動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法

朱 慶, 丁雨淋,3 ,苗雙喜, 曹振宇

(1. 西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756; 3. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 999077; 4. 四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川 成都 610000)

動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法

朱 慶1,2, 丁雨淋1,2,3,苗雙喜1,2, 曹振宇4

(1. 西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756; 3. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 999077; 4. 四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川 成都 610000)

受全球極端氣候變化和人類活動(dòng)影響，復(fù)雜滑坡災(zāi)害時(shí)空演變過(guò)程復(fù)雜，其時(shí)空演變的高突變性、高隱蔽性、高動(dòng)態(tài)性,以及孕育環(huán)境的時(shí)空異質(zhì)性與不確定性等十分突出，復(fù)雜地形地質(zhì)條件下滑坡災(zāi)害模擬分析已經(jīng)成為世界性難題.為此,本文提出動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析框架，闡釋了滑坡災(zāi)害過(guò)程時(shí)空變化的顯式語(yǔ)義描述，任務(wù)驅(qū)動(dòng)的空天地一體化觀測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)劃與調(diào)度，計(jì)算與存儲(chǔ)融合的復(fù)雜滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組織與管理，變化驅(qū)動(dòng)的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入與自主加載，多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)在線智能處理，復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬模型參數(shù)智能率定等關(guān)鍵技術(shù)，為滑坡災(zāi)害鏈的全鏈條防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)理論支撐.

滑坡災(zāi)害；動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)GIS；空地一體化立體觀測(cè)；模擬分析

在極端天氣氣候事件頻發(fā)的背景下,復(fù)雜滑坡災(zāi)害引發(fā)的環(huán)境變化和造成的危害形勢(shì)日趨嚴(yán)峻[1-2],已成為影響重大基礎(chǔ)設(shè)施安全和城鎮(zhèn)化區(qū)域安全最重要的因素之一，因此，亟需提高對(duì)復(fù)雜滑坡災(zāi)害過(guò)程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警、災(zāi)情速報(bào)和應(yīng)急救援能力[3-4].

滑坡災(zāi)害是一種嚴(yán)重的斜坡巖土體失穩(wěn)現(xiàn)象,是指大塊巖(土)體由于強(qiáng)降雨、地震或人為因素影響及斜坡巖土體不穩(wěn)定,在重力作用下,沿著貫通剪切破壞面整塊地向前向下滑動(dòng)的現(xiàn)象.受極端氣象,以及復(fù)雜地形、地質(zhì)等下墊面時(shí)空異質(zhì)性因素影響,我國(guó)西部山區(qū)重大滑坡災(zāi)害時(shí)空演變過(guò)程復(fù)雜,高突變性、隱蔽性和不確定性特征極為突出[5-7],極大增加了其危害性和防范預(yù)警難度.如何提高滑坡災(zāi)害鏈模擬分析水平,提升預(yù)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性和精準(zhǔn)性已成為國(guó)際滑坡研究領(lǐng)域關(guān)注的前沿難點(diǎn)[8].

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滑坡模擬分析先后經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、非線性預(yù)報(bào),目前已進(jìn)入實(shí)時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)、數(shù)值模擬分析、綜合模擬分析的新階段[9-11].受傳統(tǒng)觀測(cè)能力的限制(由于缺乏針對(duì)災(zāi)害鏈的全生命周期監(jiān)測(cè)技術(shù)支撐),對(duì)復(fù)雜滑坡失穩(wěn)和災(zāi)害鏈機(jī)理的基礎(chǔ)研究仍不足,對(duì)滑坡坡體內(nèi)部三維機(jī)構(gòu)形態(tài)、內(nèi)部物理場(chǎng)(應(yīng)力、流體等)、內(nèi)部動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,極端氣象條件引發(fā)的暴雨型滑坡等災(zāi)害鏈成災(zāi)模式機(jī)理的認(rèn)知仍十分有限,難以建立有效的基于斜坡演化水文-巖土力學(xué)機(jī)理的物理預(yù)警方法[12].

