湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫設(shè)計與應(yīng)用

霍芳HUO Fang；楊帆YANG Fan；鐘飛ZHONG Fei；曾洋ZENG Yang；甘克平GAN Ke-ping

（①湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，武漢 430034；②武漢愛迪科技股份有限公司，武漢 430034）

0 引言

數(shù)據(jù)是事物本質(zhì)的外在體現(xiàn)，有必要從全局出發(fā)規(guī)劃數(shù)據(jù)體系[1]。數(shù)據(jù)庫的規(guī)范建設(shè)在地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警工作中占據(jù)著重要的地位。世界各國都非常重視地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的收集以及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建設(shè)等問題的研究。國外對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的研究起步較早，研究比較成熟；與之相比，國內(nèi)這方面的研究則相對欠缺[2]。

湖北省是中國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)省份之一，地質(zhì)災(zāi)害種類多、分布廣、危害大[3]。大部分地質(zhì)災(zāi)害的誘因都包括降水災(zāi)害，對降水災(zāi)害的預(yù)測是對其他地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的前提[4]，因此，地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警工作是湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治的有效手段。湖北省自2003 年以來，利用武漢中心氣象臺提供的降雨數(shù)據(jù)，開展了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報工作。2019-2021 年，宜昌市、荊門市等13 個市（州）和神農(nóng)架林區(qū)建設(shè)了地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，初步建立了市（州）級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警體系。通過梳理以往歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，省級和各市州級數(shù)據(jù)庫較為獨立，數(shù)據(jù)存儲格式、形式都不同，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)、互通、互用，因此需要整合現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，從而提高預(yù)警數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高數(shù)據(jù)共享和利用效率。

本文結(jié)合湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警業(yè)務(wù)需求，在分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)標準的基礎(chǔ)之上，制定一套符合湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警工作實際情況的數(shù)據(jù)標準規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了宜昌、荊門和神農(nóng)架林區(qū)等9 個市（州）級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)以及對應(yīng)的APP 應(yīng)用。

1 預(yù)警工作方法

地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警是在把地質(zhì)環(huán)境條件和人類工程活動結(jié)果作為災(zāi)害發(fā)生前已存在背景下，研究降雨工況下災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險性。目前地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警工作采用的是第二代預(yù)警方法——顯式統(tǒng)計法開展氣象預(yù)警工作。具體預(yù)警制作方法為：采用劉傳正教授的潛勢度理論[5]，根據(jù)歷史降雨型災(zāi)害和氣象條件研究，結(jié)合潛勢度，模擬反演創(chuàng)建預(yù)警模型（回歸方程），再帶入實況和預(yù)報雨量值（即雨量數(shù)據(jù)）進行地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險值計算得到預(yù)警結(jié)果，然后對預(yù)警結(jié)果進行預(yù)警發(fā)布和響應(yīng)反饋工作。地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警工作流程如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警工作流程圖

1.1 預(yù)警模型

預(yù)警模型是采用地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因素的概率量化模型預(yù)警方法對研究區(qū)進行災(zāi)害風(fēng)險研究[6]。具體創(chuàng)建流程為：首先對預(yù)警區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害點等基礎(chǔ)資料進行收集，對數(shù)據(jù)進行初步整理。篩選與降雨有關(guān)隱患點創(chuàng)建隱患點圖層，確定地質(zhì)環(huán)境影響因子，創(chuàng)建因子圖層，選取預(yù)警單元。通過對因子量化、因子權(quán)重確定計算潛勢度值，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級劃分基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)方法分析確定各等級區(qū)的降雨閾值，再利用邏輯回歸模型建立的災(zāi)害發(fā)生概率預(yù)報模型[7]，主要包含的數(shù)據(jù)有：圖層數(shù)據(jù)、隱患點信息模型參數(shù)及潛勢度圖層等。

1.2 預(yù)警結(jié)果

預(yù)警結(jié)果主要是通過預(yù)警模型數(shù)據(jù)疊加雨量數(shù)據(jù)計算得到的預(yù)警結(jié)果數(shù)據(jù)，以及根據(jù)預(yù)警結(jié)果所進行的預(yù)警發(fā)布及響應(yīng)反饋等記錄。

2 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫總體設(shè)

2.1 基本要求

湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫設(shè)計可分為概念設(shè)計、邏輯設(shè)計和物理設(shè)計三個階段。在設(shè)計和建設(shè)數(shù)據(jù)庫時應(yīng)遵循以下幾點要求：①遵循最小冗余度原則，對大量的數(shù)據(jù)體要用非冗余結(jié)構(gòu)進行定義；②在插入、修改和刪除數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、相互之間的關(guān)系和從屬性應(yīng)保持不變；③數(shù)據(jù)庫要具有獨立性，數(shù)據(jù)存放盡可能地獨立于使用它的應(yīng)用程序；④要具有不斷擴充和更新的能力。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫建設(shè)的內(nèi)容主要包括雨量數(shù)據(jù)、預(yù)警模型數(shù)據(jù)、預(yù)警結(jié)果記錄、預(yù)警發(fā)布記錄和響應(yīng)反饋記錄。通過構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)規(guī)范，形成湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)信息模型（如圖2 所示）。

