基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

段晨玉，張以晨，張繼權(quán)，3，吳晨陽(yáng)，何家盛

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林應(yīng)急管理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；3.東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；4.長(zhǎng)春工程學(xué)院 勘查與測(cè)繪工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

地質(zhì)災(zāi)害成因復(fù)雜，具有不可避免性、區(qū)域性、周期性和規(guī)律性，所以目前以預(yù)防和避讓作為主要減災(zāi)策略[1-3]，為防范地質(zhì)災(zāi)害，學(xué)者們也進(jìn)行了各種研究。張利芹等[4]利用信息量法對(duì)重慶云陽(yáng)縣進(jìn)行小比例尺地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，研究結(jié)果顯示易發(fā)區(qū)主要集中在長(zhǎng)江及其支流的兩岸；張以晨等[5]利用自然災(zāi)害理論選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而建立地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估模型對(duì)吉林省進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)，該評(píng)估模型與野外調(diào)查結(jié)果基本吻合；危險(xiǎn)性分區(qū)僅能知道該區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性以及災(zāi)害帶來(lái)?yè)p失的預(yù)測(cè)，并不能實(shí)現(xiàn)精確化的預(yù)報(bào)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前經(jīng)常會(huì)有強(qiáng)降雨的來(lái)臨，所以許多學(xué)者會(huì)根據(jù)降水量來(lái)研究地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。如張麗紅等[6]根據(jù)天氣預(yù)報(bào)來(lái)研究山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，并根據(jù)降水量超過(guò)臨界水位的多少發(fā)布預(yù)警等級(jí)，該模型為預(yù)防山洪提供了新思路；王健[7]根據(jù)降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)無(wú)量綱處理后加權(quán)疊加的各指標(biāo)得到預(yù)警結(jié)果，再和歷史數(shù)據(jù)對(duì)比后不斷優(yōu)化各指標(biāo)權(quán)重，從而不斷提高預(yù)警結(jié)果；李宇梅等[8]通過(guò)計(jì)算有效降雨量建立氣象風(fēng)險(xiǎn)模型，并用該模型的評(píng)估結(jié)果與2015年全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害案例結(jié)合分析，評(píng)估結(jié)果比較貼合災(zāi)害統(tǒng)計(jì)情況，此模型具有良好預(yù)報(bào)能力；隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感圖像也更多的加入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警評(píng)估中。在遙感技術(shù)的支持下建立AHP-PPM模型對(duì)中國(guó)攀西地區(qū)進(jìn)行研究[9]，該模型適當(dāng)中和了主觀和客觀因素；許強(qiáng)等[10]應(yīng)用“三查”體系對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期識(shí)別和預(yù)警，“三查”體系包含衛(wèi)星的光學(xué)遙感、無(wú)人機(jī)攝影和地面的相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，未來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警將會(huì)涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科，監(jiān)測(cè)技術(shù)也會(huì)從多尺度、多維度進(jìn)行[11]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有系統(tǒng)性，為應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害還需要進(jìn)行綜合災(zāi)害管理[12]和綜合減災(zāi)[13]。

由于當(dāng)今缺少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的研究與實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)因此變得尤為重要。本研究以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)建立預(yù)警模型，以ArcGIS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)為支撐建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)。以降雨為主要誘變因素，提高預(yù)警在時(shí)間上的精度。當(dāng)?shù)卣梢愿鶕?jù)預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果提前轉(zhuǎn)移人民群眾、制訂防災(zāi)減災(zāi)策略，避免災(zāi)害帶來(lái)的損失，使地質(zhì)災(zāi)害主動(dòng)預(yù)防成為可能。同時(shí)以通化縣為研究區(qū)域?qū)δＰ瓦M(jìn)行實(shí)例化驗(yàn)證，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要面向地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警任務(wù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，服務(wù)于防災(zāi)減災(zāi)需求，為管理部門(mén)提供實(shí)時(shí)化和及時(shí)性的輔助決策工具。本系統(tǒng)基于Windows 10、Windows 7操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以.NET框架為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C#作為在Visual Studio 2012 上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的編程語(yǔ)言，借助ArcGIS Engine組件式開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行此系統(tǒng)的界面搭建與二次開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)方面使用空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎ArcSDE與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 2010相結(jié)合來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用與存儲(chǔ)管理。以災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警原理和自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成原理等理論依據(jù)建立基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，該模型易于程序化，所以計(jì)算機(jī)能根據(jù)此模型進(jìn)行各種操作。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用結(jié)構(gòu)化方法和面向?qū)ο蠓椒?。結(jié)構(gòu)化方法主要是通過(guò)自上而下、逐層分化的將系統(tǒng)劃分為一個(gè)個(gè)模塊，通過(guò)分解將此系統(tǒng)分成若干小問(wèn)題進(jìn)行解決，該系統(tǒng)的主要模塊有：數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)、地圖控制子系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警子系統(tǒng)、輔助決策子系統(tǒng)；各個(gè)模塊編程時(shí)相互獨(dú)立，但運(yùn)行時(shí)可以相互調(diào)用，使代碼的利用率得到提高；地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)層、邏輯層、應(yīng)用層、交互層。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)總體框架

