新一代技術(shù)體系下地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)估面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

閆 東

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

1 我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害研究情況

近年來(lái)大型地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]，防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻。“十一五”以來(lái)，我國(guó)加強(qiáng)了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測(cè)預(yù)警、防治體系和應(yīng)急體系的建設(shè)，地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究取得了明顯進(jìn)展，已經(jīng)建立了較完善的地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系[2]。

1.1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警是提升主動(dòng)應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害能力的重要手段。傳統(tǒng)以刷漆、貼片、埋釘?shù)葹橹鞯谋O(jiān)測(cè)預(yù)警方法其自動(dòng)化程度低，過(guò)于簡(jiǎn)陋，雖然能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供有效依據(jù)，但不能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，未達(dá)到理想防治效果[3]。

近幾年隨著自動(dòng)化、現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)之中。目前已能夠在地質(zhì)信息系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位等最新發(fā)展的技術(shù)手段，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)由傳感器實(shí)時(shí)地將災(zāi)害前兆信息，進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并完成自動(dòng)化采集獲取，數(shù)宇化傳送，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)并為其使用做準(zhǔn)備[4]。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估和致災(zāi)因子識(shí)別

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估是指計(jì)算確定區(qū)域內(nèi)一定時(shí)期地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度及可能性,一直是國(guó)際上倡導(dǎo)和推廣的減災(zāi)防災(zāi)有效途徑之一。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的方法大致包括4類[5]：①基于專家經(jīng)驗(yàn)的賦權(quán)值方法②基于統(tǒng)計(jì)分析的方法，又叫數(shù)據(jù)驅(qū)型③基于數(shù)據(jù)挖掘的方法④基于力學(xué)模型的確定性方法。

總體上，現(xiàn)有的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)或傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)估模型方法在不同地質(zhì)背景上解決了一定問(wèn)題，但由于受限于先前模型方法本身的線性特征，以及模型訓(xùn)練時(shí)間較難滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的實(shí)際要求，目前地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估模型方法選擇與設(shè)計(jì)依然是該學(xué)科的研究難點(diǎn)和重點(diǎn)。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受多種指標(biāo)因素的影響，致災(zāi)因子分析及通常所指的指標(biāo)體系建立受災(zāi)害的孕災(zāi)背景、誘發(fā)機(jī)制和體積規(guī)模等因素影響[6]，具有明顯的地域性。目前研究主要集中在致災(zāi)因子的定性分析和定量化處理兩個(gè)方面，致災(zāi)因子的定性分析各類文獻(xiàn)成果中較為詳細(xì)的是環(huán)境因素和觸發(fā)因素的分類。

2 新一代信息技術(shù)發(fā)展研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等研究不斷深入，這些技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用逐漸增加，呈現(xiàn)出多樣化。因此，在地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理、預(yù)警判據(jù)研究的基礎(chǔ)上，可以充分利用新一代信息技術(shù)在數(shù)據(jù)快速采集、傳輸、處理、分析上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)分析地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀,結(jié)合大數(shù)據(jù)特征,對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代地質(zhì)災(zāi)害防治進(jìn)行探討,可能為我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)估及防治帶來(lái)新的突破口[7]。

2.1 大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得大數(shù)據(jù)技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理方法，大數(shù)據(jù)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)和前景[8]。地質(zhì)資料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累、種類、數(shù)量不斷增長(zhǎng)，包括各類電子文件，結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，以及文檔、圖件、數(shù)據(jù)庫(kù)、表格、視頻等[9]。大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息獲取更加方便，因此，將大數(shù)據(jù)與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估、防治等相結(jié)合，利用大數(shù)據(jù)的思維來(lái)引領(lǐng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估的新發(fā)展，就顯得十分有必要性。

近年來(lái)，作為計(jì)算機(jī)延展科學(xué)的人工智能發(fā)展迅速，并以其為代表的前沿科技，正以超乎尋常的速度進(jìn)入災(zāi)害預(yù)測(cè)、災(zāi)害處置、災(zāi)害救援等領(lǐng)域[10]。目前，發(fā)展比較迅的有地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.此種類型模型很好地利用人工智能技術(shù)，以計(jì)算機(jī)軟件的形式將專家知識(shí)自身解決問(wèn)題的功能和大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知、獲取、分析處理資料信息的特殊方式和功能，特別是存儲(chǔ)記憶和聯(lián)想功能，程序化的表達(dá)出來(lái)，來(lái)建立以人工智能的符號(hào)系統(tǒng)和信息處理為基礎(chǔ)的人腦機(jī)理的新模型，這將是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)研究的重要發(fā)展方向[11]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)