已有的滑坡災(zāi)害模擬分析主要依靠對(duì)歷史滑坡災(zāi)害觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合外推預(yù)測(cè),是一種靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的半定量化模擬分析方法[13-14].這些方法旨在量化已發(fā)生滑坡過(guò)程中相關(guān)地理變量歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的時(shí)空相關(guān)關(guān)系(地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等因素與滑坡變形的關(guān)系).基于歷史觀測(cè)數(shù)據(jù),建立適用于全局的目標(biāo)變量與輔助變量之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型,利用輔助變量觀測(cè)值推測(cè)目標(biāo)變量在未知時(shí)刻和空間位置的特征值，即對(duì)已發(fā)生的滑坡與影響滑坡因素的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸,利用回歸模型對(duì)特定地點(diǎn)和時(shí)間可能發(fā)生的滑坡進(jìn)行模擬分析.

面對(duì)復(fù)雜條件下的滑坡災(zāi)害,其時(shí)效性和精準(zhǔn)性受到明顯局限.

(1) 由于滑坡災(zāi)害的形成條件、誘發(fā)因素以及發(fā)生機(jī)理等的復(fù)雜性和多樣性,各個(gè)滑坡體的變形演化規(guī)律具有極強(qiáng)的隨機(jī)性、不確定性和時(shí)空多階段演化特征,難以完全通過(guò)機(jī)理模型進(jìn)行確定性描述.在非穩(wěn)態(tài)氣象和復(fù)雜地形條件下,許多機(jī)制都可能導(dǎo)致滑坡變形演化過(guò)程的突變,這些過(guò)程多是臨界過(guò)程,當(dāng)超過(guò)某個(gè)特定點(diǎn),漸進(jìn)的氣象、地質(zhì)地形等環(huán)境變化可能激發(fā)滑坡過(guò)程非線性的響應(yīng),而且也無(wú)法準(zhǔn)確的確定閾值.

對(duì)于偏離“正?！钡耐话l(fā)性、隨機(jī)性、不確定性滑坡災(zāi)害過(guò)程相關(guān)現(xiàn)象,模擬模型并不能完全適用,往往僅能適用于某一類滑坡或某一演化階段的模擬預(yù)測(cè).因此,在滑坡災(zāi)害過(guò)程時(shí)空演化模式發(fā)生變化后,為保證模擬過(guò)程與災(zāi)害真實(shí)演變之間的時(shí)空一致性,滑坡災(zāi)害模擬分析模型需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,否則模擬將無(wú)法適應(yīng)滑坡災(zāi)害演變過(guò)程中時(shí)空轉(zhuǎn)換的高突發(fā)性、高動(dòng)態(tài)性,以及災(zāi)害孕育環(huán)境的時(shí)空變異性.

靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的半定量化模擬分析由于建立在穩(wěn)定環(huán)境和確定性模擬預(yù)測(cè)理論基礎(chǔ)上,理論假設(shè)模擬中的機(jī)理模型在預(yù)測(cè)區(qū)間是靜態(tài)恒定的,即模型形式和參數(shù)不會(huì)根據(jù)滑坡不同變形破壞階段的動(dòng)態(tài)性進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,其模擬結(jié)果的適宜性和可靠性較低.

(2) 驅(qū)動(dòng)模擬的數(shù)據(jù)涵蓋時(shí)空變化的信息量直接決定模擬模型參數(shù)率定的精準(zhǔn)性.若驅(qū)動(dòng)模擬的數(shù)據(jù)無(wú)法涵蓋和反映滑坡災(zāi)害鏈不同階段不同要素的時(shí)空演變特征,參數(shù)率定結(jié)果將毫無(wú)意義.然而,缺乏完備的滑坡災(zāi)害全要素持續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的支撐,無(wú)論是直接輸入的滑坡歷史形變監(jiān)測(cè)信息,還是根據(jù)歷史滑坡事件總結(jié)的滑坡宏觀變形破壞跡象和前兆異常特征信息,靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的半定量化模擬分析中的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)都是斜坡體在其發(fā)展演化過(guò)程中的外在表現(xiàn),未考慮斜坡變形破壞的物理本質(zhì)[15-16],驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)所涵蓋的滑坡災(zāi)害鏈時(shí)空演變信息量較為片面和滯后.加之模擬過(guò)程只能從數(shù)據(jù)層面而非時(shí)空變化信息量層面約束和指導(dǎo)模擬模型的率定過(guò)程,其隨機(jī)性、偏移性和盲目性難以避免,模擬結(jié)果的精準(zhǔn)性也就無(wú)法保證[17].

