顧及時空信息的暴雨精細(xì)化大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建方法

徐 剛，周必高，馬奇蔚，王順利，薛浩男

（1.浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000；2.溫州市氣象局，浙江 溫州 325000；3.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；4.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023）

20世紀(jì)50年代以來，我國的雨量觀測站網(wǎng)迅速增加，使得面向我國的暴雨分析研究開始快速發(fā)展。有些學(xué)者采用“配料法”、TBB等方法對暴雨精細(xì)化預(yù)報進行了研究，取得了一定的成效[8-9]；有些學(xué)者基于已有的降雨數(shù)據(jù)對暴雨進行了分析，如翁佳烽[10]等利用肇慶市2008-2017年的切變線暴雨典型個例實測資料，對肇慶市切變線暴雨的精細(xì)化時空分布特征進行了分析。GIS也被廣泛應(yīng)用于暴雨區(qū)劃評估領(lǐng)域[11-13]，樊高峰[14]等利用GIS研究了暴雨的時空分布特征，進而對浙江省暴雨災(zāi)害的危險性進行了評估；鮮鐵軍[15]對暴雨洪澇農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害4大評價因子進行了分析和建模計算，形成了南充市暴雨洪澇農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害區(qū)劃圖；鄒清楓[16]等利用GIS風(fēng)險分析原理進行了暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險分析，得到關(guān)于增城本土的暴雨洪澇風(fēng)險值分布圖。綜上所述，現(xiàn)有的暴雨研究主要分為暴雨預(yù)報和對已產(chǎn)生的暴雨進行分析評估兩個部分，缺少對暴雨的實時精細(xì)化分布研究。

本文以溫州市為例，開展暴雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精細(xì)化普查，全面查清氣象災(zāi)害區(qū)域分布、自然和經(jīng)濟社會、歷史氣象災(zāi)害等基本情況，建立暴雨精細(xì)化工程綜合時空數(shù)據(jù)庫；同時以時空信息為基礎(chǔ)框架，研發(fā)了暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了暴雨專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理、可視化展示等功能，充分發(fā)揮了氣象局海量暴雨數(shù)據(jù)的潛在價值；利用統(tǒng)計分析算法和可視化展示手段揭示了暴雨的時空分布特點和規(guī)律；通過對暴雨數(shù)據(jù)進行深入分析與挖掘，實現(xiàn)了暴雨次生災(zāi)害風(fēng)險的實時動態(tài)評估，以期為決策部門提供科學(xué)依據(jù)，提升城鄉(xiāng)暴雨、洪澇等災(zāi)害防御能力，提高暴雨精細(xì)化預(yù)報預(yù)警水平，強化城鄉(xiāng)防災(zāi)減災(zāi)能力，保障生態(tài)發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。

1 總體框架

為了對暴雨數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)分析，實現(xiàn)基于時空信息的暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，本文設(shè)計的系統(tǒng)總體框架如圖1所示。通過部門共享獲取資料、外業(yè)實地調(diào)查采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等流程建立暴雨精細(xì)化工程綜合時空數(shù)據(jù)庫，對系統(tǒng)建設(shè)所需的數(shù)據(jù)進行收集。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)集展示中心、三維展示、我的空間、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)中心、運維中心等多門戶于一體的暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)暴雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理、暴雨專題數(shù)據(jù)的可視化展示、次生災(zāi)害風(fēng)險的評估與預(yù)警以及災(zāi)害事件的管理等功能，有利于推進暴雨管理的數(shù)字化、空間可視化、智能化和精細(xì)化水平，為決策部門提供科學(xué)依據(jù)，全面提升社會服務(wù)的水平和能力。

1）數(shù)據(jù)層。該層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和管理，主要功能包括數(shù)據(jù)的存儲邏輯規(guī)則、數(shù)據(jù)讀寫等，由數(shù)據(jù)庫軟件、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)庫組成。其中，數(shù)據(jù)庫包含地理信息數(shù)據(jù)、暴雨精細(xì)化工程專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)和系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)等。

2）服務(wù)層。該層是連接數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的中間層，將所有數(shù)據(jù)訪問和處理邏輯封裝到服務(wù)中，再把數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式提供給用戶，使數(shù)據(jù)的使用更安全便捷，共享應(yīng)用更高效。服務(wù)層包括專題地圖服務(wù)、暴雨專題疊加展示服務(wù)、多屏展示服務(wù)、數(shù)據(jù)資源目錄服務(wù)、數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、服務(wù)詳情查看、服務(wù)檢索、實時雨量查看、高程數(shù)據(jù)查看、實時雨量熱力圖、實時雨量網(wǎng)格、流域洪水預(yù)警、專題數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、歷史災(zāi)情事件管理、用戶管理服務(wù)、日志管理服務(wù)等。

3）應(yīng)用層。該層主要負(fù)責(zé)為用戶提供業(yè)務(wù)功能和交互界面，即利用服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)或功能，以用戶業(yè)務(wù)邏輯進行封裝后，再與用戶形成交互操作。應(yīng)用層包括展示中心、三維展示、我的空間、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)中心和運維中心。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 暴雨精細(xì)化工程綜合時空數(shù)據(jù)庫

