山東省地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)與功能簡介

山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心 沙令寶 張曄 魏嘉 王慶兵 賀敬

在近年來山東省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、省氣象提供數(shù)據(jù)精度提高及省自然資源廳與省氣象局地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作的不斷深入基礎(chǔ)上，我們開展了山東省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警預(yù)報研究，并進(jìn)行了山東省地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)。在構(gòu)建山東省地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)中采用面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)(SOA)，采用SOA 架構(gòu)將數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行發(fā)布，能更好地實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的集成，及更好的可擴展性與兼容性[1]。

1 山東省地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)

在資料搜集分析的基礎(chǔ)上，我們先后開展了預(yù)警預(yù)報方法研究和模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)、預(yù)警模型驗證、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試等工作。

（1）資料收集與數(shù)據(jù)開發(fā)：在多年地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作的基礎(chǔ)上，收集并整理了全省區(qū)域性地質(zhì)、歷年來地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評價、全省三維公共信息平臺數(shù)據(jù)、地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等基礎(chǔ)資料；收集全省自然地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、人類工程活動數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)；收集并整理了有資料記載以來的地震、降水、山洪災(zāi)害、土壤有關(guān)圖件及各類規(guī)劃圖等資料。

省氣象臺研發(fā)了與精細(xì)化預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸格式及系統(tǒng)運算方式相匹配的雨量站點實時降水?dāng)?shù)據(jù)、全省地質(zhì)災(zāi)害隱患點未來24h、12h、6h 預(yù)報降水量、全省定量降水落區(qū)集合預(yù)報、精細(xì)化格點預(yù)報等高精度數(shù)據(jù)，滿足地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報工作的需求。

所收集資料均來自國土資源、水利、各地勘單位以及氣象、地震等部門。

（2）預(yù)警預(yù)報方法研究和模型構(gòu)建：本次在多年全省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作的基礎(chǔ)上，對精細(xì)化預(yù)警預(yù)報方法進(jìn)行了深入研究，確定了參與計算的因子數(shù)據(jù)以及各因子在預(yù)警計算時的權(quán)重值和致災(zāi)營力值，構(gòu)建了預(yù)警模型。選取了國內(nèi)主流的信息量和證據(jù)權(quán)算法以及山東省前期經(jīng)過大量研究和實踐的歸一化算法進(jìn)行研究，通過3 種算法預(yù)警結(jié)果對比分析，確定并檢驗了本次增加了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子、提供多種預(yù)警模型算法、擴大了降雨數(shù)據(jù)來源的歸一化算法為最適合山東省情的、可在日后應(yīng)用于全省地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報運行的預(yù)警預(yù)報法[2]。模型算法基于致災(zāi)因子和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性分析，邏輯合理，符合山東實際。

（3）數(shù)據(jù)庫建設(shè)：根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報工作的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建了精細(xì)化預(yù)警預(yù)報數(shù)據(jù)庫，主要包括自然地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、致災(zāi)因子數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫建設(shè)參照國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)合理、滿足精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)需求。

（4）地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)：本次基于研究的地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警模型，構(gòu)建了地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)地理信息等模塊。

（5）預(yù)警模型驗證：基于前期山東省已經(jīng)發(fā)布的多年黃色預(yù)警數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)模型運算結(jié)果進(jìn)行模型驗證，保證了氣象預(yù)警工作的精度。

（6）系統(tǒng)集成：本次實現(xiàn)了系統(tǒng)的內(nèi)部集成、與山東省地質(zhì)環(huán)境信息化平臺等的集成，保證了各系統(tǒng)平臺之間的數(shù)據(jù)共享。

（7）系統(tǒng)測試：對系統(tǒng)各功能點進(jìn)行了測試。

2 山東省地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)功能簡介

基于地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警模型，構(gòu)建了地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)地理信息模塊、地質(zhì)災(zāi)害信息管理模塊、自動化監(jiān)測模塊、氣象信息模塊、預(yù)警分析模塊、預(yù)警信息發(fā)布模塊、應(yīng)急管理模塊、系統(tǒng)管理模塊等模塊。