近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展,遙感、地球物理、水文地質(zhì)、地球化學(xué)、巖土工程、地貌學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域多手段聯(lián)合的天空地多傳感器立體綜合探測(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè),為滑坡災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理、滑坡潛在隱患早期識(shí)別、以及實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警等持續(xù)提供時(shí)空分辨率越來(lái)越高的滑坡災(zāi)害鏈全鏈條多因素的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)[18-20].

多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含著滑坡災(zāi)害過(guò)程演變的復(fù)雜時(shí)空變化信息,包括滑坡災(zāi)害孕育環(huán)境(地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土特性、坡體含水量、潛水位、坡體位移與應(yīng)力變化、孔隙水壓力等)、誘發(fā)因素(降雨)、滑坡形變過(guò)程表征(坡體的幾何形態(tài)變化、坡體運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間及空間的分布、內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)變化、流變學(xué)結(jié)構(gòu)變化)等.

作為滑坡災(zāi)害孕育環(huán)境、誘發(fā)因子以及演變過(guò)程全鏈條的表征,動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的時(shí)空變化特征特別是尺度、變化模式等基本因子與滑坡災(zāi)害鏈的時(shí)-空狀態(tài)變化及其演進(jìn)機(jī)理密切關(guān)聯(lián).發(fā)現(xiàn)和提取這些持續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏的滑坡災(zāi)害突發(fā)臨界條件、滑坡災(zāi)害態(tài)勢(shì)突變、滑坡災(zāi)害鏈全鏈條影響因子之間的時(shí)空相關(guān)關(guān)系等地理時(shí)空變化信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)雜變化特征與模式的形式化描述和深層語(yǔ)義理解,并以此約束模擬參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整,成為解決傳統(tǒng)模擬方法適應(yīng)性差和精準(zhǔn)性低等瓶頸問(wèn)題的有效途徑[21-24].

綜上所述,由于復(fù)雜滑坡失穩(wěn)和災(zāi)害鏈機(jī)理的基礎(chǔ)研究,以及對(duì)特大型地震滑坡、極端氣象條件造成暴雨型滑坡等災(zāi)害鏈成災(zāi)模式研究還很局限,復(fù)雜滑坡災(zāi)害時(shí)空過(guò)程的高突變、高時(shí)變、不確定等特點(diǎn)突出,傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的半定量化模擬分析已經(jīng)難以保持與滑坡災(zāi)害時(shí)空變化的一致性,模擬結(jié)果的時(shí)效性和精準(zhǔn)性較低.

為此,本文提出了天空地多源動(dòng)態(tài)立體觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬方法,旨在構(gòu)建多源異構(gòu)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬模型的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制.一方面以多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬分析過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,另一方面以模擬分析結(jié)果指導(dǎo)和優(yōu)化天空地觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效規(guī)劃.通過(guò)構(gòu)建觀測(cè)與模擬之間的動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制,提高模擬過(guò)程對(duì)滑坡災(zāi)害復(fù)雜時(shí)空轉(zhuǎn)換的適應(yīng)性,突破現(xiàn)有滑坡災(zāi)害模擬的瓶頸問(wèn)題,為提高滑坡災(zāi)害模擬評(píng)估結(jié)果的時(shí)效性和精準(zhǔn)性提供新的途徑.

