肖麗 宋青玲 蔣明膵 黃玲 楊汐 余佼陽(yáng) 杜磊
摘要:目的:結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)在四川省防洪減災(zāi)中的應(yīng)用形式和實(shí)施策略,突出了大數(shù)據(jù)技術(shù)在防洪減災(zāi)中的創(chuàng)新性?xún)r(jià)值。過(guò)程:通過(guò)分析與暴雨洪澇災(zāi)害相關(guān)的因素,說(shuō)明四川省需要對(duì)洪災(zāi)進(jìn)行預(yù)測(cè)的根本原因,總結(jié)大數(shù)據(jù)技術(shù)與防洪減災(zāi)信息資源共享的必要性和重要性。方法:根據(jù)系統(tǒng)所收集的雨水大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)并提前向受災(zāi)地區(qū)預(yù)警,實(shí)時(shí)播報(bào)定位災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng),并接收災(zāi)害物質(zhì)運(yùn)輸?shù)奈恢谩=Y(jié)論:大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于實(shí)施四川省防洪減災(zāi)資源共享中的預(yù)測(cè)和監(jiān)控。
關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù);防洪減災(zāi)技術(shù);信息資源共享;四川省;災(zāi)害預(yù)警
中圖分類(lèi)號(hào):G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1009-3044(2022)09-0099-04
1 引言
四川盆地地處西南,四周環(huán)山,擁有豐富的水資源。隨著現(xiàn)代科技急速發(fā)展,城市的水文環(huán)境也隨之改變,城市暴雨洪澇成了人民群眾身邊最大的安全隱患,防洪工作情勢(shì)愈加嚴(yán)峻迫切。對(duì)比四川省在1998年和2020年所遭遇的兩次大型洪水,1998年受災(zāi)群眾達(dá)到0.3萬(wàn)人,直接經(jīng)濟(jì)損失123億元,而2020年無(wú)一人因洪水原因失蹤。由此可見(jiàn),大數(shù)據(jù)應(yīng)用在防洪減災(zāi)實(shí)踐中不可或缺。
2 研究現(xiàn)狀
2.1 大數(shù)據(jù)在防洪減災(zāi)中的應(yīng)用實(shí)例
2.1.1 GIS在防洪減災(zāi)的應(yīng)用
地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,以下簡(jiǎn)稱(chēng)GIS)[1]在大數(shù)據(jù)防洪調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)和抗災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用中起到了中流砥柱的作用。GIS技術(shù)將地球表層空間信息視覺(jué)化功能、地理分析功能和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)集成于一體化系統(tǒng),各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合度對(duì)于建設(shè)高質(zhì)量大數(shù)據(jù)防洪調(diào)度系統(tǒng)至關(guān)重要。
基于GIS技術(shù)搭建防洪信息平臺(tái)、決策支持平臺(tái),依靠GIS技術(shù)提供的圖形化信息服務(wù)和汛情自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行高效統(tǒng)一的防洪調(diào)度:
1)大數(shù)據(jù)平臺(tái)整合防洪防汛信息、氣象信息并結(jié)合地理環(huán)境構(gòu)建防洪模型。
2)實(shí)時(shí)監(jiān)控汛情,定期更新數(shù)據(jù)庫(kù),自動(dòng)觸發(fā)洪災(zāi)預(yù)警[2]。
3)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng):檢測(cè)洪水流域的各上游河段實(shí)時(shí)水量,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)3D建模,精準(zhǔn)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻本河段水位,若預(yù)測(cè)水位達(dá)到預(yù)警線,系統(tǒng)立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
2.1.2 LSTM在洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
1997年由Hochreiter和Schmidhuber共同提出了長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)[3],與傳統(tǒng)的循環(huán)神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)相比,LSTM的算法中新增一個(gè)名為cell的處理器,自動(dòng)判斷收集的洪水?dāng)?shù)據(jù)是否有用,降低了信息的冗余性。
LSTM應(yīng)用于洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)中,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深入研究和刪選,提前向相關(guān)機(jī)構(gòu)提供預(yù)估情況。相比長(zhǎng)期預(yù)期,短期預(yù)期的結(jié)果較為良好,風(fēng)險(xiǎn)被嚴(yán)重低估的地區(qū)僅占整個(gè)流域的0.98%。最終數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果可作為各大流域管理機(jī)構(gòu)的參考,有效的指導(dǎo)今后的防洪工作。
2.1.3 四川省在防洪減災(zāi)方面結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用實(shí)例