此系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)為：以地圖形式進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律建立預(yù)測(cè)模型，其結(jié)果可以很好的地圖上進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，具有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力，可以根據(jù)加入的氣象降雨情況而進(jìn)行動(dòng)態(tài)的預(yù)警，而實(shí)現(xiàn)日預(yù)警，加大地質(zhì)災(zāi)害在時(shí)間上的精確度；系統(tǒng)采用C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較快的反應(yīng)速度，能充分利用客戶端的處理能力，用戶可以自己添加、修改數(shù)據(jù)，維護(hù)較為方便。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要涉及到空間圖形數(shù)據(jù)和非空間的屬性數(shù)據(jù)，采用ArcSED空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎與SQL Server 2010關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理與調(diào)用。程序運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量臨時(shí)數(shù)據(jù)，如何將這些不同種類(lèi)、不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的處理，將直接影響到該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)性能。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度與保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此系統(tǒng)使用IPropertySet接口用直接連接的方式加載SDE數(shù)據(jù)庫(kù)，該方法可以直接在客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作，最后把結(jié)果返給數(shù)據(jù)庫(kù)，有效減少了數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取過(guò)程[14]。

根據(jù)數(shù)據(jù)特征可為其設(shè)計(jì)如下幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)：空間圖形數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、非空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)功能如下：

(1)空間圖形數(shù)據(jù)庫(kù)。主要存儲(chǔ)研究區(qū)的圖像資料，如電子地圖、遙感影像，以及經(jīng)過(guò)模型處理后的結(jié)果圖，如危險(xiǎn)性評(píng)估圖、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)圖等。

(2)模型數(shù)據(jù)庫(kù)。用于存儲(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型數(shù)據(jù)及相應(yīng)的指標(biāo)。

(3)非空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。主要存儲(chǔ)歷史災(zāi)情、環(huán)境數(shù)據(jù)、人文經(jīng)濟(jì)、救援力量以及相關(guān)應(yīng)急預(yù)案等。

(4)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。用于存儲(chǔ)該系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)生成的中間數(shù)據(jù)，中間數(shù)據(jù)不用向用戶展示是隱性的。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警需求，設(shè)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)功能主要如圖2所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)功能圖

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)

由于地質(zhì)災(zāi)害影響因素的復(fù)雜性，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)需要涉及多種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要有氣象數(shù)據(jù)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)以及歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)，而這些具有空間特性的數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警具有非常重要的作用。GIS對(duì)空間數(shù)據(jù)的操作、分析、展示具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以直觀的以圖文形式展示研究區(qū)域，而且方便用戶查詢歷史災(zāi)情并以可視化的方式進(jìn)行顯示。該子系統(tǒng)是地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，主要由空間數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)模塊、模型數(shù)據(jù)管理模塊和災(zāi)情管理模塊組成，具體介紹如下：

(1)空間數(shù)據(jù)的更新與維護(hù)模塊。即研究區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息的管理，如救援力量分布、行政區(qū)劃、等高線、土地類(lèi)型、植物覆蓋度等。針對(duì)用戶系統(tǒng)提供簡(jiǎn)便、友好、功能全面的數(shù)據(jù)更新與維護(hù)工具，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠得到及時(shí)維護(hù)，從而不影響系統(tǒng)的正常使用。