2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滑坡災(zāi)害模擬原理

天空地多源動(dòng)態(tài)立體觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬分析的核心是要建立多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與滑坡模擬模型之間的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制,因此，需在動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與復(fù)雜時(shí)空過(guò)程動(dòng)態(tài)演變規(guī)律相互之間建立高層語(yǔ)義映射,并具備多源動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)接入、加載、時(shí)空關(guān)聯(lián)與融合計(jì)算能力.模擬模型的高效管理和智能率定能力,保證了模擬分析的時(shí)效性和精準(zhǔn)性.具體原理框架圖如圖1所示.

圖1方法以多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)中高質(zhì)量的時(shí)空變化為驅(qū)動(dòng)力:數(shù)據(jù)接入端,面向模擬任務(wù),實(shí)現(xiàn)天空地觀測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)劃與調(diào)度,時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)信息實(shí)時(shí)接入與主動(dòng)加載,在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)變化語(yǔ)義約束的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)在線清洗、語(yǔ)義感知的時(shí)空變化信息發(fā)現(xiàn)以及語(yǔ)義約束的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)信息時(shí)空關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的在線處理與深度分析,減低數(shù)據(jù)不確定性、冗余性對(duì)模擬評(píng)估結(jié)果的影響;模型端,通過(guò)變化語(yǔ)義約束的模擬參數(shù)智能率定,實(shí)現(xiàn)顧及時(shí)空變化特征的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整,提高模擬模型對(duì)滑坡孕育環(huán)境及復(fù)雜滑坡突變特征的適應(yīng)性.

圖1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析框架Fig.1 The framework of dynamic data driven precise simulation of complex landslide hazards

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決思路

3.1 滑坡災(zāi)害過(guò)程時(shí)空變化的顯式語(yǔ)義描述模型

如何定義、度量與判斷復(fù)雜滑坡災(zāi)害時(shí)空演變特征及其演變規(guī)律,準(zhǔn)確刻畫地理對(duì)象、時(shí)空過(guò)程和地理事件之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)關(guān)系,兼顧復(fù)雜地理過(guò)程的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律和時(shí)空數(shù)據(jù)的變化特征以及相互之間的高層語(yǔ)義映射,是實(shí)現(xiàn)多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與滑坡模擬模型動(dòng)態(tài)耦合需解決的基礎(chǔ)問(wèn)題.傳統(tǒng)用于抽象描述各種地理要素和地理過(guò)程的地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)時(shí)空數(shù)據(jù)模型大多以地理實(shí)體為核心，獨(dú)立地表達(dá)地理實(shí)體的空間和時(shí)態(tài)信息,如靜態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型主要是空間數(shù)據(jù)模型,強(qiáng)調(diào)實(shí)體的幾何特征,其存儲(chǔ)的都是靜態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)提供人們認(rèn)知實(shí)體的某個(gè)狀態(tài);時(shí)態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型通過(guò)在靜態(tài)數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上加入時(shí)態(tài)信息存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù),提供給人們認(rèn)知實(shí)體的多個(gè)狀態(tài),通過(guò)離散狀態(tài)之間的比較來(lái)判斷實(shí)體某個(gè)特征發(fā)生的改變.由于缺少對(duì)連續(xù)變化描述與存儲(chǔ)能力,未對(duì)變化機(jī)制顯式表達(dá),因此傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型在描述和表達(dá)地理要素和地理過(guò)程的時(shí)空演進(jìn)方面有很大局限性[25].