2.1 元數(shù)據(jù)目錄數(shù)據(jù)庫

元數(shù)據(jù)目錄數(shù)據(jù)庫包括元數(shù)據(jù)和目錄數(shù)據(jù)兩大類，其中元數(shù)據(jù)具體包括資源標(biāo)識和內(nèi)容方面的描述元數(shù)據(jù)、資源獲取和應(yīng)用方面的元數(shù)據(jù)、資源安全和資源分類方面的元數(shù)據(jù)等。建立內(nèi)容豐富的元數(shù)據(jù)目錄信息，可便于其他平臺后續(xù)順利調(diào)用數(shù)據(jù)資源。

2.2 地理信息數(shù)據(jù)庫

1）專題電子地圖數(shù)據(jù)庫。專題電子地圖數(shù)據(jù)庫包括矢量專題電子地圖數(shù)據(jù)和影像專題電子地圖數(shù)據(jù)。對最新的1∶5萬、1∶1萬、1∶2 000、1∶500等溫州市域范圍內(nèi)地理空間數(shù)據(jù)（包括房屋、道路、水系、植被等）進行提取、融合、集成等處理，制作完成7～20層、共14個比例尺的矢量專題電子地圖配圖和切片；對2014年0.5 m分辨率的航拍影像和2016年2 m分辨率的航拍影像進行接邊、鑲嵌、調(diào)色等處理，制作完成7～20 層、共14個比例尺的影像專題電子地圖配圖和切片。

已有的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度研究中，通常選用的數(shù)據(jù)時間段較短,主要以一年為主；同時，專門研究淮海經(jīng)濟區(qū)旅游景區(qū)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度的成果比較少．本文以淮海經(jīng)濟區(qū)5A級景區(qū)2013～2016年的百度搜索指數(shù)為分析對象,對網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度的時空分布進行深層次的實證分析,試圖解釋其中的原因,并對其季節(jié)性波動和黃金周特殊時段的“井噴現(xiàn)象”[7]進行定量化分析,以期為景區(qū)網(wǎng)絡(luò)市場營銷決策提供參考．

2）歷史影像數(shù)據(jù)庫，主要包括2005年0.5 m影像、2008年2.5 m影像、2012年0.5 m影像、2014年0.5 m影像以及2016年2 m影像等歷史影像數(shù)據(jù)的切片處理。

3）三維場景數(shù)據(jù)庫。對原有睿城的三維場景模型數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理和建庫，可用于地貌形態(tài)分析和洪水淹沒區(qū)分析等。

4）溫州三區(qū)地表分類數(shù)據(jù)。溫州三區(qū)范圍內(nèi)地表分類數(shù)據(jù)包括房屋建筑、耕地、草地、道路、水域、林地、荒漠以及裸露地表等，對其進行處理分析，為暴雨災(zāi)害預(yù)測分析、災(zāi)害模擬等功能提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 暴雨專題數(shù)據(jù)庫

暴雨專題數(shù)據(jù)庫包括小流域數(shù)據(jù)、歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)、山洪溝數(shù)據(jù)等?；趯ι鲜霰┯昃?xì)化工程專題數(shù)據(jù)的空間化處理，形成可疊加到各類地圖上的、可進行查詢和綜合分析的空間專題數(shù)據(jù)。

1）小流域數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的生產(chǎn)更新通過ArcGIS軟件自身集成工具進行數(shù)據(jù)生成、加工等處理實現(xiàn)，并結(jié)合人工判別進行修正完善。生產(chǎn)流程可分為信息提取、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)完善、質(zhì)量檢查等。

2）歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)。對接溫州三區(qū)各區(qū)防汛辦和溫州市民政局，調(diào)查并獲取自1949年以來發(fā)生的歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)，包括災(zāi)害發(fā)生次數(shù)、時間、地點、范圍，轉(zhuǎn)移總?cè)藬?shù)和災(zāi)害損失情況等詳細(xì)信息。對收集的原始?xì)v史災(zāi)情數(shù)據(jù)進行提取、分析和篩選，統(tǒng)計得到按區(qū)、街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的歷史災(zāi)情統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并與溫州三區(qū)的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)作關(guān)聯(lián)處理。對收集到的歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)進行矢量化，最終得到矢量歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)。

3）山洪溝數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的生產(chǎn)更新通過ArcGIS軟件自身集成工具進行數(shù)據(jù)生成、加工等處理實現(xiàn)，并結(jié)合人工判別進行修正完善。

4）地質(zhì)災(zāi)害隱患點數(shù)據(jù)。對收集的最新災(zāi)害隱患點資料進行數(shù)據(jù)矢量化、篩選和重落點等處理，并整合已有的矢量災(zāi)害隱患點數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)全市域地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)入庫。