(2)模型數(shù)據(jù)管理模塊。模型數(shù)據(jù)記錄著預(yù)警模型的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，主要用來(lái)更新氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)更新的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。氣象數(shù)據(jù)是需要特殊處理的數(shù)據(jù)，需要把當(dāng)天的降雨數(shù)據(jù)經(jīng)有效處理得到有效降雨等值線圖，再進(jìn)行圖層網(wǎng)格化才能使用。

(3)災(zāi)情管理模塊。主要對(duì)研究地區(qū)發(fā)生過(guò)的地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行更新與維護(hù)，記錄這些歷史災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、影響面積以及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的損失。

2.2 地圖控制子系統(tǒng)

地圖控制子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，可以實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽、圖層操作、數(shù)據(jù)查詢等一些基礎(chǔ)操作。主要功能介紹如下：

(1)地圖瀏覽模塊。提供GIS的瀏覽功能，主要有視圖顯示、漫游和大小縮放。利用ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)這些功能方法不止一種，本系統(tǒng)使用ArcGIS Engine內(nèi)置的Command組件與地圖顯示控件進(jìn)行交互，Command組件主要是利用ControlCommands名稱控件中提供的工具和命令，此方法較為靈活。地圖縮放有按鍵縮放、滾輪縮放和拉框縮放三種縮放方式。系統(tǒng)主界面有鷹眼地圖與主地圖兩部分共同顯示，鷹眼地圖主要顯示當(dāng)前展示的主地圖在整個(gè)研究區(qū)域中的位置，并實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。地圖瀏覽模塊還可以選擇加載不同的圖層，選擇研究區(qū)域內(nèi)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，如降雨數(shù)據(jù)、道路信息等。

(2)圖層操作模塊。地圖圖層不僅是數(shù)據(jù)管理的容器還是數(shù)據(jù)的主要顯示載體，加載不同的圖層能夠顯示不同的信息。在Geodatabase模型的統(tǒng)一框架中，空間數(shù)據(jù)被認(rèn)為存儲(chǔ)在一個(gè)工作空間中，使用ArcGIS Engine中的IWorkspace接口進(jìn)行管理。

(3)數(shù)據(jù)探查模塊。主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的災(zāi)害點(diǎn)、損失信息等進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，可以分為條件查詢、屬性查詢等。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警子系統(tǒng)

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，用于根據(jù)建立的預(yù)警模型進(jìn)行空間分析并進(jìn)行結(jié)果展示。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是用來(lái)減少地質(zhì)災(zāi)害造成損失的主要對(duì)策之一，是把地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行定量化。模型的運(yùn)算主要用到柵格疊加，先使每個(gè)圖層都引用相同的地理坐標(biāo)，再對(duì)多個(gè)圖層的像元進(jìn)行逐個(gè)算術(shù)運(yùn)算或布爾運(yùn)算等操作，使多個(gè)圖層特征融合到單一圖層中去。用不同數(shù)值代表各個(gè)特征，方便以數(shù)學(xué)方式進(jìn)行特征的柵格疊加。疊加算法[15]主要概括為四個(gè)步驟：第一步，確定參加疊加運(yùn)算的工作空間；第二步，將參加運(yùn)算的網(wǎng)格順序讀入緩沖區(qū)；第三步，疊加運(yùn)算；第四步，將疊加運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)文件。

根據(jù)災(zāi)害預(yù)警原理，把地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理概括為內(nèi)生警兆和外生警兆相互作用的結(jié)果，內(nèi)生警兆是根據(jù)氣象氣候和地質(zhì)環(huán)境計(jì)算災(zāi)害發(fā)生的可能性，外生警兆是根據(jù)人口、經(jīng)濟(jì)和防災(zāi)減災(zāi)能力等計(jì)算災(zāi)害會(huì)帶來(lái)的損失，建立基于柵格的指數(shù)模型對(duì)外生警兆和內(nèi)生警兆進(jìn)行綜合加權(quán)疊加，得到風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)，再根據(jù)預(yù)警模型閾值對(duì)災(zāi)害進(jìn)行等級(jí)劃分。以GIS柵格數(shù)據(jù)空間分析技術(shù)為支持，把研究區(qū)域分成一系列規(guī)則的格網(wǎng)單元，避免過(guò)去以行政區(qū)域進(jìn)行劃分，提高預(yù)警的精確度。