為了突破傳統(tǒng)時(shí)態(tài)GIS隱式表達(dá)變化的局限性,直接表達(dá)動(dòng)態(tài)變化并顯式描述變化機(jī)制,實(shí)現(xiàn)多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與復(fù)雜滑坡災(zāi)害時(shí)空演變特征的統(tǒng)一語(yǔ)義描述,作者提出了滑坡災(zāi)害過(guò)程時(shí)空變化的顯式語(yǔ)義描述模型[26],自下而上建立包括滑坡災(zāi)害鏈全過(guò)程變化要素、變化機(jī)制與變化語(yǔ)義在內(nèi)的概念層次,深入分析滑坡災(zāi)害鏈演化過(guò)程復(fù)雜動(dòng)態(tài)性在形成機(jī)理及其演變規(guī)律方面體現(xiàn)的共性特點(diǎn),將參與者、驅(qū)動(dòng)力和呈現(xiàn)模式等時(shí)空變化形成的關(guān)鍵性因素及其相互作用抽象為特征域、過(guò)程域與事件域以及三域之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)描述,建立完整的變化狀態(tài)輸入輸出鏈路,實(shí)現(xiàn)離散與連續(xù)變化的統(tǒng)一表達(dá),并在此基礎(chǔ)上，建立多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空變化特征與滑坡災(zāi)害時(shí)空演變過(guò)程中各種表征之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)關(guān)系.

3.2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的天空地一體化觀測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)劃與調(diào)度

大量實(shí)例監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,滑坡災(zāi)害中斜坡巖土體的變形演化一般要經(jīng)歷宏觀連續(xù)性無(wú)顯著變化的變形演化發(fā)展階段和整體性失穩(wěn)的破壞階段.對(duì)于滑坡災(zāi)害鏈時(shí)空演變的不同階段,滑坡災(zāi)害模擬對(duì)天空地傳感器觀測(cè)需求不盡相同.面向滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)模擬決策的應(yīng)急觀測(cè)任務(wù),與滑坡災(zāi)害演變態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)性、突發(fā)性、隨機(jī)性和不確定性共存,同樣具有多樣性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性特征,天空地多源傳感器資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度與觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和持續(xù)性等均面臨著更高的要求.如何根據(jù)滑坡災(zāi)害不同階段的演變態(tài)勢(shì)和特征,實(shí)現(xiàn)天空地多源傳感器資源的最優(yōu)化調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃,最大限度地發(fā)揮天空地一體化對(duì)地觀測(cè)資源的優(yōu)勢(shì),使觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠盡可能的涵蓋滑坡災(zāi)害鏈全過(guò)程的多種地理變量演變狀態(tài),是保證動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滑坡災(zāi)害模擬方法能夠正常開(kāi)展的前提與必要條件.現(xiàn)有的天空地各個(gè)傳感器相互獨(dú)立運(yùn)行,分散進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的工作模式已經(jīng)無(wú)法滿足突發(fā)性復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬決策要求.

針對(duì)上述問(wèn)題,提出任務(wù)驅(qū)動(dòng)的天空地一體化傳感器觀測(cè)資源應(yīng)急調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法,通過(guò)分析復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬決策相關(guān)的地球物理、水文地質(zhì)、地球化學(xué)、巖土工程、地形地貌等相關(guān)的航空、航天、地基遙感、地面測(cè)站等滑坡監(jiān)測(cè)傳感器資源的特性、主要約束條件以及滑坡災(zāi)害模擬決策的觀測(cè)數(shù)據(jù)需求與任務(wù)特點(diǎn),建立天空地傳感器資源的統(tǒng)一描述模型、顧及滑坡災(zāi)害時(shí)空演變態(tài)勢(shì)的觀測(cè)任務(wù)模型以及天空地一體化的資源優(yōu)化組合調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害演變態(tài)勢(shì)和觀測(cè)條件約束的觀測(cè)任務(wù)快速生成以及觀測(cè)任務(wù)與觀測(cè)資源的高效匹配、派送、反饋與優(yōu)化調(diào)整等.

