基于數(shù)據(jù)融合分析的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估、預(yù)警防控及安全應(yīng)急技術(shù)研究

葉飛YE Fei；張衎ZHANG Kan；楊勇軍YANG Yong-jun

（核工業(yè)贛州工程勘察設(shè)計集團(tuán)有限公司，贛州 341000）

1 概述

目前，全國范圍內(nèi)的自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查前期工作已基本完成，普查數(shù)據(jù)繁多、內(nèi)容廣泛、形式多樣，全面涵蓋地質(zhì)、地震、水旱、氣象、森林火災(zāi)等災(zāi)害信息，但是對于如何高效使用普查數(shù)據(jù)，發(fā)揮風(fēng)險普查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺的作用，推進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警防控常態(tài)化運(yùn)行等問題尚處于摸索階段，針對不同類型的地質(zhì)災(zāi)害如何進(jìn)行有效的“災(zāi)前防治”以及“災(zāi)后救援”成了一個亟待解決的問題。

為此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，謝代連[1]基于前人的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作經(jīng)驗，將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了歸納，同時闡述了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的具體應(yīng)用。王文[2]等基于我國自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化工程建設(shè)現(xiàn)狀及國際發(fā)展趨勢，開展系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵要素分析，提出六大“關(guān)鍵要素”以及五大“業(yè)務(wù)能力”，同時提出信息技術(shù)和應(yīng)急業(yè)務(wù)深度融合的建設(shè)模式，構(gòu)建重大風(fēng)險全覆蓋的多層級自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系。唐飛[3]基于第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查應(yīng)急管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)省級質(zhì)量檢查工作實踐，總結(jié)質(zhì)量檢查的內(nèi)容與方法，分析質(zhì)量問題及產(chǎn)生原因，并提出切實可行的質(zhì)量控制措施，為提升自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了指導(dǎo)性建議。羅丹[4]針對我國在自然災(zāi)害應(yīng)急管理中存在的諸多問題進(jìn)行總結(jié)以及具體分析，并針對每一問題提出相應(yīng)的解決對策，對我國自然災(zāi)害應(yīng)急管理的宏觀建設(shè)具有指導(dǎo)意義。Qian[5]依托大數(shù)據(jù)平臺，構(gòu)建基于關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理體系。在應(yīng)急管理系統(tǒng)的仿真試驗中，結(jié)果表明該系統(tǒng)在理論上是可行的。應(yīng)用于實際災(zāi)害應(yīng)急管理時，相關(guān)部門的處理速度提高了59.4%，人員和物資的配置更加合理。

目前我國突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理、區(qū)劃評估、防控理論及應(yīng)急救援方面的研究基礎(chǔ)較為薄弱，應(yīng)急管理技術(shù)及應(yīng)急救援技術(shù)的研究相對滯后?；诖?，本文提出了一種多災(zāi)種成災(zāi)機(jī)理及其安全應(yīng)急管理研究模式，將高水平的理論分析、高新技術(shù)及交叉綜合技術(shù)實驗手段進(jìn)行融合，為普查成果應(yīng)用于安全城市、韌性城市建設(shè)與管理工作提供了新思路，為智慧城市、城市大腦等城市管理信息化平臺提供支撐。

2 研究方法以及技術(shù)路線

基于全國各地的自然災(zāi)害普查結(jié)果以及各災(zāi)害區(qū)域原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對滑坡、泥石流、坍塌、地裂縫、塌方等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，本文提出“三大板塊、四種方法、兩組模型”的安全應(yīng)急研究路線。

融合自然災(zāi)害風(fēng)險普查庫以及原位綜合觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先進(jìn)行突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前孕育規(guī)律與特征以及不同類型災(zāi)害孕育的前兆活動規(guī)律與特征研究，構(gòu)建突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害三維可視化信息模型，而后運(yùn)用聚類分析與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立災(zāi)害強(qiáng)弱程度的定量表征及風(fēng)險區(qū)劃模型，同時對重點(diǎn)隱患區(qū)域進(jìn)行實時微震監(jiān)測[6]；建立突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害超前識別預(yù)警方法，提出基于不同災(zāi)害類型演化規(guī)律的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害孕育動態(tài)防控方法；基于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害三維可視化信息模型，發(fā)展地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)變化關(guān)聯(lián)算法與避災(zāi)/救援路線拼接算法，形成突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害信息采集—融合—反饋—調(diào)整“四位一體”互動救援體系（圖1）。

