地质灾害气象风险预报(警)产品发布系统研究与应用

陈张建，张 磊，黄 桦，汤天强

(1.浙江省测绘科学技术研究院，浙江杭州 310012;2.浙江省地质环境监测院，浙江杭州 310012)

0 引言

我国是世界上受地质灾害影响较为严重的国家之一，近年来，通过地质灾害气象风险预报(警)、地质灾害调查和群测群防相结合，我国地质灾害气象风险预报(警)在地质灾害防治工作中的作用日益凸显。四川、浙江、福建、广东、云南等各地逐步建立了适合各自特点的预报(警)模式、工作流程及相关信息发布体系。在地质灾害气象风险预报(警)的技术研究领域，国内也相继建立了一批定性和定量分析的地质灾害气象风险预报(警)系统，但由于受到技术和条件的限制，地质灾害气象风险预报(警)产品发布形式简单，主要以预报图片静态发布为主，难以实现预报成果无极缩放、漫游，对地质灾害可能发生的乡镇、自然村难以做到有效预报(警)，造成预报(警)信息精度的损失。随着WebGIS技术的兴起，其分布式、大众化的特征使其具有传统预报发布方式无法比拟的优点，殷坤龙等［1］、张桂荣等［2］、杨佳等［3］、唐小明等［4］、李伟等［5］率先在国内开展了基于WebGIS的地质灾害预报(警)发布，但由于受基础地理信息服务方式、现势性、保密性等技术和政策限制，系统仅在部门内部应用，难以实现基础地理信息及时更新和预警信息共享，这些不足严重限制了地质灾害气象风险预报(警)信息的及时、高效、准确地传递。目前随着数字城市地理空间框架建设的广泛应用，使借助地理空间框架在基础地理信息共享、更新等方面的优势［6-8］，结合地质灾害气象风险预报(警)模型和方法，建立地质灾害气象风险预报(警)产品发布系统成为可能。

本文重点对地质灾害气象风险预报(警)产品发布的技术方法进行研究，在分析地质灾害气象风险预报(警)产品发布流程的基础上，基于SOA的架构理念，给出了系统的体系结构，结合数字城市地理空间框架、ArcGIS GeoProcessing、ArcGIS Server、AJAX、时态数据库等技术，分析了系统实现的关键技术，最后基于上述技术和方法，构建了浙江省地质灾害气象风险预报(警)发布系统。

1 预报(警)产品发布流程

地质灾害气象风险预报(警)产品是指根据一定的预报(警)判据和模型，结合预报降雨数据以及前期降雨数据，判定未来降雨诱发地质灾害的空间范围和危险性程度，并将其结果以预报(警)图、文字说明的方式或者矢量数据格式进行表达［9］。

图1是以预报(警)模型输出的成果作为系统输入，建立面向服务的预报(警)产品发布流程，详细步骤如下:

(1)将异构格式的预报(警)产品规范化处理，转换成规范的矢量数据格式。

(2)通过系统管理端上传、更新用于发布的预报(警)产品数据库。

(3)通过ArcGIS Server发布预报(警)专题图服务，并注册到预报(警)产品目录。

(4)浏览、预览预报(警)产品目录和发布产品。

(5)经审核无误后正式发布，否则返回流程起点。

图1 预报(警)产品发布流程Fig.1 Distribution flow for forecast products

2 系统总体设计

2.1 系统结构设计

SOA是一种组件模型，它通过称为服务之间定义完善的接口和契约来联系应用程序中的不同服务。遵照SOA的体系架构，依托数字城市地理空间框架，建立以服务为核心的4层架构，包括数据层、GIS服务层、Web服务层和客户层，总体结构如图2。

图2 总体结构Fig.2 General structure

其中，数据层为系统提供基础数据支持，包括境界、水系、注记等基础地理信息数据库、产品转换模型数据库、预报(警)产品数据库等;GIS服务层通过在线服务系统和ArcGIS Server服务器管理、发布、聚合WMTS、WMS、REST等多种类型、多种功能的地理信息服务;Web服务层实现基于标准协议的预报(警)产品目录、产品数据上传、更新、删除等服务请求的接收、分发及处理;客户层可以通过Internet浏览器连接到Web服务器上，通过AJAX引擎、地图引擎API、Javascript、HTML和CSS数据实现跨浏览器的服务聚合与应用。