3.3 變化驅(qū)動(dòng)的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入與自主加載機(jī)制

滑坡災(zāi)害天空地觀測(cè)數(shù)據(jù)多源異構(gòu),具有典型的時(shí)空大數(shù)據(jù)特征,如何從大規(guī)模、高動(dòng)態(tài)、多源異構(gòu)、時(shí)變信息豐富的天空地多傳感立體觀測(cè)數(shù)據(jù)資源中,實(shí)時(shí)接入與自主加載模擬模型需要的時(shí)空變化信息,以滿足滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)模擬需要,是保證滑坡災(zāi)害模擬結(jié)果時(shí)效性的關(guān)鍵.由于滑坡災(zāi)害具有突發(fā)、多變量、多時(shí)變等不確定性復(fù)雜特征,已有的以數(shù)據(jù)為中心的靜態(tài)加載方式,難以適應(yīng)和應(yīng)對(duì)復(fù)雜地理環(huán)境時(shí)變空變的不確定性和突變性,無(wú)法滿足滑坡災(zāi)害模擬評(píng)估過(guò)程實(shí)時(shí)(近實(shí)時(shí))、動(dòng)態(tài)多樣化的數(shù)據(jù)需求.

針對(duì)傳統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心的靜態(tài)加載方式時(shí)效性難以保證的局限,提出一種變化驅(qū)動(dòng)的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入與自主加載機(jī)制,面向滑坡災(zāi)害模擬模型的數(shù)據(jù)需求，建立面向主題的需求信息感知模型,通過(guò)詳細(xì)描述天空地傳感器信息各項(xiàng)元數(shù)據(jù)上的特征分布,建立多源傳感器信息與模擬模型數(shù)據(jù)需求特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,定量表達(dá)傳感器信息對(duì)模擬模型需求貼合程度的量變與質(zhì)變的過(guò)程,實(shí)現(xiàn)面向模擬主題的天空地多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入與自主加載.

3.4 多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)在線智能處理

如何對(duì)實(shí)時(shí)接入的傳感器動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理與深入分析,降低數(shù)據(jù)不確定性、發(fā)現(xiàn)與理解觀測(cè)數(shù)據(jù)中時(shí)空變化特征及其本質(zhì)語(yǔ)義信息,是指導(dǎo)后續(xù)模擬參數(shù)自適應(yīng)率定、提高模擬結(jié)果對(duì)實(shí)時(shí)感知的外界環(huán)境變化適應(yīng)性的關(guān)鍵.天空地滑坡災(zāi)害鏈全鏈條動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)多以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的形式動(dòng)態(tài)、快速地產(chǎn)生和演變,實(shí)時(shí)接入的傳感器動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)在線處理和深度分析,才能更好地發(fā)揮多源數(shù)據(jù)的綜合利用效能.傳統(tǒng)先存儲(chǔ)再處理的數(shù)據(jù)處理方式導(dǎo)致的信息時(shí)延問(wèn)題突出,已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)突發(fā)性滑坡災(zāi)害模擬應(yīng)急任務(wù)的動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性需求,嚴(yán)重制約了動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)應(yīng)用效能.傳感器動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的在線處理和綜合分析已經(jīng)成為實(shí)時(shí)模擬的巨大挑戰(zhàn)[27].滑坡災(zāi)害傳感器動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)具有持續(xù)性、復(fù)雜時(shí)變空變等特點(diǎn),采用時(shí)域或頻域的動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)流變化模式提取、數(shù)據(jù)清洗方法,多是基于穩(wěn)定環(huán)境假設(shè)以及靜態(tài)模型理論,需對(duì)不斷到達(dá)的數(shù)據(jù)流新元素反復(fù)建模,模型適應(yīng)性差、參數(shù)難以根據(jù)新到達(dá)的數(shù)據(jù)流元素進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,主要適用于平穩(wěn)、即變化模式規(guī)律統(tǒng)一的觀測(cè)數(shù)據(jù)流,不適用模式多變、突發(fā)環(huán)境變化等情況下，觀測(cè)數(shù)據(jù)流中的變化模式提取和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,且存在對(duì)異常點(diǎn)及噪聲點(diǎn)敏感的問(wèn)題,已經(jīng)無(wú)法有效分析和預(yù)測(cè)傳感器動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在的規(guī)律及其蘊(yùn)含的真實(shí)價(jià)值[28-29].

