安徽省旱情監(jiān)測預(yù)警綜合平臺研究與建設(shè)

楊曉靜 ，孫洪泉 ，蘇志誠 ，張澤天

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3. 安徽省機(jī)電排灌總站，安徽 合肥 230000）

0 引言

氣候變化背景下，干旱發(fā)生頻率及旱災(zāi)損失程度呈顯著增強(qiáng)的趨勢[1-2]。安徽省是我國重要糧食生產(chǎn)區(qū)之一，2015 年以來全省糧食產(chǎn)量占全國比例穩(wěn)定在 6.0% 左右。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》（2010—2019 年）數(shù)據(jù)，近 10 a 安徽全省平均因旱受災(zāi)面積達(dá) 45.54 萬 hm2，其中 2013 年因旱受災(zāi)面積高達(dá) 116.50 萬 hm2（占當(dāng)年糧食作物播種面積的16.54%）[3]。與其他類型氣象災(zāi)害相比，干旱具有潛伏性、可解除性、持續(xù)時間長及影響范圍廣的特點，因此建立健全長效旱情監(jiān)測機(jī)制對保障區(qū)域糧食安全具有十分重要的作用。

旱情監(jiān)測預(yù)警是新形勢下防汛抗旱方面的主要職責(zé)之一，旱情監(jiān)測預(yù)警綜合平臺建設(shè)是準(zhǔn)確掌握和發(fā)布旱情的有力手段，是落實抗旱減災(zāi)“兩個堅持、三個轉(zhuǎn)變”的重要舉措，是補(bǔ)齊旱情監(jiān)測預(yù)警信息化短板的具體行動[4-6]。安徽省已有的干旱方面的研究主要集中在氣象干旱監(jiān)測[7]、遙感旱情監(jiān)測分析[8-10]、干旱指數(shù)應(yīng)用對比分析[11]，其中時間尺度上主要針對歷史干旱特征進(jìn)行分析研究，而專門針對防旱抗旱工作業(yè)務(wù)化需求的旱情監(jiān)測預(yù)警綜合平臺方面的研究較少。對安徽省旱情監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)而言，省級抗旱信息化建設(shè)主要是通過雨水墑情進(jìn)行旱情分析的，與新形勢下的“哪里旱、有多旱、旱多久、怎么辦”的旱災(zāi)防御新需求仍存在一定差距。特別在對區(qū)域精準(zhǔn)化旱情分析、受旱面積評估及展示等方面已不能滿足推進(jìn)信息化抗旱管理的新需求，亟需完善現(xiàn)有監(jiān)測體系和旱情評估系統(tǒng)，提升旱情監(jiān)測預(yù)警水平。

因此，本研究旨在減少業(yè)務(wù)過程中對旱情空間分布范圍“摸不清、抓不實、難落地”的情況，開發(fā)過程中以安徽省旱災(zāi)防御業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，著力提升旱情監(jiān)測準(zhǔn)確性并完成安徽省旱情監(jiān)測預(yù)警綜合平臺（以下簡稱綜合平臺）的開發(fā)及應(yīng)用。

1 綜合平臺設(shè)計

1.1 綜合平臺定位

綜合平臺緊密圍繞著防旱抗旱工作中“哪里旱？有多旱？旱多久？怎么辦？”4 個方面的重點業(yè)務(wù)問題，總體目標(biāo)為實現(xiàn)安徽全省旱情發(fā)展形勢的全面監(jiān)測，促進(jìn)旱災(zāi)防御工作方式向更加智能、科學(xué)、高效的方式轉(zhuǎn)變，提高全省防旱抗旱能力，提升防旱抗旱信息化水平。建設(shè)過程中融合多源大數(shù)據(jù)和人工智能計算優(yōu)勢，最終自動生成全省逐日旱情綜合監(jiān)測圖。水旱災(zāi)害防御部門能夠基于旱情綜合監(jiān)測一張圖及時掌握旱情發(fā)展變化情況，實現(xiàn)實時旱情監(jiān)測、預(yù)警及防御指揮。

1.2 綜合平臺架構(gòu)

綜合平臺采用成熟的 SOA 架構(gòu)，針對平臺系統(tǒng)內(nèi)部功能組件特點同時集成 B/S 和 C/S 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。綜合平臺架構(gòu)劃分為 3 個層次和 2 個體系，具體架構(gòu)如圖 1 所示。