系统中将预警专题动态制图服务等工作放在后台按需生成。当客户端需要叠加某时刻的预警专题数据时，Web服务层将请求转发至GIS服务层，由ArcGIS Server服务器实时生成。

2.2 预报(警)产品数据库设计

预报(警)产品数据库采用具有时空数据管理特征的SQL Server原生空间数据存储模式来统一管理，库内存储预报(警)产品目录数据表、预警矢量数据表和空间索引。产品目录数据表中存储预报时刻、预报词和预报(警)产品数据。预警矢量数据表存储不同预警时刻的气象风险导致突发性地质灾害发生的风险单元图斑，表中设置“PREDATE”日期字段，精确到整点时段，用于标识不同预警时间，“RANK”属性字段存储预警等级，用于专题符号渲染，“GEOMETRY”属性字段存储风险单元图斑。

3 关键技术

系统涉及地理信息公共服务平台在线服务集成、基于GeoProcessing的数据规范化处理、基于WKT的预警矢量数据转换更新、预警专题图服务发布等关键技术。

3.1 地理信息公共服务平台在线服务集成

地理信息公共服务平台是数字城市地理空间框架建设的核心，支持把多尺度、多分辨率、多种类型的地理信息数据集成，转变为多级且每级数量为2n的金字塔瓦片，按照一定规范通过在线服务系统把GIS的功能和数据以服务的方式发布出来［7］，可以跨平台、跨网络、跨语言地被多种客户端调用，并具备服务聚合能力以集成来自其他服务器发布的GIS服务，从而更容易地快速构建专题业务系统。

采用地理信息公共服务平台在线服务能够在保证信息安全的前提下，实现广域网环境中异构操作系统和数据库环境下的信息集成，建立境界、水系等基础地理信息和预警信息互通的管道，可达到重复利用和信息流畅的目的，以解决信息共享的问题。

3.2 基于GeoProcessing的数据规范化处理

GeoProcessing框架是ArcGIS技术体系的一个重要组成部分，它主要包括三个部分 ArcToolbox、ModelBuilder和二次开发。ArcToolbox是空间数据处理工具的集合，主要包括数据转换、数据管理、FME互操作工具套件等十八大类工具集。ModelBuild提供了一个图形化的建模环境，通过类似工作流图定义的方式，将数据对象和ArcToolbox中数据处理工具按需组装，形成复杂的业务处理模型。

图3是预报(警)数据产品转换模型，矩形表示空间数据处理工具(Tool)，如:①Feature Class To Feature Class是将MapGIS格式的预警数据转换为ArcGIS的SHP数据;②Define Projection是将SHP数据坐标系设置成CGCS2000或者WGS84坐标系，经投影转换工具(Project)和几何要素修复工具(Repair Geometry)生成目标坐标系和符合拓扑关系规范的数据;③Add Field添加预警级别字段，通过字段值计算工具(Calculate Field)给要素的预警级别属性赋值;④Add YuDate Field添加预报时间字段，通过字段值计算工具(Calculate YuDate Field)给要素的预报时间属性赋值(如‘2013082118’)，最后模型自动输出符合规范的预警矢量数据。

图3 数据产品转换模型Fig.3 Transformation Model for data products

图中包含以字母“P”标识的3个椭圆形表示的模型参数:预警数据，坐标系，预警时间。模型参数和模型存储在产品转化模型数据库中，可根据用户需求进行参数修改或模型定制，以满足不同规范的预报(警)产品生成的要求。

3.3 基于WKT的预警矢量数据转换更新

WKT(Well-known text)是OGC标准中比较重要的标准之一，它用于表示矢量几何对象、空间参照系统及空间参照系统之间的转换。基于WKT实现预警面图斑 SHP数据向 SQL Server数据库原生GEOMETRY类型对象的转换，像使用T-SQL一样对预警矢量数据表进行批量添加、删除和更新操作。

3.4 预警专题图服务发布

根据中国气象局应急减灾与公共服务司、国土资源部地质环境司《关于调整地质灾害气象预报预警业务的函》(气减函［2013］39号)的要求，预报(警)结果以气象因素导致突发性地质灾害发生的风险等级表示，预报(警)划分为四个级别，分别用蓝色、黄色、橙色和红色表示。等级划分如下表1。