針對(duì)上述問(wèn)題,提出時(shí)空變化語(yǔ)義約束的傳感器多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)在線清洗方法、語(yǔ)義感知的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空變化特征發(fā)現(xiàn)方法以及知識(shí)引導(dǎo)的多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空關(guān)聯(lián)方法,融合滑坡過(guò)程的機(jī)理模型與知識(shí)規(guī)則,定量和定性描述滑坡災(zāi)害演化過(guò)程的時(shí)空變化特征,并以此約束動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的在線清洗、變化發(fā)現(xiàn)以及時(shí)空關(guān)聯(lián).

3.5 復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬模型參數(shù)智能率定方法

提高模擬模型參數(shù)對(duì)滑坡孕育環(huán)境的時(shí)空異質(zhì)性、復(fù)雜滑坡過(guò)程時(shí)空演變特征的適應(yīng)性,是滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)化模擬分析的基本目標(biāo).由于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于模型參數(shù)率定的影響突出,觀測(cè)數(shù)據(jù)中所包含的各種時(shí)空變化特征是決定模型參數(shù)率定精準(zhǔn)度的關(guān)鍵.傳統(tǒng)基于目標(biāo)函數(shù)的啟發(fā)式率定方法,由于無(wú)法完整獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)所表征的復(fù)雜滑坡災(zāi)害鏈不同階段時(shí)空演變過(guò)程的物理規(guī)律,只能通過(guò)參數(shù)最基礎(chǔ)的物理意義以及地質(zhì)特性粗略的給定參數(shù)可行空間,導(dǎo)致“異參同效”現(xiàn)象明顯，計(jì)算復(fù)雜度和計(jì)算量大,模型最優(yōu)參數(shù)值的選擇仍有很大的不確定性,盲目隨機(jī)游動(dòng)性問(wèn)題突出.

為此,提出一種顧及多源觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空變化信息量的模型參數(shù)智能優(yōu)選方法,通過(guò)定量評(píng)價(jià)率定觀測(cè)數(shù)據(jù)樣本的時(shí)空變化量系數(shù),在此基礎(chǔ)上將多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的時(shí)空變化特征通過(guò)語(yǔ)義匹配和關(guān)聯(lián)分析,聚合能反映滑坡時(shí)空演化規(guī)律的變化信息集合,并以此約束參數(shù)搜索.

3.6 計(jì)算與存儲(chǔ)融合的復(fù)雜滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組織與管理

為了滿足模擬分析過(guò)程中模擬參數(shù)的智能率定和多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)在線處理操作中全局性的時(shí)空關(guān)聯(lián)分析、高性能時(shí)空查詢檢索和實(shí)時(shí)處理的時(shí)效性需求,如何高效管理實(shí)時(shí)接入的天空地傳感器多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù),并支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在線融入滑坡模擬過(guò)程計(jì)算與分析模型中,實(shí)現(xiàn)計(jì)算與存儲(chǔ)的融合,是保證模擬分析結(jié)果實(shí)效性的關(guān)鍵[30-31].

針對(duì)天空地傳感器多源動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)接入的實(shí)時(shí)性、模擬計(jì)算的動(dòng)態(tài)性、存儲(chǔ)量大等特點(diǎn),提出一種計(jì)算與存儲(chǔ)融合的復(fù)雜滑坡災(zāi)害實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組織與管理模式，即針對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的效率差異,以及內(nèi)外存數(shù)據(jù)組織的結(jié)構(gòu)和粒度差異,提出內(nèi)外存協(xié)同的語(yǔ)義索引方法,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的最優(yōu)查詢檢索.分析滑坡災(zāi)害時(shí)空變化的顯式語(yǔ)義描述三域模型中每個(gè)域的元數(shù)據(jù)語(yǔ)義特征,通過(guò)語(yǔ)義感知的自適應(yīng)分級(jí)聚集,時(shí)空語(yǔ)義一體化的混合索引,支持單一時(shí)空類型檢索及多因素聯(lián)合檢索,實(shí)現(xiàn)內(nèi)容和時(shí)空語(yǔ)義關(guān)聯(lián)的快速檢索,為全局性的時(shí)空關(guān)聯(lián)分析與協(xié)同計(jì)算奠定基礎(chǔ).通過(guò)變化語(yǔ)義約束的內(nèi)外存動(dòng)態(tài)更新耦合,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外存協(xié)同索引的實(shí)時(shí)更新與一致性維護(hù).

