山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)探討

摘 要：為了更好地防御山洪災(zāi)害，利用文獻(xiàn)資料法、案例分析法，以某地區(qū)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警為分析案例，簡(jiǎn)單介紹了山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)需求，結(jié)合山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)細(xì)節(jié)，探究了山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能。研究發(fā)現(xiàn)，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山洪災(zāi)害，提高山洪災(zāi)害預(yù)防控制效率，具有一定應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：山洪；災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；激光雷達(dá)

中圖分類號(hào)：TV 87" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

監(jiān)測(cè)預(yù)警精度不高，是當(dāng)前山洪災(zāi)害防御面臨的主要瓶頸問(wèn)題的情況，亟需深入研究山洪災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理，開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確率高的預(yù)警模型。在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)面雙控試點(diǎn)進(jìn)行大面積活動(dòng)中，越來(lái)越多的地區(qū)參與到地質(zhì)災(zāi)害由點(diǎn)及面的防控研究中，新的點(diǎn)面雙控思路不斷涌現(xiàn)。但是，我國(guó)地域廣袤，山區(qū)地形各異，山洪災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)多樣，山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)設(shè)置難度較大，原有山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)存在覆蓋范圍狹窄、預(yù)警不準(zhǔn)確等問(wèn)題。因此，從擴(kuò)展山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)范圍、提高預(yù)警精準(zhǔn)度著手，探究山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)具有非常重要的意義。

1 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)背景

研究地區(qū)位于盆地西南邊緣，屬于盆地到山原過(guò)渡地點(diǎn)。區(qū)域地勢(shì)西南部高、北東部低，最高點(diǎn)海拔為3098.3m，最低位置海拔為420m，相對(duì)高差為2679m。按照地貌形態(tài)，可將區(qū)域地貌分為平原、丘陵、山區(qū)3種類型，不同類型地貌特點(diǎn)見(jiàn)表1。

該區(qū)域降雨充沛，山頂多年平均降雨量為1922.8mm，近40年最大年降雨量為2415.2mm。區(qū)域降雨量在地區(qū)分布不均，由北西山區(qū)向周邊延伸逐漸減少。同時(shí)區(qū)域降雨量時(shí)空分布不均，4—9月降雨量超過(guò)其他月份（見(jiàn)表2）。該區(qū)域頻繁出現(xiàn)暴雨天氣，受降雨影響，新增山洪災(zāi)害點(diǎn)14處。

2 山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能

2.1 山洪監(jiān)測(cè)信息查詢

2.1.1 整合儲(chǔ)存平臺(tái)與智防App二維碼

在山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，山洪監(jiān)測(cè)信息查詢子系統(tǒng)主要以生成鏈接的方式，將儲(chǔ)存平臺(tái)與智防App的二維碼功能進(jìn)行結(jié)合，滿足山洪防控“一點(diǎn)一區(qū)一碼”要求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)涉及信息獲取、表現(xiàn)形式確定、發(fā)布幾個(gè)模塊[1]。用數(shù)據(jù)源接口獲取信息，采用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)+XML文件雙通道連接儲(chǔ)存平臺(tái)與智防App，自動(dòng)更新智防App內(nèi)山洪災(zāi)害信息，并與山洪災(zāi)害存儲(chǔ)平臺(tái)信息同步發(fā)送，包括預(yù)警類別、預(yù)警設(shè)計(jì)、開(kāi)始結(jié)束時(shí)間、防御指南等。表現(xiàn)形式根據(jù)智防App終端、客戶端要求差異，顯示內(nèi)容也有所差異。在智防App終端，顯示內(nèi)容為氣象災(zāi)害預(yù)警信息，并自動(dòng)匹配預(yù)警解釋說(shuō)明、防御情況。在智防App客戶端，以預(yù)警信號(hào)圖片+文字的形式（如圖1所示），表現(xiàn)多種預(yù)警信息，滿足不同用戶的個(gè)性化閱讀需求。