2.4 輔助決策支持子系統(tǒng)

該模塊主要用來(lái)幫助管理者制訂減災(zāi)救災(zāi)方案，從而最大化減少災(zāi)害帶來(lái)的損失，由知識(shí)庫(kù)和專(zhuān)題地圖輸出功能兩部分組成。

專(zhuān)題地圖輸出功能是將預(yù)警結(jié)果電子地圖以BMP、PDF、JPG等格式輸出為圖形文件，從而便于預(yù)警信息的下達(dá)。專(zhuān)題圖不僅需要展示預(yù)警結(jié)果，還得有比例尺、指北針、圖例、預(yù)警日期等要素，使用戶能更快從地圖中了解所需要的信息。用ClsCreatMapSurround類(lèi)生產(chǎn)地圖的各種元素，類(lèi)中就包涵了生成圖名、比例尺、指北針等的方法。MapSurround被加入到MapSurroundFrame框架元素中，并不是簡(jiǎn)單的顯示圖形，如Map視圖范圍改變后，比例尺(ScaleBar)也會(huì)隨著Map的變化自動(dòng)調(diào)整比例，MapSurround與地圖對(duì)象直接動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。地圖輸出是用基于柵格的ExporImage，其子類(lèi)分別有ExportBMP、ExportPDF、ExportJPG等，通過(guò)這幾個(gè)對(duì)象可以把地圖數(shù)據(jù)分別生產(chǎn)為BMP、PDF、JPG的圖形文件。預(yù)警信息通過(guò)Class Breaks Renderer類(lèi)實(shí)現(xiàn)色彩符號(hào)化，主要是將空間分析結(jié)果根據(jù)劃定的閾值進(jìn)行分級(jí)，以不同的顏色展示出來(lái)，從而直觀的展示出不同地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害威脅度。

知識(shí)庫(kù)主要包含著當(dāng)?shù)氐木仍?duì)伍與救援設(shè)備分布，還有相關(guān)法律法規(guī)、歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)、基于地質(zhì)災(zāi)害制訂的相關(guān)應(yīng)急預(yù)案與管理對(duì)策。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，當(dāng)?shù)夭块T(mén)可以根據(jù)救援力量與資源分布信息選擇合適的救援方案與最佳救援路線。

3 基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型設(shè)計(jì)

風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型是此系統(tǒng)的核心部分，本預(yù)警模型研究以通化縣為研究區(qū)域，基于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成原理、區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)理論、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警理論，從風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)、災(zāi)害科學(xué)等學(xué)科觀點(diǎn)出發(fā)，綜合考慮通化縣經(jīng)濟(jì)因子、人口因子和防災(zāi)減災(zāi)能力對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)行研究。利用GIS技術(shù)、Logistic回歸等方法確定在不同降雨條件下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率；建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；確定地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型閾值，最后實(shí)現(xiàn)通化縣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)日預(yù)警。

3.1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警框架

預(yù)警是指對(duì)某一警素的現(xiàn)狀和未來(lái)進(jìn)行測(cè)度，預(yù)報(bào)不正常狀態(tài)的時(shí)空范圍和危害程度，在危險(xiǎn)發(fā)生之前，根據(jù)以往總結(jié)的規(guī)律或觀測(cè)得到的可能性前兆，向相關(guān)部門(mén)發(fā)出緊急信號(hào)，報(bào)告危險(xiǎn)情況，以避免危害在不知情或準(zhǔn)備不足的情況下發(fā)生，從而最大程度減低危害所造成的損失的行為。預(yù)警的分析流程為：①確定警情；②尋找警源；③分析警兆；④預(yù)報(bào)警度；⑤決策分析。

根據(jù)預(yù)警流程首先確定警情，本次研究對(duì)象為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，主要為泥石流和崩塌、滑坡；然后是尋找警源，即警情產(chǎn)生的根源，在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究中警源為造成地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全的各種因素；警兆是指警情發(fā)生的先兆，是對(duì)警源發(fā)展變化的反應(yīng)。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警還需考慮致災(zāi)因子和承載體的共同作用，即將警兆分為內(nèi)生警兆和外生警兆。內(nèi)生警兆是根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和天氣變化得出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生得概率，外生警兆是根據(jù)經(jīng)濟(jì)因子、人口因子和防災(zāi)減災(zāi)能力計(jì)算災(zāi)害潛在造成的損失，內(nèi)生警兆和外生警兆共同作用形成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)；最后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型閾值對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供依據(jù)。基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警概念框架如圖3所示。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警概念框架