圖2 數(shù)據(jù)信息模型圖

2.3 分類編碼

編碼是給每一種要素分配一個唯一的標識符，從而更好的實現(xiàn)預(yù)警結(jié)果記錄到雨量數(shù)據(jù)、預(yù)警模型數(shù)據(jù)、預(yù)警發(fā)布記錄和響應(yīng)反饋記錄的互聯(lián)互通。在編碼的過程中要遵循兼容性：對于國家已經(jīng)頒布實施的標準應(yīng)直接引用，充分引用有關(guān)行業(yè)及湖北省頒布的地方標準；完整性和可擴充性[8]。編碼結(jié)構(gòu)應(yīng)留有適當?shù)臄U充余地，以便在必要時擴充新的類別代碼且不影響已有的分類和代碼[9]。主要有數(shù)據(jù)ID 編碼、潛勢度圖層名稱編碼和預(yù)警結(jié)果圖層名稱三個核心字段編碼。

①數(shù)據(jù)ID 編碼：由0-9 或a-f 范圍內(nèi)的一個十六進制數(shù)，主要用于唯一標識一條數(shù)據(jù)記錄的無意義字符串，字段長度32 位，是由計算機自動生成的GUID，在一條數(shù)據(jù)記錄的整個存續(xù)周期內(nèi)不得修改。

②潛勢度圖層名稱編碼和預(yù)警結(jié)果圖層名稱編碼：兩者編碼規(guī)則一致。潛勢度圖層名稱編碼用于唯一標識一個潛勢度圖層。預(yù)警結(jié)果圖層名稱編碼用于唯一標識一個預(yù)警結(jié)果圖層。字段長度24 位，“_”算一位。如圖3 所示。

圖3 圖層代碼結(jié)構(gòu)

第一碼段3 位，為圖層類型編碼。第二碼段14 位，為時間編碼。第三碼段5 位，是計算機自動生成的唯一編碼。例如：QSD_20211120121024_15207，表示2021 年11 月20日12 點10 分24 秒計算生成的潛勢度圖層。JGT_20211207114509_01234，表示2021 年12 月7 日11點45 分9 秒計算生成的預(yù)警結(jié)果圖層。

3 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫詳細設(shè)計

3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是將需求分析階段得到的用戶需求及數(shù)據(jù)需求抽象為開發(fā)人員及用戶能理解的概念模型的過程，它是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]。概念模型是現(xiàn)實世界到信息世界的抽象, 具有獨立于具體的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的優(yōu)點，是用戶和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員進行交流的語言[11]。通過對地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)信息的抽象和分析，得到湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型

3.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

將數(shù)據(jù)庫層次化概念模式轉(zhuǎn)換成以DBMS 邏輯數(shù)據(jù)表示的邏輯模式[12]。該設(shè)計階段的任務(wù)是把數(shù)據(jù)庫模型圖轉(zhuǎn)成為與地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警實際數(shù)據(jù)相符合的邏輯結(jié)構(gòu)。湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫是屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化集合，是屬性數(shù)據(jù)以字符形式，空間數(shù)據(jù)以圖層形式組織的數(shù)據(jù)集，主要包括以下數(shù)據(jù)。

3.2.1 預(yù)警結(jié)果信息表

用于存儲和管理地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警結(jié)果的數(shù)據(jù)，是整個地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫的主表。

3.2.2 雨量數(shù)據(jù)類

用于進行預(yù)警計算的雨量數(shù)據(jù)，由雨量站點、預(yù)報雨量數(shù)據(jù)、實況雨量數(shù)據(jù)和QPF 網(wǎng)格映射組成。通過預(yù)警時間與預(yù)警結(jié)果信息表關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從預(yù)警結(jié)果到雨量數(shù)據(jù)的快速檢索。

3.2.3 預(yù)警模型信息表

用于存儲和管理預(yù)警模型包含的模型名稱、預(yù)警網(wǎng)格圖層名稱、隱患點圖層名稱、潛勢度圖層名稱等關(guān)鍵信息，通過潛勢度圖層名稱實現(xiàn)從預(yù)警結(jié)果到預(yù)警模型數(shù)據(jù)的快速檢索。

3.2.4 預(yù)警發(fā)布記錄類

用于存儲和管理預(yù)警發(fā)布環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，包括審批流程表和短信發(fā)送表。通過預(yù)警結(jié)果圖層名稱與與預(yù)警結(jié)果信息表關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從預(yù)警結(jié)果到預(yù)警發(fā)布數(shù)據(jù)的快速檢索。