以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ),將防洪調(diào)度系統(tǒng)整合的數(shù)據(jù)信息以短信、4G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星傳送等多形式結(jié)合的方式把信息傳送至省水文局和流域局。通過(guò)水文信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)分析,主動(dòng)、及時(shí)、正確的對(duì)防洪形勢(shì)做出分析,對(duì)洪水暴發(fā)地域和趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào),判斷洪災(zāi)所經(jīng)流域的河流水位變化,并及時(shí)將洪災(zāi)預(yù)警信息反饋給當(dāng)?shù)卣?,做好抗洪?zhǔn)備。
3 大數(shù)據(jù)與防洪減災(zāi)實(shí)施策略
3.1 建設(shè)防洪調(diào)度數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),為水庫(kù)電站調(diào)度提供科學(xué)統(tǒng)籌的調(diào)度方案
于曉龍等人所研究的防洪調(diào)度一體化系統(tǒng),有效解決了數(shù)據(jù)處理能力低、多維化功能不全、資源共享能力弱等核心問(wèn)題,該系統(tǒng)在長(zhǎng)江流域范圍內(nèi)防洪預(yù)報(bào)的完美應(yīng)用驗(yàn)證了其可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)和擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[4]。
基于已有的防洪調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步編修和改良,使之更加契合四川省防洪減災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用。其中,數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是防洪調(diào)度系統(tǒng)的重要基石,空間和屬性數(shù)據(jù)信息的誤差率最低化是水利數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的基礎(chǔ)指標(biāo)。將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于防洪減災(zāi)中為水庫(kù)統(tǒng)籌調(diào)度提供了輔助性決策幫助,但由于水利領(lǐng)域大數(shù)據(jù)資源具有復(fù)雜性和多樣性,導(dǎo)致數(shù)據(jù)資料收集困難。所以需嚴(yán)格按照水利行業(yè)規(guī)范建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化數(shù)據(jù)信息資源共享系統(tǒng),為水庫(kù)電站調(diào)度提供科學(xué)統(tǒng)籌的調(diào)度方案。
3.2 制定四川省防洪減災(zāi)領(lǐng)域戰(zhàn)略
為了最大化發(fā)揮防洪調(diào)度系統(tǒng)的價(jià)值,四川省還需要制定相應(yīng)的戰(zhàn)略措施:
1)政府引領(lǐng):強(qiáng)化大數(shù)據(jù)在四川省防洪減災(zāi)應(yīng)用的政策支持。
2)人才培養(yǎng):積極引用新技術(shù)和高層次人才,重視內(nèi)外專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)、人才再教育等。
3)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn):以完善防洪減災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)和培養(yǎng)相關(guān)人才為戰(zhàn)略基礎(chǔ),由政府引導(dǎo),為四川省制定防洪減災(zāi)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略,規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和格式范例[5],助力四川省防洪抗洪事業(yè)的發(fā)展。
3.3 整合遠(yuǎn)程預(yù)警站點(diǎn),為群眾生命財(cái)產(chǎn)筑起最后一道防線
當(dāng)水量超過(guò)水庫(kù)電站自動(dòng)調(diào)度的范圍,則無(wú)法使用預(yù)泄騰庫(kù)和錯(cuò)峰調(diào)度來(lái)避免洪水帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失。自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)[6]能夠?qū)h(yuǎn)程預(yù)警站點(diǎn)進(jìn)行整合,提前推演出洪災(zāi)區(qū)域內(nèi)已經(jīng)關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)程預(yù)警設(shè)備并發(fā)出信號(hào),提醒當(dāng)?shù)厥忻癖M快轉(zhuǎn)移,為群眾生命財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題提供最后一道強(qiáng)有力的保障。
4 創(chuàng)新點(diǎn)
4.1基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的四川省防洪減災(zāi)救援形式創(chuàng)新
4.1.1綜合態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè),防范洪澇災(zāi)害
2014年正式掛牌成立的四川省應(yīng)急測(cè)繪防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)工程中心,是由四川眾多組織、高校共同聯(lián)合創(chuàng)立,中心的建立標(biāo)志著四川省在防災(zāi)減災(zāi)、獲取災(zāi)區(qū)地理信息、災(zāi)情預(yù)警等多方面已經(jīng)有了較為完善的機(jī)構(gòu)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)。
