地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)研究與應用

陳張建，張 磊，黃 樺，湯天強

(1.浙江省測繪科學技術(shù)研究院，浙江杭州 310012;2.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，浙江杭州 310012)

0 引言

我國是世界上受地質(zhì)災害影響較為嚴重的國家之一，近年來，通過地質(zhì)災害氣象風險預報(警)、地質(zhì)災害調(diào)查和群測群防相結(jié)合，我國地質(zhì)災害氣象風險預報(警)在地質(zhì)災害防治工作中的作用日益凸顯。四川、浙江、福建、廣東、云南等各地逐步建立了適合各自特點的預報(警)模式、工作流程及相關(guān)信息發(fā)布體系。在地質(zhì)災害氣象風險預報(警)的技術(shù)研究領(lǐng)域，國內(nèi)也相繼建立了一批定性和定量分析的地質(zhì)災害氣象風險預報(警)系統(tǒng)，但由于受到技術(shù)和條件的限制，地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布形式簡單，主要以預報圖片靜態(tài)發(fā)布為主，難以實現(xiàn)預報成果無極縮放、漫游，對地質(zhì)災害可能發(fā)生的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、自然村難以做到有效預報(警)，造成預報(警)信息精度的損失。隨著WebGIS技術(shù)的興起，其分布式、大眾化的特征使其具有傳統(tǒng)預報發(fā)布方式無法比擬的優(yōu)點，殷坤龍等［1］、張桂榮等［2］、楊佳等［3］、唐小明等［4］、李偉等［5］率先在國內(nèi)開展了基于WebGIS的地質(zhì)災害預報(警)發(fā)布，但由于受基礎(chǔ)地理信息服務方式、現(xiàn)勢性、保密性等技術(shù)和政策限制，系統(tǒng)僅在部門內(nèi)部應用，難以實現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息及時更新和預警信息共享，這些不足嚴重限制了地質(zhì)災害氣象風險預報(警)信息的及時、高效、準確地傳遞。目前隨著數(shù)字城市地理空間框架建設的廣泛應用，使借助地理空間框架在基礎(chǔ)地理信息共享、更新等方面的優(yōu)勢［6-8］，結(jié)合地質(zhì)災害氣象風險預報(警)模型和方法，建立地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)成為可能。

本文重點對地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布的技術(shù)方法進行研究，在分析地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布流程的基礎(chǔ)上，基于SOA的架構(gòu)理念，給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合數(shù)字城市地理空間框架、ArcGIS GeoProcessing、ArcGIS Server、AJAX、時態(tài)數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，分析了系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，最后基于上述技術(shù)和方法，構(gòu)建了浙江省地質(zhì)災害氣象風險預報(警)發(fā)布系統(tǒng)。

1 預報(警)產(chǎn)品發(fā)布流程

地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品是指根據(jù)一定的預報(警)判據(jù)和模型，結(jié)合預報降雨數(shù)據(jù)以及前期降雨數(shù)據(jù)，判定未來降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的空間范圍和危險性程度，并將其結(jié)果以預報(警)圖、文字說明的方式或者矢量數(shù)據(jù)格式進行表達［9］。

圖1是以預報(警)模型輸出的成果作為系統(tǒng)輸入，建立面向服務的預報(警)產(chǎn)品發(fā)布流程，詳細步驟如下:

(1)將異構(gòu)格式的預報(警)產(chǎn)品規(guī)范化處理，轉(zhuǎn)換成規(guī)范的矢量數(shù)據(jù)格式。

(2)通過系統(tǒng)管理端上傳、更新用于發(fā)布的預報(警)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。

(3)通過ArcGIS Server發(fā)布預報(警)專題圖服務，并注冊到預報(警)產(chǎn)品目錄。

(4)瀏覽、預覽預報(警)產(chǎn)品目錄和發(fā)布產(chǎn)品。

(5)經(jīng)審核無誤后正式發(fā)布，否則返回流程起點。

圖1 預報(警)產(chǎn)品發(fā)布流程Fig.1 Distribution flow for forecast products

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

SOA是一種組件模型，它通過稱為服務之間定義完善的接口和契約來聯(lián)系應用程序中的不同服務。遵照SOA的體系架構(gòu)，依托數(shù)字城市地理空間框架，建立以服務為核心的4層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、GIS服務層、Web服務層和客戶層，總體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 總體結(jié)構(gòu)Fig.2 General structure

其中，數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，包括境界、水系、注記等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù)庫、預報(警)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫等;GIS服務層通過在線服務系統(tǒng)和ArcGIS Server服務器管理、發(fā)布、聚合WMTS、WMS、REST等多種類型、多種功能的地理信息服務;Web服務層實現(xiàn)基于標準協(xié)議的預報(警)產(chǎn)品目錄、產(chǎn)品數(shù)據(jù)上傳、更新、刪除等服務請求的接收、分發(fā)及處理;客戶層可以通過Internet瀏覽器連接到Web服務器上，通過AJAX引擎、地圖引擎API、Javascript、HTML和CSS數(shù)據(jù)實現(xiàn)跨瀏覽器的服務聚合與應用。