圖1 技術(shù)路線圖

3 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估、預(yù)警防控及安全應(yīng)急技術(shù)總體研究路線

地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估、預(yù)警防控及安全應(yīng)急管理研究的“三大板塊”由突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)隱患區(qū)域災(zāi)害等級定量表征及區(qū)劃評估、基于監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警及防控方法、基于三維可視化信息模型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程互動救援體系研究三部分組成，其中包含了“四種方法”以及“兩種模型”。

3.1 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)隱患區(qū)域災(zāi)害等級定量表征及評估區(qū)劃

3.1.1 基于三維可視化信息模型的突發(fā)性災(zāi)害區(qū)劃評估模型

以自然災(zāi)害綜合普查結(jié)果以及各災(zāi)害區(qū)域原位監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定重點(diǎn)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域，及潛在的風(fēng)險事件類型，確定其可能出現(xiàn)的位置區(qū)域，并以該區(qū)域作為風(fēng)險評估單元，實時預(yù)測或估計該評估單元內(nèi)潛在風(fēng)險事件發(fā)生的可能性，并估計該風(fēng)險事件可能造成的各類潛在后果損失，在此基礎(chǔ)上確定風(fēng)險等級，評價單元內(nèi)的風(fēng)險水平。

同時基于三維BIM 軟件Revit[7]進(jìn)行地質(zhì)信息模型三維建模，以三維圖形和數(shù)據(jù)庫信息集成技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)重點(diǎn)隱患災(zāi)害區(qū)地質(zhì)信息、構(gòu)造信息、監(jiān)測信息的三維可視化。實現(xiàn)上數(shù)據(jù)在三維巖土工程信息模型中的實時拾取與輸入，在信息模型中對不同風(fēng)險概率、風(fēng)險等級地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分區(qū)表征，從而直觀體現(xiàn)不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的影響范圍、作用程度與持續(xù)時間，重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域風(fēng)險動態(tài)劃分。如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)隱患區(qū)劃評估流程圖

3.1.2 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)弱程度動態(tài)定量化表征方法

由于地質(zhì)災(zāi)害在時空上一直處于動態(tài)變化的狀態(tài)，隨著時間和人為因素的變化，將不斷面臨新的致災(zāi)要素，因此，風(fēng)險動態(tài)評價工作的開展必須通過原位測試實時掌握最新的風(fēng)險動態(tài)，可以基于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評估所獲得的結(jié)果，對各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)隱患區(qū)域進(jìn)行確定。首先采用聚類分析短距離分析方法構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)庫，對各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分組，各組里的災(zāi)害案例輸入關(guān)鍵致災(zāi)參數(shù)做聚類分析，離散性較大、較奇異的值不予以考慮，篩選出較為集中、具有普遍性的數(shù)據(jù)?；谔暨x出的具有代表性的各類災(zāi)害案例構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本庫。而后以各類突發(fā)性災(zāi)害孕育過程的地質(zhì)信息、構(gòu)造信息、監(jiān)測信息、即時能量等為輸入?yún)?shù)，災(zāi)害強(qiáng)弱程度作為輸出，研究兩者之間的關(guān)系，基于風(fēng)險發(fā)生概率或可能性等級與風(fēng)險潛在損失結(jié)果，利用風(fēng)險評價矩陣或定量的風(fēng)險評價方法，綜合確定風(fēng)險評估單元內(nèi)的風(fēng)險等級，形成各類災(zāi)害不同強(qiáng)弱程度的動態(tài)定量表征。