發(fā)布模塊主要是利用信息PUSH自動(dòng)推送與存儲(chǔ)平臺(tái)手動(dòng)登錄查詢相結(jié)合的方式，收集移動(dòng)用戶二維碼掃描信息，在智防App軟件、存儲(chǔ)平臺(tái)建立連接，推送用戶關(guān)注信息到發(fā)布端，并記錄用戶瀏覽時(shí)長(zhǎng)，將信息反饋到推送端，為推送界面的持續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。

2.1.2 添加三維模型接口

在智防App的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)二維碼內(nèi)，添加三維模型接口[2]。三維模型接口設(shè)計(jì)主要使用PDMS（Plant Design Management System）軟件，以單個(gè)模型元素調(diào)整為重點(diǎn)，根據(jù)PDMS特有數(shù)據(jù)格式，建立三維模型接口。接口導(dǎo)出端構(gòu)建CAD坐標(biāo)系、PDMS坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系，使CAD內(nèi)同一平面的一個(gè)點(diǎn)組在PDMS內(nèi)對(duì)應(yīng)一個(gè)EXTRL SLON，且第一個(gè)點(diǎn)組為EXTRL SLON的原點(diǎn)。

2.1.3 獲得三維模型

在三維模型接口支持下，可上傳區(qū)域部分災(zāi)害點(diǎn)的三維模型數(shù)據(jù)（包括斷面信息、流域信息）[3]。此時(shí)，用戶可采用掃描災(zāi)害點(diǎn)的二維碼的方式，直接獲得災(zāi)害點(diǎn)的三維模型。三維模型是根據(jù)已知場(chǎng)地豎向數(shù)據(jù)對(duì)每3個(gè)臨近點(diǎn)聯(lián)結(jié)為三角形，區(qū)域任意災(zāi)害點(diǎn)均落到三角面頂點(diǎn)、線或三角形內(nèi)，根據(jù)落到三角形3個(gè)頂點(diǎn)、線與內(nèi)部的災(zāi)害點(diǎn)差值，可以輸出災(zāi)害點(diǎn)高程，并顯示地形三角網(wǎng)，準(zhǔn)確反映災(zāi)害點(diǎn)地勢(shì)地形[4]。在地形三角網(wǎng)內(nèi)，點(diǎn)擊模型局部，了解流域設(shè)計(jì)暴雨、斷面避災(zāi)轉(zhuǎn)移路線、淹沒(méi)范圍等信息，并根據(jù)需要查詢?yōu)暮c(diǎn)的形態(tài)和范圍。

2.2 山洪信息實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)

2.2.1 野外調(diào)查

山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)擬選擇基于臨界雨量預(yù)報(bào)模式，臨界雨量是根據(jù)實(shí)際降雨量、臨界雨量對(duì)比，預(yù)測(cè)區(qū)域山洪災(zāi)害是否發(fā)生及其緊急程度、危害程度。在運(yùn)行山洪實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)功能前，應(yīng)提取山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的野外調(diào)查數(shù)據(jù)。利用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)進(jìn)行野外調(diào)查，規(guī)劃航線（包括飛正射影像、飛傾斜影像），面對(duì)山洪災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的斜坡拍攝無(wú)人機(jī)1∶10000比例尺正射影像圖、傾斜攝影圖或貼近（仿地）攝影圖。同時(shí)利用大疆智圖軟件解析空中三角測(cè)量，自動(dòng)匹配、正射糾正制作正射影像圖[5]。

2.2.2 重建三維格網(wǎng)

在獲得正射影像圖后，利用系統(tǒng)端三維格網(wǎng)重建功能，自動(dòng)紋理映射制作獲取三維模型。

第一步，根據(jù)無(wú)人機(jī)拍攝某物體的序列圖像，采用三維重建算法（PMVS運(yùn)動(dòng)信息結(jié)構(gòu)化算法），重建三維模型（3行4列的矩陣）和相機(jī)參數(shù)（與序列圖像中成像一一對(duì)應(yīng)）。