美國(guó)麻省理工學(xué)院在1999年最早提的出物聯(lián)網(wǎng)概念，其作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，主要體現(xiàn)在地質(zhì)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，且近年來(lái)在國(guó)外已成為研究熱點(diǎn)。2012 年中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院對(duì)重慶和云南的部分滑坡點(diǎn)的監(jiān)測(cè)中應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究成果；2013年寧夏自治區(qū)固原市的應(yīng)急指揮系統(tǒng)中，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行了相關(guān)傳感網(wǎng)關(guān)及智能傳感節(jié)點(diǎn)的配置，完成了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能獲取和傳輸。

云計(jì)算是對(duì)網(wǎng)格計(jì)算和并行、分布式處理的升級(jí)延伸發(fā)展，其可以利用一系列計(jì)算資源共享池執(zhí)行計(jì)算，在大量分布式計(jì)算機(jī)上完成，來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的集中分布和充分共享。目前我國(guó)的云計(jì)算服務(wù)市場(chǎng)雖處于起步階段，但云計(jì)算技術(shù)與設(shè)備已經(jīng)具有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局主持研發(fā)的“地質(zhì)云”是云計(jì)算與云平臺(tái)技術(shù)在我國(guó)地質(zhì)領(lǐng)域一次重大的應(yīng)用實(shí)踐與突破，實(shí)現(xiàn)了地調(diào)局29家局屬單位數(shù)據(jù)產(chǎn)品、160多個(gè)國(guó)家級(jí)核心地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的高效共享。

3 新技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)估帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

新一代信息技術(shù)體系下，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)的提升及監(jiān)測(cè)工具和采集、存儲(chǔ)方式的升級(jí)，使得原本類型復(fù)雜、組成多源、表述模糊的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。面對(duì)海量的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，怎樣利用大數(shù)據(jù)勢(shì)頭下的思維和技術(shù)，讓地災(zāi)數(shù)據(jù)充分發(fā)揮其潛在價(jià)值，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的信息化支撐及決策支持，已經(jīng)是當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)處理面臨的迫切問(wèn)題。

（1）地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)估所涉及的海量靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，已經(jīng)屬于典型的時(shí)空大數(shù)據(jù)，因此研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下滑坡致災(zāi)因子的識(shí)別與提取，已成為了目前滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估需要迫切解決的問(wèn)題之一。

（2）在云計(jì)算方面，大數(shù)據(jù)背景下云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用讓人們對(duì)于海量地學(xué)信息集成、低效分析處理等地災(zāi)數(shù)據(jù)面臨的棘手問(wèn)題有了一個(gè)更優(yōu)的選擇項(xiàng)。其虛擬化技術(shù)和分布式架構(gòu)可以普通服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)高效快速的運(yùn)算，進(jìn)而降低了對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件的要求。

（3）在人工智能方面，深度學(xué)習(xí)的特征和優(yōu)勢(shì)，為大數(shù)據(jù)提供了很好的分析和處理手段，同時(shí)也因大數(shù)據(jù)海量樣本的提供，促進(jìn)了自身的發(fā)展。利用大數(shù)據(jù)方面的研究成果，基于地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空大數(shù)據(jù)的海量樣本，依托深度學(xué)習(xí)機(jī)制框架，通過(guò)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜、非線性成因機(jī)制的高精度擬合，建立起理論體系更為完善且與地質(zhì)災(zāi)害工程實(shí)際更貼近的危險(xiǎn)性評(píng)估預(yù)測(cè)模型，已成為新一代信息技術(shù)體系下，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防的重要研究方向之一。

（4）拓寬預(yù)警信息的發(fā)布渠道和方式，提高信息的實(shí)效性，及時(shí)快速精準(zhǔn)高效地進(jìn)行預(yù)警信息傳達(dá)。除了通過(guò)廣播、電視、手機(jī)短信等傳統(tǒng)的手段，還可以利用具有實(shí)時(shí)、快速、大范圍、爆炸式等特點(diǎn)的新型自媒體等方式進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布、組織撤離即而實(shí)現(xiàn)成功避災(zāi)。