5）沿河村落數(shù)據(jù)。首先根據(jù)小流域區(qū)域范圍，確定需要外業(yè)調(diào)查的沿河村落名單；再收集整理沿河村落的最新1∶500基礎(chǔ)地形圖、遙感影像資料、水系、路網(wǎng)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；最后疊加收集的數(shù)據(jù)，對矢量數(shù)據(jù)進行符號配置，并選擇性地對部分名稱、屬性進行標(biāo)注，制作外業(yè)調(diào)查底圖，打印外調(diào)圖紙。外業(yè)調(diào)查測量每戶的房屋建筑面積、建筑結(jié)構(gòu)、宅基高程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；對接沿河村落所在的街道，調(diào)取相應(yīng)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)；結(jié)合收集的資料，通過篩選、校對和關(guān)聯(lián)生成沿河村落數(shù)據(jù)（表1）。6）其他專題數(shù)據(jù)。收集由溫州市國土局、溫州市應(yīng)急辦提供的溫州三區(qū)范圍內(nèi)的避災(zāi)安置點數(shù)據(jù)；通過矢量化、篩選、校對和重落點等處理，更新溫州三區(qū)范圍內(nèi)的避災(zāi)安置點數(shù)據(jù)；整合其他縣市的避災(zāi)安置點數(shù)據(jù)，生成全市域避災(zāi)安置點矢量數(shù)據(jù)。收集由溫州市防汛辦和溫州市水利局提供的溫州三區(qū)范圍內(nèi)的泵站、水電站、水位監(jiān)測站、水閘、堤防、灌區(qū)和水庫等水利設(shè)施數(shù)據(jù)。收集由溫州市電力局提供的溫州三區(qū)范圍內(nèi)的110 kV、220 kV、500 kV電力高壓走廊數(shù)據(jù)。收集由溫州三區(qū)各區(qū)統(tǒng)計局提供的溫州三區(qū)范圍內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道的基礎(chǔ)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。收集由溫州市氣象局提供的溫州三區(qū)范圍內(nèi)的氣象站和水文站數(shù)據(jù)。

表1 沿河村落數(shù)據(jù)

2.4 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫

1）雨量實測數(shù)據(jù)。收集溫州全市域范圍內(nèi)的實時降雨量數(shù)據(jù)包，經(jīng)格式轉(zhuǎn)化、矢量化等處理，得到系統(tǒng)可識別的實時降雨量數(shù)據(jù)，為實時模擬氣象災(zāi)害狀況提供可靠依據(jù)。

2）城市排水管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)。收集溫州三區(qū)范圍內(nèi)的地下排水管網(wǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，為建立泄洪排洪模型提供數(shù)據(jù)支撐。

3 暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺

暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)，有效整合了氣象局多年來積累的地理信息資源，建立了空間基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的地理信息數(shù)據(jù)庫，為實時動態(tài)獲取氣象地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化奠定了良好的基礎(chǔ)。另外，將地理信息數(shù)據(jù)與平臺共享服務(wù)數(shù)據(jù)進行同步建設(shè)和跟蹤處理，有利于減少工作總量和提高工作效率。暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺的建立整合了各類暴雨精細(xì)化工程專題數(shù)據(jù)，完成了溫州氣象地理信息資源匯聚，為氣象局內(nèi)部應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供了數(shù)據(jù)服務(wù)支撐；為用戶提供了一站式的地理信息服務(wù)，實現(xiàn)了高效的資源共享，優(yōu)化了暴雨災(zāi)情監(jiān)管方式，大大提高了城市防災(zāi)減災(zāi)能力；并能輔助領(lǐng)導(dǎo)進行決策。

3.1 暴雨時空信息精細(xì)化展示

以暴雨精細(xì)化數(shù)據(jù)為核心，結(jié)合平臺提供的暴雨專題數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)等，利用地理空間可視化手段直觀形象地展現(xiàn)暴雨相關(guān)專題數(shù)據(jù)的空間分布情況，如可統(tǒng)計區(qū)域?qū)崟r降雨情況，為后續(xù)進行空間分析決策提供基礎(chǔ)保障。平臺還提供了洪水預(yù)警、避災(zāi)路線規(guī)劃、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。

3.2 暴雨風(fēng)險評估

以立體可視化的方式，為平臺提供洪水淹沒分析、二三維化、三維量算、數(shù)據(jù)檢索等分析功能，為實時模擬氣象災(zāi)害狀況提供可靠依據(jù)，為災(zāi)害應(yīng)急提供直觀、全面、有力的數(shù)據(jù)支撐，并輔助用戶進行科學(xué)決策。

4 結(jié) 語

本文以時空信息為基礎(chǔ)框架，建立了暴雨精細(xì)化工程綜合時空數(shù)據(jù)庫，并基于該數(shù)據(jù)庫研發(fā)了暴雨精細(xì)化工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了各類暴雨精細(xì)化工程專題數(shù)據(jù)、氣象實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)報數(shù)據(jù)的整合與管理，提供了暴雨災(zāi)害預(yù)測分析、災(zāi)害模擬、撤離避災(zāi)路線制定、二次開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)接口等功能。本文的研究目標(biāo)在于暴雨時空信息的精細(xì)化展示，對其預(yù)測預(yù)報涉及較少，這是下一步的研究重點。