第二步，基于遮擋原理，檢測(cè)快速片元可見(jiàn)性，確定片元的法向量、頂點(diǎn)法向量。即設(shè)定片元數(shù)為N，一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)塊數(shù)為M，一個(gè)塊內(nèi)線程數(shù)為T，利用一個(gè)塊測(cè)試一個(gè)片元是否被其他片元遮擋。在相機(jī)矩陣內(nèi)，三維模型上的點(diǎn)和投影到圖像上的點(diǎn)間關(guān)系如公式（1）所示。

Vij=PiVj " "（1）

式中：Vij為投影到圖像上的點(diǎn)；Pi為相機(jī)矩陣；Vj為三維模型上的點(diǎn)。

確定三維模型上的點(diǎn)和投影到圖像上的點(diǎn)間關(guān)系后，利用塊內(nèi)線程，將片元數(shù)擴(kuò)大至網(wǎng)格塊數(shù)的整數(shù)倍，計(jì)算2個(gè)三角形是否重疊（公共部分面積是否為0）。

第三步，根據(jù)頂點(diǎn)法向量與頂點(diǎn)到相機(jī)中心的向量的夾角，推測(cè)無(wú)人機(jī)攝像中對(duì)應(yīng)像素顏色相對(duì)頂點(diǎn)顏色的權(quán)值（頂點(diǎn)法向量與頂點(diǎn)到相機(jī)中心向量的夾角的余弦），完成自動(dòng)紋理映射。

2.2.3 校對(duì)流域信息

以三維模型為底圖，同時(shí)提取系統(tǒng)端數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)、涉水工程補(bǔ)充調(diào)查數(shù)據(jù)、沿河村落詳細(xì)勘察數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)校對(duì)小流域基礎(chǔ)信息。小流域基礎(chǔ)信息校對(duì)可以利用形狀約束條件下的流域分散入流非線性回流模型，利用基于壓力傳感器的河流高度測(cè)量估計(jì)流量，輔以周期性流量測(cè)量，關(guān)聯(lián)河流高度與流量，如公式（2）所示。

Q=K（H-H0）z " （2）

式中：Q表示穩(wěn)態(tài)排放；K表示評(píng)級(jí)曲線常數(shù)；H表示流高，m；H0表示零排放；z表示評(píng)級(jí)曲線常數(shù)。在壤中流、地下徑流對(duì)洪水過(guò)程貢獻(xiàn)相對(duì)較小情況下，借助全流域整體模擬，完成小流域基礎(chǔ)信息校對(duì)。

2.2.4 輸出多元數(shù)據(jù)

根據(jù)校對(duì)結(jié)果，依托主流GIS服務(wù)軟件（GeoServer或ArcGIS）的REST服務(wù)能力，系統(tǒng)端集成地圖切片、DOM數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、空間矢量數(shù)據(jù)，輸出遙測(cè)數(shù)據(jù)、前期土壤含水量數(shù)據(jù)以及本次降水形成洪峰洪量數(shù)據(jù)，為山洪預(yù)警響應(yīng)奠定基礎(chǔ)。以ArcGIS Server 10 java版本的REST服務(wù)部署為例，利用ArcGIS Manager創(chuàng)建服務(wù)，開(kāi)啟ArcGIS Services Directory，從Mangaer中導(dǎo)出est服務(wù)對(duì)應(yīng).war包，將.war包放入Tomcat虛擬目錄，重啟ArcGIS Server服務(wù)，確定REST服務(wù)接口發(fā)布成功。

2.3 山洪監(jiān)測(cè)信息更新

2.3.1 搭建三維實(shí)景模型

山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存海量數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)維護(hù)是系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。系統(tǒng)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型具有一定差異，因此可以三維實(shí)景模型為載體，對(duì)流域信息、雨量信息以及斷面信息進(jìn)行維護(hù)更新。以區(qū)域在冊(cè)的山洪災(zāi)害點(diǎn)和選定的1處極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)建立三維實(shí)景模型，如圖2所示。

根據(jù)圖2，以三維實(shí)景系統(tǒng)為載體，對(duì)山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)時(shí)段雨量、日雨量、暴雨時(shí)程分配、小流域?qū)傩浴嗝嬖O(shè)計(jì)洪水等信息進(jìn)行更新維護(hù)。