2.1 基礎(chǔ)地理信息模塊

基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)，是地質(zhì)信息數(shù)據(jù)表達(dá)、可視化、查詢統(tǒng)計、分析計算的主要載體；三維GIS 模塊可以展示數(shù)據(jù)庫內(nèi)的本底數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息產(chǎn)品，集成各個業(yè)務(wù)應(yīng)用；實現(xiàn)面向地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)的GIS 和三維GIS 空間分析功能。

該模塊的功能包括：二維及三維GIS 基礎(chǔ)功能及信息服務(wù)；二維、三維空間數(shù)據(jù)可視化及瀏覽查詢。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害信息管理模塊

基于數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂縫調(diào)查表的信息維護(hù)、瀏覽、查詢和可視化。

2.3 自動化監(jiān)測模塊

自動化監(jiān)測模塊主要是集中傳感器數(shù)據(jù)采集、圖形化展示、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警管理等功能于一體，能夠?qū)崟r監(jiān)測位移、實時雨量、災(zāi)害體內(nèi)部外部位移以及視頻監(jiān)控等重要地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測參數(shù)。通過將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并進(jìn)行綜合比較分析。把相關(guān)參數(shù)統(tǒng)一呈現(xiàn)在相同時間軸的曲線上，根據(jù)圖形曲線得出各類災(zāi)害體運行數(shù)據(jù)的時間和空間的相關(guān)性，并對災(zāi)害體健康狀況進(jìn)行綜合判斷。

本系統(tǒng)中地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測模塊主要是集成地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警平臺上的功能和數(shù)據(jù)，包括對監(jiān)測點、監(jiān)測設(shè)備的管理以及監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽和視頻可視化功能。自動化監(jiān)測模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為氣象預(yù)警提供輔助支撐，在編輯預(yù)警成果時可以綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)對預(yù)警結(jié)果進(jìn)行人為調(diào)整。通過設(shè)置不同類型災(zāi)害點的臨災(zāi)閾值，構(gòu)建預(yù)警策略，實現(xiàn)了基于自動化實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的點對點預(yù)警預(yù)報，有效地提高了全省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警精度及地質(zhì)災(zāi)害防治工作水平[3]。

2.4 氣象信息模塊

包括降雨量查詢、實時雨量監(jiān)測、天氣預(yù)報、降雨等值線等的管理維護(hù)等功能。

2.5 預(yù)警分析模塊

預(yù)警分析模塊是本系統(tǒng)的核心模塊。預(yù)警分析模塊通過山東省地質(zhì)災(zāi)害分析模型，綜合考慮影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種因素，利用GIS 空間分析功能，進(jìn)行微分網(wǎng)格化計算，經(jīng)過空間柵格化處理生成單元致災(zāi)營力值，利用地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警預(yù)報軟件進(jìn)行條件追蹤，根據(jù)追蹤結(jié)果自動生成地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)。

預(yù)警分析提供3 種分析計算的方法，包括歸一化、信息量和證據(jù)權(quán)，用戶可根據(jù)需要選擇不同的計算方法以及對應(yīng)的易發(fā)性分區(qū)圖，系統(tǒng)默認(rèn)的是歸一化的計算方法。選擇好預(yù)警時間段后，系統(tǒng)自動查詢對應(yīng)日期的實際降雨量和預(yù)報降雨量，根據(jù)程序?qū)懞玫膶η捌诤皖A(yù)報降雨量進(jìn)行處理，然后插值計算生成降雨量柵格圖，根據(jù)預(yù)警計算的方法將易發(fā)性分區(qū)圖和降雨量柵格圖進(jìn)行疊加計算，生成預(yù)警結(jié)果圖，然后通過預(yù)警編輯功能可以對預(yù)警結(jié)果進(jìn)行編輯，同時疊加行政區(qū)劃、標(biāo)題、預(yù)報詞、圖例等生成最后可以發(fā)布的預(yù)警成果圖。