3 個層次和 2 個體系具體分析如下：

1）數(shù)據(jù)信息層。數(shù)據(jù)信息層是系統(tǒng)信息匯集和數(shù)據(jù)存儲與管理的基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)收集整理、匯集，建設(shè)旱情綜合數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)訪問、存儲等各項數(shù)據(jù)的管理服務(wù)。對業(yè)務(wù)、實時監(jiān)測、空間、遙感、專題等數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫，給上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

圖 1 綜合平臺總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)信息層通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問和服務(wù)等接口進(jìn)行綜合管理，包括事務(wù)、數(shù)據(jù)源等管理，其中事務(wù)管理包括數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換、加載。在數(shù)據(jù)信息層建立統(tǒng)一的服務(wù)接口，針對基礎(chǔ)地理、干旱指標(biāo)專題、元數(shù)據(jù)和空間等數(shù)據(jù)提供服務(wù)接口，保證數(shù)據(jù)安全性的同時，增強(qiáng)數(shù)據(jù)面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活性，方便數(shù)據(jù)之間的組合和邏輯封裝。

2）應(yīng)用服務(wù)支撐層。應(yīng)用服務(wù)支撐層提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運行環(huán)境，為綜合平臺建設(shè)提供通用的應(yīng)用和集成服務(wù)。為資源整合和信息共享提供運行環(huán)境，應(yīng)用服務(wù)層主要包括基礎(chǔ)工具、氣象干旱、水文干旱、墑情、遙感干旱等監(jiān)測產(chǎn)品服務(wù)，以及旱情綜合監(jiān)測評估產(chǎn)品服務(wù)。

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。為最終用戶提供系統(tǒng)化的 Web服務(wù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是系統(tǒng)應(yīng)用的核心體現(xiàn)，開發(fā)的綜合平臺實現(xiàn)了動態(tài)旱情監(jiān)測、旱情分析及統(tǒng)計，為防旱、抗旱、減災(zāi)科學(xué)決策提供有力支撐。

4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是用于支撐綜合平臺建設(shè)和運行的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)應(yīng)用協(xié)同、系統(tǒng)擴(kuò)展和信息共享的需要，同時有利于節(jié)省項目建設(shè)成本，提高項目建設(shè)效率的需要，兼顧系統(tǒng)不斷擴(kuò)充、持續(xù)改進(jìn)和版本升級的需要。

5）安全保障體系。安全保障體系是保障系統(tǒng)安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括訪問、服務(wù)、應(yīng)用、流程、平臺、數(shù)據(jù)、存儲、主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及運行等方面的安全。

1.3 綜合平臺關(guān)鍵技術(shù)

綜合平臺的實現(xiàn)基于前端數(shù)據(jù)集成與處理，結(jié)合抗旱業(yè)務(wù)特征的旱情綜合監(jiān)測模型程序、監(jiān)測結(jié)果可視化及產(chǎn)品服務(wù)，主要包括以下 3 個方面的關(guān)鍵技術(shù)：

1）分布式數(shù)據(jù)同步和處理技術(shù)。綜合平臺采用分布式數(shù)據(jù)同步和處理技術(shù)，具有時效性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、拓展性廣的優(yōu)勢，其中需要同步和處理的數(shù)據(jù)包括地理信息、氣象、水文、土壤墑情、遙感、旱情監(jiān)測統(tǒng)計、旱災(zāi)統(tǒng)計等數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)在同步方式上包括數(shù)據(jù)庫直連、接口提供、結(jié)構(gòu)類文件管理等技術(shù)方式，其中對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字典、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息、業(yè)務(wù)指標(biāo)、代碼、數(shù)據(jù)加工過程等綜合信息，實現(xiàn)多采集程序并發(fā)執(zhí)行同步任務(wù)，分布式進(jìn)行信息處理。

2）基于下墊面的旱情綜合監(jiān)測技術(shù)。綜合平臺的核心是在安徽省水利廳旱災(zāi)防御業(yè)務(wù)需求下提供旱情一張圖。綜合平臺中旱情一張圖生成依托于自主研發(fā)的基于下墊面的旱情綜合監(jiān)測技術(shù)生成。該技術(shù)利用氣象、水文、墑情、遙感等多源數(shù)據(jù)，超過 13 個指標(biāo)，結(jié)合土地利用、土壤類型、作物分布、灌溉情況等下墊面信息，實現(xiàn)灌溉和非灌溉農(nóng)業(yè)、林地、草地、生態(tài)濕地等旱情的綜合評估。結(jié)合安徽省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征，分別針對典型的農(nóng)作物（水稻、冬小麥、玉米）開發(fā)了具有區(qū)域特色的分布式農(nóng)業(yè)旱情綜合監(jiān)測評估模型?；谙聣|面的旱情綜合監(jiān)測技術(shù)采用網(wǎng)格化的分布式處理技術(shù)，利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在綜合平臺中逐日滾動生成最小評估單元為 1 km×1 km 網(wǎng)格大小的旱情評估結(jié)果。