系統(tǒng)中將預警專題動態(tài)制圖服務等工作放在后臺按需生成。當客戶端需要疊加某時刻的預警專題數(shù)據(jù)時，Web服務層將請求轉(zhuǎn)發(fā)至GIS服務層，由ArcGIS Server服務器實時生成。

2.2 預報(警)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫設計

預報(警)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫采用具有時空數(shù)據(jù)管理特征的SQL Server原生空間數(shù)據(jù)存儲模式來統(tǒng)一管理，庫內(nèi)存儲預報(警)產(chǎn)品目錄數(shù)據(jù)表、預警矢量數(shù)據(jù)表和空間索引。產(chǎn)品目錄數(shù)據(jù)表中存儲預報時刻、預報詞和預報(警)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。預警矢量數(shù)據(jù)表存儲不同預警時刻的氣象風險導致突發(fā)性地質(zhì)災害發(fā)生的風險單元圖斑，表中設置“PREDATE”日期字段，精確到整點時段，用于標識不同預警時間，“RANK”屬性字段存儲預警等級，用于專題符號渲染，“GEOMETRY”屬性字段存儲風險單元圖斑。

3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)涉及地理信息公共服務平臺在線服務集成、基于GeoProcessing的數(shù)據(jù)規(guī)范化處理、基于WKT的預警矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更新、預警專題圖服務發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 地理信息公共服務平臺在線服務集成

地理信息公共服務平臺是數(shù)字城市地理空間框架建設的核心，支持把多尺度、多分辨率、多種類型的地理信息數(shù)據(jù)集成，轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗉壡颐考墧?shù)量為2n的金字塔瓦片，按照一定規(guī)范通過在線服務系統(tǒng)把GIS的功能和數(shù)據(jù)以服務的方式發(fā)布出來［7］，可以跨平臺、跨網(wǎng)絡、跨語言地被多種客戶端調(diào)用，并具備服務聚合能力以集成來自其他服務器發(fā)布的GIS服務，從而更容易地快速構(gòu)建專題業(yè)務系統(tǒng)。

采用地理信息公共服務平臺在線服務能夠在保證信息安全的前提下，實現(xiàn)廣域網(wǎng)環(huán)境中異構(gòu)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫環(huán)境下的信息集成，建立境界、水系等基礎(chǔ)地理信息和預警信息互通的管道，可達到重復利用和信息流暢的目的，以解決信息共享的問題。

3.2 基于GeoProcessing的數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

GeoProcessing框架是ArcGIS技術(shù)體系的一個重要組成部分，它主要包括三個部分 ArcToolbox、ModelBuilder和二次開發(fā)。ArcToolbox是空間數(shù)據(jù)處理工具的集合，主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理、FME互操作工具套件等十八大類工具集。ModelBuild提供了一個圖形化的建模環(huán)境，通過類似工作流圖定義的方式，將數(shù)據(jù)對象和ArcToolbox中數(shù)據(jù)處理工具按需組裝，形成復雜的業(yè)務處理模型。

圖3是預報(警)數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換模型，矩形表示空間數(shù)據(jù)處理工具(Tool)，如:①Feature Class To Feature Class是將MapGIS格式的預警數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS的SHP數(shù)據(jù);②Define Projection是將SHP數(shù)據(jù)坐標系設置成CGCS2000或者WGS84坐標系，經(jīng)投影轉(zhuǎn)換工具(Project)和幾何要素修復工具(Repair Geometry)生成目標坐標系和符合拓撲關(guān)系規(guī)范的數(shù)據(jù);③Add Field添加預警級別字段，通過字段值計算工具(Calculate Field)給要素的預警級別屬性賦值;④Add YuDate Field添加預報時間字段，通過字段值計算工具(Calculate YuDate Field)給要素的預報時間屬性賦值(如‘2013082118’)，最后模型自動輸出符合規(guī)范的預警矢量數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換模型Fig.3 Transformation Model for data products

圖中包含以字母“P”標識的3個橢圓形表示的模型參數(shù):預警數(shù)據(jù)，坐標系，預警時間。模型參數(shù)和模型存儲在產(chǎn)品轉(zhuǎn)化模型數(shù)據(jù)庫中，可根據(jù)用戶需求進行參數(shù)修改或模型定制，以滿足不同規(guī)范的預報(警)產(chǎn)品生成的要求。

3.3 基于WKT的預警矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更新

WKT(Well-known text)是OGC標準中比較重要的標準之一，它用于表示矢量幾何對象、空間參照系統(tǒng)及空間參照系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換?；赪KT實現(xiàn)預警面圖斑 SHP數(shù)據(jù)向 SQL Server數(shù)據(jù)庫原生GEOMETRY類型對象的轉(zhuǎn)換，像使用T-SQL一樣對預警矢量數(shù)據(jù)表進行批量添加、刪除和更新操作。