該模塊的功能如下：

（1）參數(shù)設(shè)置：在預(yù)警計算之前選好易發(fā)性分區(qū)圖和預(yù)警時間后，可根據(jù)不同的預(yù)警分析計算方法對自身、降雨等致災(zāi)營力數(shù)據(jù)和預(yù)警矩陣等進(jìn)行設(shè)置，可以由業(yè)務(wù)人員自定義設(shè)置，默認(rèn)的為設(shè)置好的參數(shù)，特殊情況需要手動調(diào)整參數(shù)的時候可以使用該功能調(diào)整。該模塊主要實現(xiàn)簽批流程、預(yù)警區(qū)域和預(yù)警模型的設(shè)置。預(yù)警矩陣的設(shè)置主要是在上傳信息量和證據(jù)權(quán)圖的時候會用到。

參數(shù)設(shè)置部分所有參數(shù)都為設(shè)置好的默認(rèn)參數(shù)，當(dāng)需要手動設(shè)置的時候可以根據(jù)需要手動設(shè)置。包括預(yù)警區(qū)域設(shè)置、易發(fā)性分區(qū)圖設(shè)置、預(yù)警矩陣設(shè)置和雨量站設(shè)置。

（2）預(yù)警分析計算：選擇預(yù)警時間后，進(jìn)行預(yù)警分析相關(guān)計算，包括自身、降雨等致災(zāi)營力數(shù)據(jù)的疊加計算等。

系統(tǒng)在預(yù)警分析計算時，在沒有突發(fā)強降雨天氣的情況下，系統(tǒng)后臺自動同步氣象局專網(wǎng)FTP 上的國家級氣象站以及區(qū)域氣象站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及未來24h 的預(yù)報降水量等數(shù)據(jù)；當(dāng)發(fā)生強降雨情況或者突發(fā)天氣情況時，預(yù)警人員可以手動導(dǎo)入精細(xì)化預(yù)報數(shù)據(jù)，利用精細(xì)化預(yù)報數(shù)據(jù)再進(jìn)行精細(xì)化預(yù)警計算。

（3）三維加載展示：將地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)加載到三維視圖上顯示。

（4）預(yù)警結(jié)果展示：自動生成預(yù)警分析原始結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 預(yù)警結(jié)果展示界面Fig.1 Display interface of alert results

（5）預(yù)警結(jié)果編輯：預(yù)警業(yè)務(wù)人員還可實現(xiàn)對預(yù)警區(qū)域的點、線、面手動編輯功能。

（6）預(yù)警信息描述：自動生成預(yù)警信息，預(yù)警業(yè)務(wù)人員可根據(jù)實際情況編輯修改信息內(nèi)容。

（7）預(yù)警結(jié)果報表：預(yù)警計算完成后，將預(yù)警結(jié)果與災(zāi)害點、群測群防點、行政區(qū)劃等進(jìn)行疊加分析，生成相應(yīng)的統(tǒng)計報表。

（8）綜合致災(zāi)營力查詢：已經(jīng)計算完成后，可以手動查詢某一點的致災(zāi)營力值，也可以自動查詢出最大致災(zāi)營力值并在三維球上定位到該點。

（9）預(yù)警成果：預(yù)警計算完成后，將預(yù)警原始結(jié)果與行政區(qū)劃等進(jìn)行疊加，添加預(yù)報詞，生成可用于發(fā)布的成果圖件。

（10）預(yù)警信息入庫：預(yù)警計算和制圖完成之后，即可將預(yù)警相關(guān)信息進(jìn)行入庫，預(yù)警信息進(jìn)入待簽批狀態(tài)。

2.6 預(yù)警信息發(fā)布模塊

預(yù)警發(fā)布模塊包括簽批流程設(shè)置、預(yù)警成果簽批和預(yù)警成果發(fā)布3 個功能。預(yù)警成果入庫之后，即進(jìn)入預(yù)警發(fā)布環(huán)節(jié)。

