突发性环境污染事故应急管理的基本考虑
　　突发性环境污染事故应急管理是指预测突发性环境污染事故的发生、发展，当突发性环境污染事故刚刚发生或出现某些征兆时，在极短的时间内收集、处理有关的信息，模拟其影响范围与历时，实时监测各种指标的变化，快速应急决策进行处理、处置和灾后恢复，最大限度地减轻突发性环境污染事故造成的不良影响的全过程.根据突发性环境污染事故的特性，突发性环境污染事故的应急管理应满足以下要求.
2.1.1　对潜在事故发生源的管理　对有毒、有害化学品生产企业，化学品库、油库、煤气管道等易引发突发性环境污染事故的场所安装相应的监测和预警装置；对有毒、有害化学品运输，工业废水、废渣处理，放射性源管理等应建立严格的防范措施.与此同时，应建立各类有毒、有害、易燃、易爆物质的化学特性数据库，污染物质可能污染环境的模型库和燃烧与爆炸模型库.此外，应加强突发性事故特性及实例的研究，总结以往各种事故发生和处理情况，以便建立各种事故预防、监测、处理、处置、灾后恢复的知识库.
2.1.2　实时监测和预警　由于突发性环境污染事故发生的突然性和危害的严重性，所以必须建立突发性环境污染事故的实时监测和预警系统，以便在某些指标刚刚接近警戒线时预报可能出现的危机，并实时监测各种指标的时空变化趋势，为突发性事故管理决策提供信息.
2.1.3　快速应急响应　根据预警系统提供的信息，由于情况紧急，环境管理者必须在极短的时间内处理有关信息，明确事故类型和应急目标，拟定各种可行的方案，并经分析评价后选择一个满意的方案，组织实施和跟踪监测，直至突发性事故最终得以控制或消除为止.在突发性环境污染事故的应急响应过程中，应急决策处于核心地位，这是因为决策的正确与否，是行动成败的关键.
2.1.4　灾后恢复　面对突发性环境污染事故，不仅要进行事故的预防、预警和应急响应，还要在污染事故发生并造成灾难后，评价事故造成的损失，总结经验教训，提供索赔与赔偿方案，并给出有效的灾后恢复方法，以使突发性事故造成的危害减少至最小，同时使受到损害的环境系统基本功能得到恢复和改善.
2.2　GIS/ES技术应用于突发性环境污染事故应急管理的优越性
　　将GIS/ES技术应用于究发性环境污染事故的应急管理，不仅能充分发挥GIS技术与ES技术各自所长，很好满足事故应急应急管理的要求，提高突发性环境污染事故应急管理的科学性、合理性及智能化程度，而且两者的集成将有助于弥补彼此缺陷，从而大大扩展了各自的应用范围.GIS/ES技术应用于突发性环境污染事故应急管理的优越性具体体现如下：(1)在GIS与ES的集成系统中，GIS不仅可利用其强大的空间信息管理功能，建立各类有毒、有害、易燃、易爆物质的理化特性数据库，有关自然、经济、社会、生态环境数据库和图形库及模型库，而且可在ES命令文件驱动下对空间数据进行有效的管理、分析和计算并将空间数据以直观、形象的图形化方式输出或显示出来，从而使环境管理者迅速了解和掌握各类突发事故的多发地带、发生频率、潜在事故发生源的时空分布、事故发生后污染物的影响范围及时空变化，更好地实现事故的预防、应急处置和灾后恢复.(2)由于突发性环境污染事故涉及的因素极其复杂，而且事故一旦发生后.环境系统内外部因素处于难以控制的迅速变化之中，并且通常趋于恶化，所以突发性环境污染事故的应急管理问题是结构不良或非结构化的，很难用一定的模型进行定理分析.在GIS与ES的集成系统中，ES可建立各类知识库并利用其完备的启发式推理机制进行辅助决策，不仅能使问题的考虑更加全面和细致，而且可在极短的时间内迅速反应，作出最佳应急决策和行动路线，从而避免了管理者在危机关头束手无策，仓促作出决定.
3　GIS/ES技术应用于突发性环境污染事故应急管理的初步实践
　　作者参与了中加合作项目“化学危险品实时监则与应急响应系统”的研究与开发工作.应用GIS/ES技术进行突发性化学危险品事故应急管理是该项目的重要组成部分.下面就环境管理与应急响应系统的研究和开发情况，介绍GIS/ES技术应用于突发性化学危险品污染事故的应急管理的初步实践.
3.1　系统的体系结构
　　图1所示为系统的体系结构，该系统由事故预测子系统、实时监测子系统、灾时应急子系统、灾后恢复子系统、数据库、模型库、知识库、地理信息系统、专家系统及用户管理界面等部分组成.