3.2 預(yù)警警源識(shí)別

警源識(shí)別是預(yù)警模型研究中的重要步驟，通過(guò)對(duì)警源的分析尋找地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的重要因子，眾多風(fēng)險(xiǎn)因子的共同作用下形成地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警警源。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的警源由內(nèi)生警源與外生警源組成。內(nèi)生警源是指系統(tǒng)內(nèi)部各種影響因素，在本研究中直接決定地質(zhì)災(zāi)害是否會(huì)發(fā)生，主要影響因素有坡度、地質(zhì)構(gòu)造、植物覆蓋度、降水等指標(biāo)；外生警源是指系統(tǒng)外部的各種影響因子，是地質(zhì)災(zāi)害會(huì)造成損失的各種因素，主要影響因素有經(jīng)濟(jì)因子、人口因子和防災(zāi)減災(zāi)能力。經(jīng)濟(jì)因子是指受到地質(zhì)災(zāi)害威脅的所有財(cái)產(chǎn)，主要包括房屋、農(nóng)田、牲畜等。人口因子是指受地質(zhì)災(zāi)害威脅的所有人口，在歷年來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害中傷亡人員主要來(lái)于老人和小孩。防災(zāi)減災(zāi)能力主要表現(xiàn)為受災(zāi)區(qū)應(yīng)對(duì)和處理災(zāi)害的能力，主要評(píng)價(jià)因素有政府防災(zāi)資金投入、大型清障設(shè)備數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量等。

3.3 預(yù)警警兆分析

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的警兆分析主要依據(jù)警源的分析，分別為外生警源產(chǎn)生外生警兆，內(nèi)生警源產(chǎn)生內(nèi)生警兆。外生警兆是由外生警源所造成地質(zhì)災(zāi)害潛在損失的綜合評(píng)價(jià)，于人口因子、經(jīng)濟(jì)因子、防災(zāi)減災(zāi)能力因子有密切關(guān)系；內(nèi)生警兆經(jīng)過(guò)Logistic回歸法得到地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生得可能性。

3.4 評(píng)價(jià)模型建立

由于地質(zhì)災(zāi)害的90%多時(shí)由泥石流和崩塌滑坡照成的，主要根據(jù)這兩種災(zāi)害的各自發(fā)生機(jī)理選取不同的因子，建立不同的權(quán)重體系。由對(duì)警源、警兆的分析選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，本研究對(duì)因子權(quán)重的計(jì)算借鑒了前人的研究成果[16]。

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)，分別建立泥石流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)(DFWEWI)和崩塌、滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)(COLSEWI),兩者的指標(biāo)的權(quán)重雖然不同，但計(jì)算方式相同，都是對(duì)外生警兆(D)和內(nèi)生警兆(P)的綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)邏輯回歸模型計(jì)算地質(zhì)災(zāi)害內(nèi)生警兆(P)，得到地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)概率預(yù)測(cè)公式，計(jì)算公式如(1)：

(1)

式中：P為泥石流或崩塌滑坡發(fā)生得可能性，P∈[0,1]，P的值越大災(zāi)害發(fā)生的可能性越大，當(dāng)值為1時(shí)代表災(zāi)害百分比發(fā)生。Pm/t為地點(diǎn)m在實(shí)際t發(fā)生災(zāi)害的概率。xk為內(nèi)生警兆各項(xiàng)指標(biāo)，bk為計(jì)算出的回歸系數(shù)。

外生警兆(D)為地質(zhì)災(zāi)害會(huì)造成的潛在損失。與經(jīng)濟(jì)因子(E)和人口因子(P0)呈正相關(guān)，與防災(zāi)減災(zāi)能力(R)呈負(fù)相關(guān)；地質(zhì)災(zāi)害外生警兆預(yù)警指數(shù)公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：E(X)、P0(X)、R(X)的值分別對(duì)應(yīng)著經(jīng)濟(jì)因子、人口因子和防災(zāi)減災(zāi)能力。n為指標(biāo)總數(shù)，i表示為第i個(gè)指標(biāo)，Wei、Wpi、Wri分別為利用層次分析法得到得各因子權(quán)重，Xei、Xpi、Xri分別為經(jīng)濟(jì)因子、人口因子、防災(zāi)減災(zāi)能力所對(duì)應(yīng)的警源。