3.2 基于監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警及防控方法

3.2.1 基于重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警

基于系統(tǒng)分析某區(qū)域上關(guān)鍵致災(zāi)因素演化規(guī)律與該區(qū)域上災(zāi)害等級的關(guān)系提出重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)監(jiān)測信息的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時動態(tài)預(yù)警方法，該預(yù)警方法利用預(yù)警單元內(nèi)致災(zāi)信息演化規(guī)律預(yù)估該災(zāi)害單元內(nèi)不同類型災(zāi)害的等級及其概率，同時根據(jù)后續(xù)監(jiān)測到的信息對災(zāi)害等級及其概率的預(yù)警結(jié)果進(jìn)行動態(tài)更新，從而提高突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警效果，基本流程如圖3 所示。

圖3 不同類型地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警公式的建立

首先構(gòu)建突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫，不同類型地質(zhì)災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫將會隨著普查工作的進(jìn)行和重點(diǎn)隱患區(qū)域的監(jiān)測而不斷豐富。地質(zhì)災(zāi)害案例數(shù)據(jù)庫包含災(zāi)害信息、地質(zhì)信息、致災(zāi)關(guān)鍵因素，防控信息以及預(yù)警空間單元等內(nèi)容。尋找不同類型不同等級災(zāi)害孕育過程的每個致災(zāi)參數(shù)的特征及其演化規(guī)律，從而根據(jù)研究結(jié)果建立相應(yīng)指標(biāo)對災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警。各類型災(zāi)害關(guān)鍵參數(shù)預(yù)警的結(jié)合方式采用帶權(quán)系數(shù)加和的形式，根據(jù)參數(shù)信息之間的相對重要程度附以權(quán)重。

3.2.2 不同類型突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害防控方法

在突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害實時預(yù)警結(jié)果的支持下，建立的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害孕育過程動態(tài)調(diào)控方法框架如圖4 所示。建立災(zāi)害孕育過程調(diào)控案例數(shù)據(jù)庫。基于所獲取的測試數(shù)據(jù)和實時定量預(yù)警結(jié)果，調(diào)動對應(yīng)的災(zāi)害強(qiáng)度程度表征BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，動態(tài)識別重點(diǎn)隱患區(qū)域每日災(zāi)害強(qiáng)弱程度，對比其災(zāi)害實際強(qiáng)弱程度。分析各類調(diào)控措施對不同強(qiáng)弱程度災(zāi)害調(diào)控前、后各類調(diào)控措施對突發(fā)性災(zāi)害孕育過程的控制機(jī)制。建立不同強(qiáng)弱程度災(zāi)害孕育過程的調(diào)控方法，對調(diào)控案例信息進(jìn)行整理。分析不同工況條件下突發(fā)性災(zāi)害孕育過程中各類調(diào)控措施的控制效果。結(jié)合考慮各類調(diào)控措施的經(jīng)濟(jì)性和實施便利性，確定不同強(qiáng)弱程度災(zāi)害孕育過程的最優(yōu)調(diào)控方法。

圖4 不同類型地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)防控方法框架示意

圖5 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程互動救援與仿真系統(tǒng)

3.3 基于三維可視化信息模型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程互動救援體系研究

3.3.1 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)/救援路線優(yōu)化算法

針對災(zāi)后人員救援、避災(zāi)采用射頻識別技術(shù)（RFID）[9]和無線生命體征監(jiān)測技術(shù)，對避災(zāi)/救援人員的空間位置信息及生命體征信息進(jìn)行實時捕獲，并通過坐標(biāo)定位C（x，y，z）、避災(zāi)移動速度v、最長移動距離Dmax 等量化指標(biāo)在突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)區(qū)劃三維可視化信息模型中進(jìn)行合理表征；基于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)區(qū)劃三維可視化信息模型，提取地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃、影響范圍、持續(xù)時間等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，基于MATLAB 平臺編程，搭建地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)/救援路線拼接算法，完成不同避災(zāi)/救援線路拼接，實現(xiàn)避災(zāi)/救援人員當(dāng)前空間定位信息與生命體征信息條件下對不同路線的空間分布、風(fēng)險概率、逃生用時進(jìn)行自動測算與推薦排序；在地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)臨近范圍災(zāi)害概率、等級及分區(qū)信息動態(tài)調(diào)整關(guān)聯(lián)算法基礎(chǔ)上，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對因災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致影響范圍內(nèi)風(fēng)險概率、等級、區(qū)劃變動的情況進(jìn)行路線拼接的智能化調(diào)整，實現(xiàn)避災(zāi)/救援路線的實時最優(yōu)選取。