2.3.2 復(fù)雜流域虛擬化

針對(duì)部分下墊面條件復(fù)雜、土壤含水量分布不均的流域，單一三維實(shí)景系統(tǒng)無(wú)法獲取足夠的凈雨量信息以及臨時(shí)預(yù)警信息，埋下預(yù)警不準(zhǔn)隱患[6]。此時(shí)，可立足不同土壤含水量情形，將小流域虛擬為一個(gè)水庫(kù)模型，將流域降雨產(chǎn)流過(guò)程模擬為水庫(kù)蓄水、放水過(guò)程。系統(tǒng)端輸入山洪災(zāi)害前調(diào)查房屋高程、流域產(chǎn)匯流量，以此為水庫(kù)基底高程、虛擬水庫(kù)來(lái)水量，利用系統(tǒng)端霍頓下滲表達(dá)式（公式3）計(jì)算混合蓄滿－超滲凈雨，獲得精準(zhǔn)的洪水?dāng)?shù)據(jù)（含虛擬水庫(kù)洪水淹沒(méi)范圍）。

f=fc+（f0-fc）e-kt " "（3）

式中：f為流域平均下滲能力，mm/h；fc為穩(wěn)定下滲率，mm/h；f0為初始下滲能力，mm/h；k為土壤透水系數(shù)；t為滲水時(shí)刻。

獲取洪水?dāng)?shù)據(jù)后，應(yīng)將其及時(shí)添加到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，為安全預(yù)警奠定基礎(chǔ)。以添加MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)為例，可以從普通insert查詢著手，使用select執(zhí)行另外的insert，對(duì)已有記錄再次執(zhí)行相同查詢，重復(fù)8次/16次/32次，運(yùn)行1次復(fù)制查詢，完成虛擬洪水?dāng)?shù)據(jù)向現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)的填充，局部代碼如下。

Insert into table t1 values（value1，value2...）；

Insert into table t1 select * from t1；

...

2.4 山洪災(zāi)害分級(jí)響應(yīng)

2.4.1 確定小流域坡面糙率值

在將正射遙感影像成果上傳到山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)層后，提取系統(tǒng)端第三次國(guó)土調(diào)查成果矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、湖劃界相關(guān)成果圖（包括河道1∶2000地形圖以及河道斷面圖）、植被類型圖、土地利用圖、土壤類型圖等，分析土地利用類型與小流域坡面糙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，初步確定小流域坡面糙率值[7]。當(dāng)估算坡面糙率值時(shí)，首先，以現(xiàn)有g(shù)reen-ampt模型為支撐，聯(lián)系土壤入滲率、降雨強(qiáng)度、土壤初始含水量、入滲時(shí)間、降雨開(kāi)始到開(kāi)始產(chǎn)流經(jīng)歷時(shí)間等參數(shù)。green-ampt模型局部實(shí)現(xiàn)代碼如下。

N_tries=0；

CONVERGED=（Ip！=0.0）；

While（（n_tries＜=N_MAX ）amp;amp;（！CONVERGED））{

Infil=-KO*fs*（C+Ip）/（1.0-exp（fs*Ip））；

其次，根據(jù)降雨條件下的小流域坡面水流流動(dòng)過(guò)程，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)波方程，近似解析運(yùn)動(dòng)波。局部解析過(guò)程實(shí)現(xiàn)代碼為：Ip_hi=IP；Ip=（Ip+Ip_lo）/2.0；

最后，根據(jù)水量平衡關(guān)系，獲得坡面糙率動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

2.4.2 確定小流域下滲特性參數(shù)