3.4 預警專題圖服務發(fā)布

根據(jù)中國氣象局應急減災與公共服務司、國土資源部地質(zhì)環(huán)境司《關(guān)于調(diào)整地質(zhì)災害氣象預報預警業(yè)務的函》(氣減函［2013］39號)的要求，預報(警)結(jié)果以氣象因素導致突發(fā)性地質(zhì)災害發(fā)生的風險等級表示，預報(警)劃分為四個級別，分別用藍色、黃色、橙色和紅色表示。等級劃分如下表1。

表1 預警等級Table 1 Warning level

ArcGIS技術(shù)體系中通過ArcMap配置較為復雜的專題圖服務，其制作專題圖流程如下:①添加QueryLayer圖層，設置預報(警)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)，選擇預警矢量數(shù)據(jù)表，設置SQL過濾條件，生成預警要素類;②預警要素類中“RANK”字段存儲預警級別，參照預警等級表示顏色采用唯一值(Unique values)符號化設置進行渲染，保存生成MXD文件。通過ArcCatalog將MXD文件發(fā)布到ArcGIS Server中，生成ArcGIS REST風格的時間序列預警專題圖服務。

4 應用案例

基于上述理論及技術(shù)方法，構(gòu)建了浙江省地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)。系統(tǒng)通過數(shù)字浙江地理空間框架的核心，“天地圖·浙江”在線服務系統(tǒng)獲取實時更新的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務、地圖引擎等二次開發(fā)接口，在富客戶端聚合預報(警)產(chǎn)品目錄、產(chǎn)品數(shù)據(jù)上傳、更新、刪除等Web服務和預警專題圖層服務。GIS Server平臺選擇ArcGIS Server 10.0平臺，Web服務器選擇ⅡS 7，時空數(shù)據(jù)庫選擇SQL Server 2008，富客戶端AJAX引擎選擇Extjs4.1。系統(tǒng)部署于阿里云Window Server 2008服務器上，通過互聯(lián)網(wǎng)為預警預報值班人員提供產(chǎn)品發(fā)布服務，為政府各部門、企事業(yè)單位、公眾提供預警服務。

當汛期或符合預報工作啟動條件時，預警預報值班人員每天16:30前通過預報(警)模型進行一次全省未來24h突發(fā)性地質(zhì)災害發(fā)生氣象風險等級趨勢預報，生成預報空間尺度(單元)為1km×1km的MAPGIS格式的預報(警)成果［10］。運行系統(tǒng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化服務，驅(qū)動浙江省地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換模型生成規(guī)范化的產(chǎn)品。訪問系統(tǒng)管理端，上傳、更新規(guī)范化的預報(警)產(chǎn)品到產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)后臺更新ArcGIS Server預報(警)專題圖服務，注冊到預報(警)發(fā)布產(chǎn)品目錄。經(jīng)瀏覽、查看、審核產(chǎn)品目錄和發(fā)布產(chǎn)品無誤后，于每天17:00正式對外發(fā)布，系統(tǒng)運行界面如圖4所示。

圖4 典型應用案例Fig.4 Typical application case

圖4為系統(tǒng)對外發(fā)布的預警專題圖層與境界、水系、地名地址等基礎(chǔ)地理信息圖層疊加分析圖，精確展示可能誘發(fā)地質(zhì)災害的行政區(qū)及周邊水系。

圖5 預警產(chǎn)品時序列圖Fig.5 Time series map for forecast product

在持續(xù)性強降水時段，當雨量站實測降水量6h累計大于50mm或各地氣象部門發(fā)布暴雨橙色以上預警信息時，根據(jù)實時降雨數(shù)據(jù)開展突發(fā)性地質(zhì)災害氣象風險預警。一般每1～3h進行一次，當區(qū)域?qū)崟r預警等級有高于前一次預報、預警等級時，預警預報值班人員通過系統(tǒng)管理端更新發(fā)布實時等級預警信息。圖5為臺風“菲特”登陸浙江期間及時發(fā)布的不同時段的實時預警產(chǎn)品，為臺風汛期地質(zhì)災害防災減災工作指明方向。

5 結(jié)論

通過典型應用案例的構(gòu)建和實際運用表明，結(jié)合數(shù)字城市地理空間框架建設成果和ArcGIS技術(shù)體系的地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)能及時、高效地發(fā)布地質(zhì)災害氣象風險預報(警)圖，能夠方便、直觀、精準的展現(xiàn)預警地區(qū)，使得政府有關(guān)部門、各單位及公眾在第一時間能夠獲取最新的預警信息，大大提高了地質(zhì)災害氣象風險預報(警)產(chǎn)品的發(fā)布精度、發(fā)布時效和覆蓋面，具有重要的現(xiàn)實意義。該研究方法具有良好的縱向擴展性，研究成果可為市縣級更高預報空間尺度的發(fā)布系統(tǒng)建設提供借鑒。

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［10］浙江省國土資源廳，浙江省氣象局.關(guān)于做好全省地質(zhì)災害氣象風險預報(警)工作的通知［Z］.Department of Land and Resources of Zhejiang Province，Meteorological Bureau of Zhejiang Province.Notification about meteorological risk forecast and early warning for geological hazards over the Province［Z］.