3.2.5 響應(yīng)反饋記錄類

用于存儲和管理響應(yīng)反饋環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，包括響應(yīng)反饋信息表、災(zāi)險情登記表和隱患點穩(wěn)定性趨勢表。通過預(yù)警結(jié)果圖層名稱與預(yù)警結(jié)果信息表關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從預(yù)警結(jié)果到響應(yīng)反饋數(shù)據(jù)的快速檢索。

3.3 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫在物理設(shè)備上的存儲結(jié)構(gòu)與存取方法稱為數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)[13]。物理設(shè)計階段的主要任務(wù)是針對已經(jīng)確定的邏輯結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的技術(shù)方法，對數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存放位置及存儲分配方案等進行合理規(guī)劃[14]。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)采用Sql Server 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和ArcGIS 地理信息平臺進行數(shù)據(jù)管理。湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表包括QPF 網(wǎng)格映射表、網(wǎng)格預(yù)報雨量表等13 種表結(jié)構(gòu)（如表1 所示），空間數(shù)據(jù)包括隱患點圖層、預(yù)警網(wǎng)格圖層等14 種空間圖層（如表2 所示）。

表1 數(shù)據(jù)庫表清單

表2 空間圖層清單

4 數(shù)據(jù)庫功能和應(yīng)用

宜昌市、隨州市等9 個市州級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)是基于數(shù)字地質(zhì)信息化成果開發(fā)的，其數(shù)據(jù)庫基于SQLServer2008 和Arcgis 數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建，可以高效調(diào)整規(guī)模，具有IT 效率高、靈活管理多服務(wù)器、處理復(fù)雜事件能力強能進行數(shù)據(jù)捕獲（CDC）等強大功能[15]。Arcgis 在數(shù)據(jù)管理上能實現(xiàn)集分析、測繪、構(gòu)圖為一體的空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建[16]。系統(tǒng)建立了集雨量數(shù)據(jù)管理、模型管理、預(yù)警制作、發(fā)布、響應(yīng)、信息反饋功能于一體的閉合的汛期地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警響應(yīng)功能。目前大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害信息管理系統(tǒng)是通過傳統(tǒng)的PC 客戶端訪問網(wǎng)站的方式來進行管理，實時性、交互性差，操作不方便，嚴重影響管理效率和管理水平[17]。隨著4G 甚至5G 智能手機的普及，建立基于移動平臺的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警管理APP 已是大勢所趨，可以使相關(guān)人員在任何時間、任何地點輕松辦公，這將提高日常工作效率和溝通、協(xié)作效率[18]?；诖?，地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警系統(tǒng)也采用移動端APP 進行預(yù)警審批和響應(yīng)反饋設(shè)計，其主要功能有：預(yù)警成果、預(yù)警反饋、預(yù)警審批等。

預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)為氣象風(fēng)險預(yù)警技術(shù)人員提供更優(yōu)質(zhì)、更便捷的操作應(yīng)用，也為各市州及時準確制作和發(fā)布預(yù)警信息提供了技術(shù)支撐。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫規(guī)范構(gòu)建了各系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過兩年多來的運行，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)庫之間共享和利用化程度高，能夠清晰反映地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)信息，在汛期及時準確發(fā)布的預(yù)警數(shù)據(jù)信息，為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供了效力。

5 結(jié)語

從2004 年開始至今，我省和各市（州）已建設(shè)形成了一套較完善的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險工作機制，建立了省市兩級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)以及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，保障了省、市（州）兩級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警工作的順利開展，積累了較豐富的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警工作經(jīng)驗，然而各級數(shù)據(jù)庫沒有標準規(guī)范進行統(tǒng)一，為數(shù)據(jù)分享和利用帶來阻礙。

本文通過建立規(guī)范化的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)信息的完整統(tǒng)一，規(guī)范了預(yù)警結(jié)果信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中存儲及資料的完整，保障了全省和各市州地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警信息的互聯(lián)互通，為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警工作成果，全面提升我省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警水平提供支撐。

根據(jù)湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警數(shù)據(jù)庫設(shè)計，開發(fā)了宜昌市、隨州市等9 個市州級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，通過實際上線，系統(tǒng)運行流暢穩(wěn)定，數(shù)據(jù)庫兼容性及利用率較高。通過預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布了市級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險精細化預(yù)警產(chǎn)品300 余期，發(fā)送預(yù)警短信九萬余人次，成功預(yù)報了秭歸縣歸州鎮(zhèn)小巖頭滑坡和隨州2021 年8 月12 日特大暴雨引發(fā)的149 起地質(zhì)災(zāi)害等，得到了地方保護站和自然資源部門的肯定，取得了良好的社會效益。