3）面向多部門的數(shù)據(jù)共享服務(wù)技術(shù)。在安徽省水利一張圖的整體架構(gòu)下，集成全省水利數(shù)據(jù)共享平臺優(yōu)勢。綜合平臺提供多類別多時間尺度的旱情監(jiān)測產(chǎn)品服務(wù)，特色產(chǎn)品服務(wù)包括氣象、水文、農(nóng)業(yè)、遙感等分類旱情監(jiān)測圖，以及旱情綜合監(jiān)測評估圖等系統(tǒng)化的監(jiān)測結(jié)果。綜合平臺服務(wù)對象具有多元化特點，技術(shù)上實現(xiàn)精準(zhǔn)化面向定向人群提供監(jiān)測產(chǎn)品服務(wù)。服務(wù)形式多樣，提供 API 接口服務(wù)、動態(tài)推送、個性化定制等服務(wù)方式。數(shù)據(jù)共享服務(wù)技術(shù)可為旱災(zāi)防御業(yè)務(wù)提供有力支撐，同時可為多部門、跨行業(yè)、面向公眾和企業(yè)提供個性化數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

1.4 綜合平臺主要特點

綜合平臺的主要特點如下：

1）融合多源數(shù)據(jù)。利用氣象、水文、農(nóng)業(yè)、遙感等多源旱情監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用、土壤類型、作物分布、灌溉情況等各種與旱情相關(guān)的下墊面信息，進(jìn)行全面、深入的旱情評估，盡可能地反映和刻畫真實旱情。

2）集成多類技術(shù)方法，技術(shù)體系成熟。充分利用統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)、人工智能、遙感與地理信息系統(tǒng)、自動測算與控制等多項先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、融合、分析評估的智能化數(shù)據(jù)分析過程，形成一套規(guī)范化的旱情綜合監(jiān)測評估技術(shù)體系。

3）旱情綜合監(jiān)測產(chǎn)品集類別豐富。在旱情綜合監(jiān)測圖生成過程中同時生成氣象、水文、農(nóng)業(yè)、遙感等多類別指標(biāo)的干旱監(jiān)測產(chǎn)品，提供系統(tǒng)化監(jiān)測結(jié)果及產(chǎn)品服務(wù)。最終形成的旱情綜合監(jiān)測產(chǎn)品可客觀反映“哪里旱？有多旱？旱多久？怎么辦？”等抗旱決策中的核心問題。

2 功能模塊

綜合平臺從旱災(zāi)防御業(yè)務(wù)需求出發(fā)，注重提供真實、智慧、高效的旱情信息，以旱情監(jiān)測信息化驅(qū)動水利信息化。綜合平臺的服務(wù)對象是旱災(zāi)防御工作決策指揮人員，核心功能模塊包括旱情綜合監(jiān)測、對比、演變、統(tǒng)計等模塊。

2.1 旱情綜合監(jiān)測

旱情綜合監(jiān)測功能模塊中融入基于下墊面條件的旱情綜合監(jiān)測評估技術(shù)，集成針對安徽省主糧作物構(gòu)建的分布式農(nóng)業(yè)旱情綜合監(jiān)測評估模型。實現(xiàn)了 1 個平臺 3 級（省、市、縣）共用，在展示形式上，能夠直觀反映區(qū)域“哪里旱？有多旱？”，基于GIS 地圖進(jìn)行綜合旱情監(jiān)測評估成果展示與查詢。系統(tǒng)主界面默認(rèn)顯示當(dāng)日全省旱情綜合監(jiān)測圖、統(tǒng)計表格等，其中旱情綜合監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果以縣為最小單位?？梢园从脩粜枨筮x擇日期、區(qū)域進(jìn)行旱情綜合監(jiān)測結(jié)果查詢，主界面上展現(xiàn)不同旱情等級空間分布圖、過去近 1 個月該地區(qū)受旱面積變化過程曲線。