3.2　系统主要功能
3.2.1　自动实时报警　实时监测与预警子系统选用与开发多种传感器对化学危险品的浓度、环境温度、气体挥发、烟雾、光等进行实时自动监测，并集成多种传感器，进行多参数的数据采集.自动报警系统还可判定事故的发生，并指出事故发生的地点及时间，自动向有关部门发生突发事故警报，将事故发生的地点标在地图上，以便环境管理者迅速采取防范措施，减少损失.
3.2.2　动态模拟显示　GIS在ES命令文件的驱动下，可调用模型库中的模型以模拟典型污染物在街区的扩散，典型爆炸物爆炸后可能涉及的范围及历时，突发性事故向大气释放易燃物质引起的大火所产生的火球辐射影响范围等，并通过模式计算给出居民应疏散区域及安全区域，为紧急情况下治安人员疏散人群提供定量依据.

图1　化学危险品实时监测与应急响应系统体系结构
Fig.1 Structure of real-time monitor and emergent response system for dangerous chemicials
3.2.3　事故应急处理处置　利用危险识别、风险评价及灾时应急对策等知识库中的专家知识及实时监测和预警系统的报告，专家系统可通过其推理机制分析评价有关化学危险品的风险大小，确定与事故实际区域有关的效应，对要采取的应急处理措施进行优化选择和评价，并产生命令文件驱动GIS进行相关的空间分析.系统还可根据历年发生的各类事故的资料，给出有关事故发生的概率，提出事故处理人员和设备安排，并可根据实际的交通情况，给出最佳行动路线.
3.2.4　事故灾后评价　系统能根据事故发生的情况及当地自然、经济、社会和资源，利用ES进行分析推理，评价事故对现在、未来的生态环境造成的污染损害程度、经济损失，并根据有关环境法规提出恰当的索赔与赔偿方案及灾后恢复方法.
3.2.5　系统其它功能　系统还应动态演示有关事故处理设备的性能、使用方法及介绍国际国内典型事故案例和处理方法.
4　结语
　　突发性环境污染事故是威胁人类健康、破坏生态环境，严重制约生态平衡及经济、社会的持续发展的重要因素.本文探讨了GIS/ES技术应用于建立突发性环境污染事故应急管理系统的可行性及途径、初步研究表明，突发性环境污事故应急管理是否有效，关键在于事故发生前的研究与准备工作以及事故发生时应急管理人员的快速反应能力.将GIS与ES相集成的GIS/ES技术应用于突发性环境污染事故应急管理是一条有效途径，此技术不仅具有空间数据处理和分析能力，也具有知识表示和利用知识进行启发式推理的能力，从而有助于解决GIS无法解决的一些定性化问题，这将对突发性环境污染事故应急管理的科学性、合理性及智能化程度作出贡献，从而大大提高应急管理人员对突发性事故的快速反应能力.
* 本文为中加合作项目“环境管理与应急响应系统”的研究成果，并受到国家自然科学基金资助(项目号：79670090)
作者单位：中科院生态环境研究中心，中加资源环境高技术中心，北京　100085
参考文献
1　程声通等.环境灾害的理论体系初探.资源、发展与环境保护——第三届海峡两岸环境保护学术研讨会论文集.北京：环境科学出版社.1995.790—796
2　万本太.突发性环境污染事故应急监测与处理处置技术.北京：中国环境科学出版社.1996.5
3　胡德福.化学突发事故风险评估的研究于应用.北京：科学出版社.1995
4　袁　辉.重大突发事件及其应急决策研究.安全，1996，17(2)：1—4
5　王　琪.突发性环境污染事故及其防治对策.环境保护，1997，(6)：8—9
6　刘砚华等.突发性环境污染事故应急监测.中国环境监测，1995，11(5)：59—62
7　黄玉凯.城市环境风险应急系统的规划设计.环境求索，1992，9(1)：26—28
8　殷　佩，任福安.海上溢油反应专家系统.交通环保，1996，17(2)：14—17
9　吴信东.专家系统设计.合肥：中国科学技术大学出版社.1990
10　Robinson V B, Frank A U. Expert system applied to problems in GISs introdution. review & prospeects. Computers, Enviroment, and Urburn System,1987,11(9):61—173
11　黄　波，王英杰.GIS与ES的结合及其应用初探.环境遥感，1996，11(3)：234—239
12　张　梨.GIS系统集成的理论与实践.地理学报，1996，51(4)：306—313
13　赵士鹏等.泥石流危险度评价的GIS与专家系统集成方法.环境遥感，1996，51(4)：212—218
1998-02-11收到原稿
1998-09-24收到修改稿