水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]主要是采集水域聚集點(diǎn)和洪災(zāi)多發(fā)地區(qū)進(jìn)行降雨量、水位、流速等數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸,在系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和深入挖掘,以此提升水庫(kù)、河道等水流聚集流域?qū)樗膽?yīng)急處理能力,最大限度的發(fā)揮自動(dòng)報(bào)警功能。除此之外,水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有一項(xiàng)特殊的技術(shù)——測(cè)繪技術(shù)[8],可以進(jìn)行水位、水溫、水質(zhì)的測(cè)量,影像錄制以及GPS定位,并將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)、影像等信息精確高效的傳遞到系統(tǒng)中,它在使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分布更廣的同時(shí)有效降低工作人員的工作量,達(dá)到事半功倍的效果。
4.1.2專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持,深度數(shù)據(jù)分析
衛(wèi)星遙感技術(shù)由于其自身具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、適應(yīng)性強(qiáng)、獲得信息量大且高效、避免環(huán)境干擾的特點(diǎn),有效地解決了部分地區(qū)缺乏專(zhuān)業(yè)、系統(tǒng)的技術(shù)援助和數(shù)據(jù)的分析、處理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。在2018年7月,四川省采用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)水體要素進(jìn)行監(jiān)測(cè),在此次監(jiān)測(cè)中,系統(tǒng)將遙感一號(hào)的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入和復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換,進(jìn)行了多維度、多角度的影像分析對(duì)比,完成了16個(gè)縣(市)的洪澇數(shù)據(jù)專(zhuān)題圖的制作,估算出洪災(zāi)的影響范圍,對(duì)政府及時(shí)提出支援政策做出了強(qiáng)有力的支撐[9]。
以物聯(lián)網(wǎng)、北斗作為基礎(chǔ),以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)為技術(shù)支撐,所研發(fā)的基于北斗定位的人工智能水文環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)[10]可依靠傳感器采集水溫信息,同時(shí)利用傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信等多種專(zhuān)業(yè)化技術(shù)將自然界采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換,并采用DSP數(shù)字處理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸,最終以模擬數(shù)字的形式上傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過(guò)決策樹(shù)、隨機(jī)森林等深度學(xué)習(xí)算法,更深層次的剖析數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)分類(lèi)存儲(chǔ),以便在未來(lái)的災(zāi)難預(yù)測(cè)中重復(fù)利用,使其發(fā)揮更大的作用。
4.1.3避災(zāi)救援輔助決策,多部門(mén)聯(lián)通指揮調(diào)度
災(zāi)難發(fā)生時(shí),精準(zhǔn)定位受災(zāi)地,準(zhǔn)確把控受災(zāi)實(shí)況,快速提出應(yīng)對(duì)方案無(wú)疑是搶險(xiǎn)成功必不可少的條件。在《十三五防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃》中,提出四川省要積極建設(shè)省、市、鄉(xiāng)、縣四級(jí)救災(zāi)物資分級(jí)儲(chǔ)備,并建立人員、資源管理體系,要求做對(duì)受災(zāi)人員的初級(jí)救治基本保證在災(zāi)難發(fā)生的12小時(shí)內(nèi)。爭(zhēng)取在2020年實(shí)現(xiàn)多部門(mén)聯(lián)合、統(tǒng)一調(diào)動(dòng)、信息共享、資源統(tǒng)籌的機(jī)制,加強(qiáng)河道洪水預(yù)警、城市洪澇預(yù)警、山洪等自然災(zāi)害提前預(yù)警,建設(shè)多平臺(tái)、多終端的應(yīng)急預(yù)警體系。
專(zhuān)業(yè)人員可以通過(guò)水文監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)觀測(cè)到受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀況和救援物資運(yùn)送位置、狀況等信息,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)救援情況進(jìn)行云控制,多部門(mén)統(tǒng)一調(diào)配,使救援工作有序高效地進(jìn)行。與此同時(shí),可派出無(wú)人機(jī)對(duì)人的生命跡象進(jìn)行監(jiān)測(cè)搜尋,一旦發(fā)現(xiàn)需要搶救的人員第一時(shí)間傳回定位信息,并做出指令安排救援行動(dòng)。消防隊(duì)、中國(guó)人民解放軍、醫(yī)療救護(hù)隊(duì)等組織和部門(mén)災(zāi)前、中、后專(zhuān)人調(diào)動(dòng)、統(tǒng)一指揮 ,確保指令暢通,救援撤退有序高效地進(jìn)行。
4.2基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的四川省防洪減災(zāi)信息資源共享創(chuàng)新
4.2.1 數(shù)據(jù)共建共享,預(yù)防洪澇災(zāi)害