（1）簽批流程設(shè)置：管理員功能，可對每一個預(yù)警區(qū)域設(shè)置入庫成果消息接收人（簽批人）、發(fā)布人、短信發(fā)布接收人和郵件發(fā)布接收人。

（2）預(yù)警成果簽批。有權(quán)限簽批的業(yè)務(wù)人員，登陸系統(tǒng)后即可看到所有待簽批的預(yù)警信息，選擇一個預(yù)警結(jié)果后，可執(zhí)行“同意發(fā)布”“不同意發(fā)布”2 個簽批操作。

（3）預(yù)警成果發(fā)布。將經(jīng)過簽批的預(yù)警產(chǎn)品通過自然氣象專線FTP 上傳給省氣象臺，省氣象臺在山東衛(wèi)視晚間新聞等媒介對社會公眾進(jìn)行發(fā)布；并可通過中國移動云MAS 以短信方式對省自然資源廳相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、十六地市自然資源局相關(guān)人員及預(yù)警區(qū)內(nèi)群測群防員發(fā)布預(yù)警信息。另外還在山東省自然資源廳和山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心以網(wǎng)頁形式進(jìn)行發(fā)布。

（4）簽批日志管理。對預(yù)警結(jié)果的簽批文件和日志文件進(jìn)行管理。

2.7 應(yīng)急管理模塊

該模塊主要包括應(yīng)急分析、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置等功能模塊。

2.7.1 應(yīng)急分析

應(yīng)急信息立案后可以在應(yīng)急分析中看到該條應(yīng)急信息。并可以對災(zāi)害發(fā)生地點自動或手動劃定影響范圍，進(jìn)行氣象實況和預(yù)報信息分析，主要是實況雨量，天氣預(yù)報，雷達(dá)圖和云圖查看?？梢詫?zāi)害發(fā)生地區(qū)的地理信息進(jìn)行分析，主要有地質(zhì)災(zāi)害點、國道、省道、村莊等。系統(tǒng)可以根據(jù)相應(yīng)的圖層增加地理分析的內(nèi)容。

2.7.2 應(yīng)急預(yù)案

應(yīng)急預(yù)案是對年度防災(zāi)預(yù)案和應(yīng)急指揮預(yù)案進(jìn)行編輯查詢，以備應(yīng)急指揮啟動時調(diào)用。各級節(jié)點相關(guān)應(yīng)急預(yù)案方案進(jìn)行管理和查詢。

2.7.3 應(yīng)急處置

啟動應(yīng)急處置后，即調(diào)用預(yù)先制作的針對不同災(zāi)害類型和等級的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行應(yīng)急處置。在已經(jīng)建設(shè)好的視頻會議等軟硬件平臺的基礎(chǔ)上，應(yīng)用本系統(tǒng)的功能模塊。針對某一險情發(fā)起的會商，基于數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供會商中需要的各類信息，并將得出的建議（險情處置方案）與報告發(fā)送到相應(yīng)單位，為預(yù)警指揮、應(yīng)急決策提供一站式的輔助決策平臺。

2.8 系統(tǒng)管理模塊

該子系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)字典、業(yè)務(wù)人員信息、系統(tǒng)參數(shù)、統(tǒng)計參數(shù)等信息進(jìn)行維護(hù)，并記錄各業(yè)務(wù)人員相關(guān)操作。具體功能包括組織機構(gòu)和聯(lián)系人管理、用戶、角色及權(quán)限管理、日志管理、數(shù)據(jù)字典管理和其他信息管理。

引用

[1] 李忠權(quán),冷小鵬,梁軍.基于SOA的地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,45(5):606-614.

[2] 魏嘉.山東省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警預(yù)報方法對比研究[C]//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會.2017中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會科學(xué)與技術(shù)年會論文集(第三卷),北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2017:232-236.

[3] 魏嘉,張曄,魏園,等.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用[J].地礦測繪,2018,34(4):32-33.