根據(jù)泥石流和崩塌、滑坡的內(nèi)生警兆和外生警兆各自計(jì)算的結(jié)果，便可得出各自的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)(H)由泥石流和崩塌、滑坡預(yù)警指數(shù)相加。

COLSEWI=Pc×Dc;

(6)

DFWEWI=Pd×Dd;

(7)

H=DFWEWI+COLSEWI。

(8)

3.5 預(yù)警區(qū)劃

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)分為極低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)五個(gè)等級(jí)，分別用深綠色、淺綠色、黃色、橙色、紅色表示。預(yù)警閾值的劃分利用了最優(yōu)分割法，使等級(jí)內(nèi)的相似性盡可能大，等級(jí)間的相似盡可能小。

3.6 GIS在建模中的作用

GIS能夠加工、顯示和集成不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要有電子地圖、遙感影像、表格和數(shù)字高程模型(DEM)等，這些數(shù)據(jù)在模型的建立、運(yùn)行、校準(zhǔn)和驗(yàn)證過(guò)程中都有著重要作用。同時(shí)，GIS也能當(dāng)作數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、增加、刪除。對(duì)模型數(shù)據(jù)的加工功能也十分強(qiáng)大，如進(jìn)行空間插值、數(shù)據(jù)可視化和探索性數(shù)據(jù)分析等。

可以基于矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù)用GIS建立模型，數(shù)據(jù)類(lèi)型的選擇主要取決于數(shù)據(jù)源、算法和模型的本質(zhì)。在建模過(guò)程中也可以利用矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的差異對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，GIS軟件可以實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。例如，如果基于矢量模型需要一副降水量圖(如等雨量圖)作為輸入源，從已知點(diǎn)數(shù)據(jù)很容易通過(guò)空間插值生成一個(gè)降水量柵格，然后從柵格生成降水圖層。

4 預(yù)警實(shí)例分析

基于系統(tǒng)構(gòu)建理念，我們選擇通化縣作為研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)例化驗(yàn)證。通化縣位于吉林省南部，屬于長(zhǎng)白山系，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。此外該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型多樣，可以作為典型的學(xué)習(xí)研究區(qū)域[17]。以預(yù)警模型計(jì)算的某1 d預(yù)警結(jié)果如圖4至圖6所示，其中圖4為通化縣崩塌、滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)劃圖，圖5為通化縣泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)劃圖，圖6為綜合崩塌、滑坡災(zāi)害和泥石流災(zāi)害得到的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)劃圖。由預(yù)警結(jié)果可以得知，極高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)分布比較零散，主要集中在通化縣中部和南部地區(qū)，慶生村、四平村和新勝村等地；較低風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)主要集中在通化縣東北部和北部地區(qū)，朝陽(yáng)村、長(zhǎng)春溝村和三棚村等地。

圖4 崩塌、滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)劃圖

圖5 泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)劃圖

圖6 地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)劃圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于ArcGIS的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，設(shè)計(jì)了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)?；贕IS的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)主要利用了多學(xué)科交叉理論和方法，結(jié)合傳統(tǒng)研究與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果相結(jié)合預(yù)警，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的預(yù)警，更重要的是實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望損失的預(yù)測(cè)。在時(shí)間尺度上，本系統(tǒng)可以以日為單位預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性以及造成的損失，更好的為相關(guān)部門(mén)服務(wù)。根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，使人們提前預(yù)知災(zāi)害點(diǎn)，能夠進(jìn)行主動(dòng)預(yù)防災(zāi)害、減小災(zāi)害損失，有助于社會(huì)和諧。

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的預(yù)警結(jié)果還應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維化展示，使預(yù)警結(jié)果更加直觀、精確，更加適合山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。災(zāi)害的發(fā)生往往還會(huì)伴隨著次生災(zāi)害，今后的預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)中，預(yù)警結(jié)果應(yīng)展示可能產(chǎn)生的災(zāi)害鏈，從而使人們更加充分的準(zhǔn)備防災(zāi)減災(zāi)工作。