根據(jù)土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，明確土壤質(zhì)地類型與小流域坡面下滲特性關(guān)系，初步確定小流域下滲特性參數(shù)。即在已知坡面糙率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的情況下，在philip入滲模型內(nèi)集成土壤入滲率、累積入滲率，根據(jù)水量平衡關(guān)系獲得坡面水深與坡面糙率的關(guān)系。進(jìn)而以坡面泥沙運(yùn)輸為重點(diǎn)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、坡面水深，輸出泥沙侵蝕率。根據(jù)降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與泥沙侵蝕率，可以獲得小流域下滲特性。在MATLAB內(nèi)，philip入滲模型可以借助蒙特卡羅方法仿真模擬并輸出可視化物理滲透結(jié)果。蒙特卡羅方法須重復(fù)操作，操作過(guò)程如圖3所示。

動(dòng)態(tài)連通成功后，調(diào)用MATLAB內(nèi)基于路徑壓縮的加權(quán)Union-Path算法，以新站點(diǎn)開(kāi)啟為依據(jù)，對(duì)上、下、左、右進(jìn)行開(kāi)站點(diǎn)union操作。增加top虛擬站點(diǎn)，詢問(wèn)是否滲透，若是，則記錄連通瞬間空缺率，并輸出關(guān)于空缺率的滲透頻數(shù)圖像，歸一化空缺率對(duì)頻數(shù)，由頻數(shù)分布平均值獲得滲透性參數(shù)。

2.4.3 設(shè)計(jì)山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值

收集雨量站、流量站、智能雷達(dá)在線測(cè)流系統(tǒng)、雨量墑情站、視頻水位流量站等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判定雨量與山洪流量關(guān)系，為山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

初步設(shè)計(jì)山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值后，根據(jù)降雨歷時(shí)過(guò)程、入滲量、蒸發(fā)蒸騰量、地形、地表徑流量、地貌、坡體、河道結(jié)構(gòu)等干擾因素，進(jìn)一步細(xì)化調(diào)整閾值。在特定閾值內(nèi)，一鍵展示系統(tǒng)端計(jì)算的單體山洪災(zāi)害危險(xiǎn)源與承災(zāi)體的邊界、范圍信息（如圖4所示），并輸出安全島和避險(xiǎn)路線，同時(shí)在后臺(tái)自動(dòng)預(yù)報(bào)危險(xiǎn)源、承載體、安全島和避險(xiǎn)路線等信息，為山洪災(zāi)害轉(zhuǎn)移、防御決策提供支持。

2.4.4 災(zāi)害分級(jí)響應(yīng)預(yù)警

根據(jù)分等級(jí)山洪災(zāi)害響應(yīng)要求，采用降雨強(qiáng)度90%作為山洪紅色預(yù)警（警報(bào)級(jí)）閾值，降雨強(qiáng)度65%作為橙色預(yù)警（警戒級(jí)）閾值，降雨強(qiáng)度20%作為黃色預(yù)警（提醒級(jí)）閾值（見(jiàn)表3）。一個(gè)降雨事件在某降雨歷時(shí)條件下可能引發(fā)災(zāi)害的平均降雨強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

（4）

式中：I為平均降雨強(qiáng)度，mm/h；D是降雨歷時(shí)，h。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新建山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)三維實(shí)景系統(tǒng)，主要以一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的三維實(shí)景地圖為底圖，勾劃山洪危險(xiǎn)源危險(xiǎn)范圍、影響范圍，同時(shí)以精確到戶的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)影響范圍內(nèi)受威脅對(duì)象信息、避險(xiǎn)路線信息、安全島信息進(jìn)行標(biāo)注。系統(tǒng)以區(qū)域智慧防災(zāi)App為載體，經(jīng)過(guò)添加高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)三維實(shí)景系統(tǒng)的鏈接操作，生成風(fēng)險(xiǎn)區(qū)二維碼。相關(guān)用戶可通過(guò)掃描二維碼直接獲知山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的各項(xiàng)信息，并在短時(shí)間內(nèi)找到避險(xiǎn)路線及安全島，精準(zhǔn)高效地預(yù)防山洪災(zāi)害。

參考文獻(xiàn)

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通信作者：李洪（1982-），男，漢族，大學(xué)本科，就職于四川省第七地質(zhì)大隊(duì)勘察院，水工環(huán)地質(zhì)、巖土工程勘察與治理高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)工作。

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