3.3.2 基于三維可視化信息模型的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程互動救援體系

通過采集原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，對安全評價參數(shù)進(jìn)行定量分級，再基于三維可視化信息模型和地質(zhì)災(zāi)害避災(zāi)/救援路線智能化拼接算法，綜合利用現(xiàn)代化裝備如：個人緊急通訊裝置（PDE）、紅外生命探測儀、救援機(jī)器人等，形成一套完整的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害采集—融合—反饋—調(diào)整互動救援體系。為了實現(xiàn)良好的工程應(yīng)用和實施效果，利用建模工具3DMAX 及圖形引擎Unity3D[10]，二次開發(fā)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程互動救援體系虛擬仿真系統(tǒng)，針對災(zāi)害發(fā)生位置、概率、等級給出合理、有效的人員避災(zāi)/救援路線、救援方案，以及災(zāi)害處置措施，提高避災(zāi)和救援效率，強(qiáng)化避險轉(zhuǎn)移、資源調(diào)度、社會力量參與、軍警民協(xié)同和應(yīng)急救援決策支撐能力，實現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程互動救援體系的協(xié)同性和實戰(zhàn)性。

4 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺

綜合上述“三大板塊”的研究內(nèi)容，可以建立地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺，以自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、防控及安全應(yīng)急信息化、實時化、共享化、一體化為目標(biāo)，核心功能是對于地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)控，及時預(yù)警防控，具體包含地質(zhì)信息實時更新、災(zāi)害實時預(yù)警、防控方案研判、災(zāi)害動態(tài)劃分、遠(yuǎn)程互動救援、地質(zhì)災(zāi)害三維模型展示六大功能板塊如圖6 所示。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害一體化平臺示意圖

為實現(xiàn)一體化的目標(biāo)，首先劃分信息輸入、信息實時更新、信息共享等子模塊，同時與災(zāi)害實時預(yù)警模塊、防控方案研判模塊交叉實時信息，建立跨模塊鏈接、交互、實時更新數(shù)據(jù)信息的子模塊；為實現(xiàn)實時化的目標(biāo)，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更新要及時，需要寫入數(shù)據(jù)更新鏈接以匹配不同的文件格式，建立與地質(zhì)信息實時更新模塊的鏈接，接收實時更新數(shù)據(jù)，同時還要建立信息讀取、災(zāi)害評估、災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害信息寫入，災(zāi)害等級評估等子模塊；為實現(xiàn)災(zāi)害實時預(yù)警，需完成與防控方案研判、災(zāi)害動態(tài)劃分、遠(yuǎn)程互動救援三個主要功能模塊的信息交互，建立信息讀取、災(zāi)害劃分、災(zāi)害類別、災(zāi)害發(fā)生動態(tài)、災(zāi)害等級評估等子模塊。為實現(xiàn)災(zāi)害動態(tài)的實時劃分，需完成與地質(zhì)信息實時更新、災(zāi)害實時預(yù)警、防控方案研判、遠(yuǎn)程互動救援四個主要功能模塊的信息交互功能。地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺的建設(shè)，可以極大地增進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害治理的效率，同時也可以做到實時監(jiān)控，實時防范。

5 結(jié)語

本文基于自然災(zāi)害普查數(shù)據(jù)庫及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了“三大板塊、四種方法、兩組模型”的研究路線，形成了突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害信息采集—融合—反饋-調(diào)整“四位一體”互動救援體系，同時提出基于各種研究成果的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃、防控、應(yīng)急一體化平臺建設(shè)思路，以期對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)控、實施防范，極大地提高了我們對于各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)控預(yù)警以及災(zāi)后救援能力，為我國突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理研究提供了一種新的思路。