2.2 旱情對比

旱情對比功能模塊旨在提供旱情形勢的對比分析手段，解決業(yè)務(wù)工作中急需掌握的“有多旱？旱多久？”等問題，更客觀地反映當(dāng)前旱情發(fā)展形勢。展現(xiàn)形式上，旱情對比功能模塊提供 2 個不同時期或旱情監(jiān)測評估產(chǎn)品的對比功能，用戶可以將當(dāng)前旱情形勢與歷史同期進(jìn)行比較，也可以與特定一段日期進(jìn)行比較。在展現(xiàn)形式上，可將任意 2 個不同時期的旱情綜合監(jiān)測一張圖平鋪顯示，同時以表格的形式顯示相應(yīng)的統(tǒng)計信息。系統(tǒng)默認(rèn)顯示當(dāng)前的與前一周的旱情綜合監(jiān)測評估結(jié)果，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求通過時間選擇窗口控制界面顯示內(nèi)容。集成到旱情對比模塊的指標(biāo)有 5 類共計 13 個，各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品均覆蓋安徽全省。

2.3 旱情演變

旱情演變功能模塊開發(fā)目標(biāo)重點針對業(yè)務(wù)需求“旱多久？”，同時為決策過程中“怎么辦？”提供歷史同期易旱高風(fēng)險地區(qū)預(yù)警、當(dāng)前旱情嚴(yán)重地區(qū)標(biāo)識及未來可能持續(xù)干旱的高風(fēng)險地區(qū)識別，在展現(xiàn)形式上，提供指定時段內(nèi)的旱情綜合評估圖的動態(tài)演示功能，用戶可以選擇要演示的動畫時段（如4，12，24 周，1 a 等），通過動態(tài)變化圖直觀查看旱情的發(fā)生發(fā)展情況。用戶也可以通過拖動時間軸的方式改變演示的起止時間，同時可以結(jié)合業(yè)務(wù)分析需求自動導(dǎo)出全省旱情綜合監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.4 旱情統(tǒng)計

旱情統(tǒng)計功能模塊作為抗旱決策指揮工作中解決“怎么辦？”問題的有力支撐工具，可為抗旱統(tǒng)計上報、應(yīng)急響應(yīng)及決策指揮提供有力的數(shù)據(jù)支撐?？商峁└黝悢?shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、導(dǎo)出功能，為抗旱應(yīng)急響應(yīng)及決策支撐的數(shù)據(jù)集包括氣象、水文、墑情、遙感、旱情綜合監(jiān)測的實時和歷史及對比數(shù)據(jù)。綜合平臺界面默認(rèn)顯示全省旱情綜合監(jiān)測統(tǒng)計圖及各地市不同旱情等級動態(tài)變化過程。

3 綜合平臺應(yīng)用

3.1 應(yīng)用示范

2019 年安徽省遭受了特大干旱，為驗證綜合平臺的準(zhǔn)確性，利用綜合平臺對 2019 年全年旱情進(jìn)行全過程實時動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明全省 2019 年上半年出現(xiàn)旱情的區(qū)域較少，下半年全省旱情越來越嚴(yán)重，主要經(jīng)歷了以下 3 個階段：

1）第 1 階段是 7 月下旬至 8 月上旬的淮河流域及長江以北山丘區(qū)干旱。由于降雨嚴(yán)重偏少，加之持續(xù)高溫，淮北地區(qū)土壤失墑嚴(yán)重。7 月 17 日開始，淮北部分地區(qū)出現(xiàn)旱情并向南發(fā)展；7 月 26 日，旱情擴(kuò)展到沿淮及江淮之間北部；8 月初，旱情擴(kuò)展到長江流域的山丘區(qū)，全省受旱面積一度達(dá)33.33 萬 hm2。在全力供水澆灌和“利奇馬”臺風(fēng)降雨的共同影響下，第 1 階段旱情 8 月上旬基本解除。

2）第 2 階段是 9 月開始的淮河以南地區(qū)嚴(yán)重干旱。8 月 12 日以來，淮河以南地區(qū)降雨、來水異常偏少，旱情自 9 月開始逐步顯現(xiàn)。綜合降雨、連續(xù)無雨日、來水量和蓄水量分析，淮河以南大部遭受25～30 年一遇嚴(yán)重干旱，局部 30～50 年一遇特大干旱。

3）第 3 階段是 11 月末全省大部分地區(qū)的降雨有效緩解了嚴(yán)重旱情。11 月 25 日左右，全省普遍降雨，雖然降雨量并不大，但對于緩解當(dāng)前嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)旱情形勢而言，真正發(fā)揮了“久旱逢甘霖”的作用。不過，此次降水過程并未解除當(dāng)前的城市供水和農(nóng)村飲水困難問題，未來一段時間的抗旱壓力仍然較大。