4 展 望

針對(duì)復(fù)雜條件下滑坡災(zāi)害模擬評(píng)估的時(shí)效性和精準(zhǔn)性需求,本文提出天空地協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模擬分析方法,突破了傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的半定量化模擬分析方法的技術(shù)瓶頸.后續(xù)將針對(duì)復(fù)雜地形地質(zhì)環(huán)境中重大工程，如川藏鐵路,選擇典型的高速遠(yuǎn)程滑坡進(jìn)行示范應(yīng)用研究,并進(jìn)一步發(fā)展針對(duì)災(zāi)害鏈和多災(zāi)種的精細(xì)化綜合模擬評(píng)估方法.

隨著傳感網(wǎng)技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)在滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中的普及應(yīng)用,動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與機(jī)理模型的深度融合,分布式地理協(xié)同輔助的滑坡災(zāi)害鏈實(shí)時(shí)模擬已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相努力發(fā)展的方向,這為事先發(fā)現(xiàn)和識(shí)別災(zāi)害隱患，實(shí)施科學(xué)的監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng),變“被動(dòng)”為“主動(dòng)”提供了強(qiáng)有力的支撐.

致謝:空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué))開(kāi)放基金資助; 感謝西南交通大學(xué)程謙恭教授和肖世國(guó)教授提出的寶貴建議與意見(jiàn).

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朱慶(1966—),博士,2013年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘教授,博士生導(dǎo)師.主要研究為攝影測(cè)量、地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境.承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃和973計(jì)劃等各類項(xiàng)目30余項(xiàng).獲得國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)，獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和省部級(jí)一等獎(jiǎng)共8項(xiàng).教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授,新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選.先后兼任國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)第十三、十四屆地球科學(xué)部評(píng)審組成員，四川省測(cè)繪學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng).

E-mail: zhuq66@263.net

丁雨淋(1986—),女,博士,2015年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副教授,研究方向?yàn)樘摂M地理環(huán)境、地理信息系統(tǒng)、攝影測(cè)量.

E-mail: rainforests@126.com

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Precise Simulation Method for Dynamic Data Driven Landslide Hazards

ZHUQing1,2,DINGYulin1,2,3,MIAOShuangxi1,2,CAOZhenyu4

(1. State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology of High-Speed Rail Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 3. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hongkong, Hongkong 999077, China; 4. Sichuan Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Chengdu 610000, China)

As the consequences of climate changes and human activities, precise modeling of landslide hazards in complicated topographical and geological environments has become a serious problem in the world. The cruxes of simulation of the landslides lie in the high mutability and dynamism of the spatial-temporal evolution, and the heterogeneity and uncertainty of the disaster-pregnant environment. To solve this problem, this paper proposes a novel dynamic data driven approach for the precise simulation of landslide hazards. After introducing the theoretical framework with graphic illustration, several core technologies are explained, including the explicit semantic description of landslide spatio-temporal changes, task-driven planning and scheduling of space-air-ground observational data, real-time geo-processing database engine linking calculations and storage, change driven dynamic observations injection, online multisource observational data intelligent geo-processing, and intelligent model parameter calibration. The proposed method is expected to provide a strong scientific theoretical support for the whole disaster prevention and reduction process in dealing with major landslide disasters.

landslide hazards; dynamic observation data; real-time GIS; space-ground integrated observation; modeling analysis

2015-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471320,41501421); 國(guó)家高分專項(xiàng)(民用部分)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(03-Y30B06-9001-13/15); 四川省測(cè)繪地理信息局科技支撐項(xiàng)目(J2013CX04)

朱慶,丁雨淋,苗雙喜,等. 動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 396-403.

0258-2724(2016)02-0396-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.019

P333

A