互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用使個(gè)人信息很容易被別人查詢(xún)掌握。然而,共享數(shù)據(jù)資源并沒(méi)有在社會(huì)中得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。多數(shù)大型品牌企業(yè)都單獨(dú)擁有一套內(nèi)部系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的源代碼,便于存儲(chǔ)公司或組織的機(jī)密文件,保護(hù)企業(yè)各項(xiàng)資源。與外界合作時(shí),也僅僅是提供了他們所開(kāi)發(fā)的集成系統(tǒng)而非源代碼,最終造成信息孤島[11]的現(xiàn)象,各部門(mén)之間的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立,不能共享,導(dǎo)致大規(guī)模的數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。面臨突如其來(lái)的洪災(zāi),卻無(wú)能為力。
為了解決這一問(wèn)題,提出了建立安全的洪災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的集成與利用,形成數(shù)據(jù)信息資源共享模式,加強(qiáng)各部門(mén)間的通訊和溝通,共享防洪信息的方法。多方面攜手合作,共同努力遏制洪災(zāi)。
4.2.2 信息互惠互通,掌握災(zāi)難實(shí)況
大數(shù)據(jù)平臺(tái)不僅能對(duì)洪澇災(zāi)害提前預(yù)警,還能在救災(zāi)搶險(xiǎn)中產(chǎn)生巨大的作用。通過(guò)“3S”技術(shù)(又稱(chēng)地球空間信息技術(shù),包括GIS、GPS和RS)[12]建立數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu),在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù),進(jìn)行量化處理,搭建災(zāi)情分析模型,進(jìn)行災(zāi)情靜態(tài)的評(píng)估,計(jì)算出經(jīng)濟(jì)方面的損失。在運(yùn)送防洪物資的過(guò)程中,RS技術(shù)能夠清楚地了解運(yùn)送過(guò)程中物資的形狀等屬性,與GPS相結(jié)合還能同時(shí)獲得防洪物資的運(yùn)送情況。
洪水退去之后遺留的土壤和淤泥中含有大量細(xì)菌,其中可能包括細(xì)菌和霉菌孢子[13],會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生很大的影響。GIS技術(shù)能夠統(tǒng)計(jì)消毒的區(qū)域范圍,并反饋給系統(tǒng),提示人們對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行消毒處理,以免造成二次傷害。上述GIS、GPS和RS技術(shù)應(yīng)用圖分別見(jiàn)圖2中的圖a、b、c。
5 研究?jī)r(jià)值
在四川每年暴雨后的汛期,當(dāng)?shù)厝藛T和經(jīng)濟(jì)都遭受了巨大損失。隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能移動(dòng)設(shè)備的普及,將物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)與防洪減災(zāi)結(jié)合也是社會(huì)發(fā)展的一大趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)氣象、水質(zhì)、地殼運(yùn)動(dòng)等數(shù)據(jù)的收集、整理,建立四川省洪澇災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的剖析、挖掘,在洪水來(lái)臨前提前預(yù)警,降低傷亡指數(shù)。災(zāi)難來(lái)臨時(shí),及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)的影像數(shù)據(jù),監(jiān)控并了解當(dāng)前的災(zāi)難狀況,相關(guān)人員針對(duì)不同的情況做出相應(yīng)的策略和戰(zhàn)力部署進(jìn)行搶救并運(yùn)輸物資,提升救援效率。
例如,四川瀘縣防汛部門(mén)對(duì)歷年的汛期資料進(jìn)行分析,總結(jié)得出能夠?qū)樗M(jìn)行提前預(yù)警的相應(yīng)水位法[14]。該方法通過(guò)分析上斷面時(shí)刻水位、洪水起漲時(shí)刻河床的流水量、受壓程度、河床沖淤變化等參數(shù),預(yù)報(bào)下斷面在未來(lái)某時(shí)刻的水位。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀘縣幾大重要河流流域的洪水進(jìn)行早期預(yù)警。
2020年的汛期對(duì)四川樂(lè)山、成都、廣元、綿陽(yáng)等多個(gè)市區(qū)造成了嚴(yán)重的影響,城市的暴雨洪澇[15]是人民群眾身邊最具大面積破壞性的災(zāi)難之一?;贏RMT技術(shù),集成雷達(dá)回波技術(shù),來(lái)監(jiān)測(cè)云層的厚度估算出降雨的強(qiáng)度,結(jié)合CCTV圖像采集,將信息反饋給大眾。通過(guò)集成氣象雷達(dá)和相關(guān)的監(jiān)測(cè)設(shè)備,監(jiān)控城市洪水。上述ARMT技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖3。
6 發(fā)展前景
防洪減災(zāi)是人類(lèi)社會(huì)為了減少災(zāi)害損失,而對(duì)自然或非自然災(zāi)害提前預(yù)警和防護(hù)的方法,需要有組織有計(jì)劃有節(jié)奏地進(jìn)行。因時(shí)因地制宜,一對(duì)一的制定四川各市區(qū)防洪防災(zāi)的計(jì)劃,它既要遵循自然規(guī)律,又要順應(yīng)時(shí)代趨勢(shì)。將收集到的水文數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)、完整的反饋給系統(tǒng),搭建合適的計(jì)算模型,不僅能夠?qū)闉?zāi)進(jìn)行提前預(yù)警,還能夠在災(zāi)難發(fā)生時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,在有序框架下指導(dǎo)防洪備災(zāi)過(guò)程,盡最大努力將災(zāi)難最小化,有助于社會(huì)的安全發(fā)展。
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