3.2 旱情綜合監(jiān)測結(jié)果驗證

綜合平臺中旱情綜合監(jiān)測分為輕度、中度、嚴(yán)重、特大等 4 類旱情等級，輕度干旱主要表征區(qū)域可能存在受旱風(fēng)險，可用于旱情早期發(fā)展的預(yù)警，中度及以上旱情等級用于表征區(qū)域?qū)嶋H受旱情勢。為更好地驗證綜合平臺監(jiān)測結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，在 2019 年 9—11 月期間對合肥、六安、安慶、蚌埠、滁州等地市進(jìn)行實地調(diào)研，并在全省和典型受旱城市安慶進(jìn)行對比驗證分析。對比驗證方法為：以綜合平臺旱情綜合監(jiān)測結(jié)果中的中度干旱及以上旱情等級的受旱面積之和，與實際旱情/災(zāi)情數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。具體驗證分析如下：

1）全省 10 月旱情。安徽省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳數(shù)據(jù)[12]表明：截至 2019 年 10 月 27 日，全省農(nóng)作物因旱受災(zāi)面積為 47.81 萬 hm2。綜合平臺 2019 年 10 月 28 日監(jiān)測結(jié)果顯示，全省中度干旱及以上的受旱面積為44.08 萬 hm2。對比分析發(fā)現(xiàn)：綜合平臺旱情綜合監(jiān)測得到的受旱面積與全省實際農(nóng)作物因旱受災(zāi)面積相差小于 8%，且旱情空間分布情況與全省實際情況相符，綜合平臺能較為客觀地反映全省實際旱災(zāi)情勢。

2）安慶市 10 月旱情。據(jù)農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計[13]，安慶全市秋收作物總面積為 35.20 萬 hm2，其中受旱面積為 14.20 萬 hm2。綜合平臺監(jiān)測結(jié)果如圖 2 所示，圖中顯示：安慶市中度干旱及以上的受旱面積為14.26 萬 hm2，其中特大干旱受旱面積為 0（＜ 0.1 %），嚴(yán)重干旱受旱面積為 7.20 萬 hm2（12.5 %），中度干旱受旱面積為 7.06 萬 hm2（12.27 %）。全市受旱最嚴(yán)重的 3 個縣分別為宿松縣（受旱面積為 2.83 hm2）、樅陽縣（受旱面積為 2.68 萬 hm2）、懷寧縣（受旱面積為 2.28 萬 hm2）。綜合平臺監(jiān)測結(jié)果（14.26 萬 hm2）與農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計的全市受旱面積（14.2 萬 hm2）相差不到 1%。

通過對比驗證發(fā)現(xiàn)：在全省及典型城市范圍內(nèi)，綜合平臺旱情綜合監(jiān)測結(jié)果均能客觀反映實際旱情空間分布情況，并能較準(zhǔn)確地定量表征區(qū)域旱情/災(zāi)情。

4 結(jié)語

安徽省旱情監(jiān)測預(yù)警綜合平臺瞄準(zhǔn)了災(zāi)害防御過程中關(guān)切的“哪里旱、有多旱、旱多久、怎么辦”等核心業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)了面向旱災(zāi)防御的數(shù)據(jù)資源優(yōu)化應(yīng)用，融入了基于下墊面的旱情綜合監(jiān)測技術(shù)，可實現(xiàn)旱情綜合監(jiān)測、對比、演變及統(tǒng)計。綜合平臺已在安徽省水利廳實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，在2019 年全省遭受特大干旱期間，充分印證了綜合平臺的精準(zhǔn)性、高效性。綜合平臺的建成及應(yīng)用有力強(qiáng)化了安徽省旱災(zāi)防御業(yè)務(wù)技術(shù)支撐，同時也有助于全省水利信息化水平的提升。

圖 2 安慶市 2019 年 10 月旱情綜合監(jiān)測結(jié)果

目前綜合平臺業(yè)務(wù)范圍主要側(cè)重于旱情動態(tài)監(jiān)測，為進(jìn)一步提升綜合平臺的服務(wù)能力和應(yīng)用水平，后續(xù)研究中將緊密結(jié)合業(yè)務(wù)需求，繼續(xù)瞄準(zhǔn)旱情監(jiān)測預(yù)警研究科技前沿，融合大數(shù)據(jù)和人工智能優(yōu)勢研發(fā)旱情預(yù)警功能，全面提升綜合平臺對旱災(zāi)防御工作的支撐能力，并將綜合平臺核心技術(shù)在全國逐步推廣應(yīng)用。