表1 预警等级Table 1 Warning level

ArcGIS技术体系中通过ArcMap配置较为复杂的专题图服务，其制作专题图流程如下:①添加QueryLayer图层，设置预报(警)产品数据库连接参数，选择预警矢量数据表，设置SQL过滤条件，生成预警要素类;②预警要素类中“RANK”字段存储预警级别，参照预警等级表示颜色采用唯一值(Unique values)符号化设置进行渲染，保存生成MXD文件。通过ArcCatalog将MXD文件发布到ArcGIS Server中，生成ArcGIS REST风格的时间序列预警专题图服务。

4 应用案例

基于上述理论及技术方法，构建了浙江省地质灾害气象风险预报(警)产品发布系统。系统通过数字浙江地理空间框架的核心，“天地图·浙江”在线服务系统获取实时更新的基础地理信息数据服务、地图引擎等二次开发接口，在富客户端聚合预报(警)产品目录、产品数据上传、更新、删除等Web服务和预警专题图层服务。GIS Server平台选择ArcGIS Server 10.0平台，Web服务器选择ⅡS 7，时空数据库选择SQL Server 2008，富客户端AJAX引擎选择Extjs4.1。系统部署于阿里云Window Server 2008服务器上，通过互联网为预警预报值班人员提供产品发布服务，为政府各部门、企事业单位、公众提供预警服务。

当汛期或符合预报工作启动条件时，预警预报值班人员每天16:30前通过预报(警)模型进行一次全省未来24h突发性地质灾害发生气象风险等级趋势预报，生成预报空间尺度(单元)为1km×1km的MAPGIS格式的预报(警)成果［10］。运行系统产品转化服务，驱动浙江省地质灾害气象风险预报(警)产品转换模型生成规范化的产品。访问系统管理端，上传、更新规范化的预报(警)产品到产品数据库。系统后台更新ArcGIS Server预报(警)专题图服务，注册到预报(警)发布产品目录。经浏览、查看、审核产品目录和发布产品无误后，于每天17:00正式对外发布，系统运行界面如图4所示。

图4 典型应用案例Fig.4 Typical application case

图4为系统对外发布的预警专题图层与境界、水系、地名地址等基础地理信息图层叠加分析图，精确展示可能诱发地质灾害的行政区及周边水系。

图5 预警产品时序列图Fig.5 Time series map for forecast product

在持续性强降水时段，当雨量站实测降水量6h累计大于50mm或各地气象部门发布暴雨橙色以上预警信息时，根据实时降雨数据开展突发性地质灾害气象风险预警。一般每1～3h进行一次，当区域实时预警等级有高于前一次预报、预警等级时，预警预报值班人员通过系统管理端更新发布实时等级预警信息。图5为台风“菲特”登陆浙江期间及时发布的不同时段的实时预警产品，为台风汛期地质灾害防灾减灾工作指明方向。

5 结论

通过典型应用案例的构建和实际运用表明，结合数字城市地理空间框架建设成果和ArcGIS技术体系的地质灾害气象风险预报(警)产品发布系统能及时、高效地发布地质灾害气象风险预报(警)图，能够方便、直观、精准的展现预警地区，使得政府有关部门、各单位及公众在第一时间能够获取最新的预警信息，大大提高了地质灾害气象风险预报(警)产品的发布精度、发布时效和覆盖面，具有重要的现实意义。该研究方法具有良好的纵向扩展性，研究成果可为市县级更高预报空间尺度的发布系统建设提供借鉴。

［1］殷坤龙，张桂荣，龚日祥，等.基于Web-GIS的浙江省地质灾害实时预警预报系统设计［J］.水文地质工程地质，2003(3):19-22.YIN Kunlong，ZHANG Guirong，GONG Rixiang，et al.A realtime warning system design ofgeo-hazards supported by Web-GIS in Zhejiang Province，China［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2003(3):19-22.

［2］张桂荣，殷坤龙，刘礼领，等.基于WEBGIS和实时降雨信息的区域地质灾害预警预报系统［J］.岩土力学，2005，26(8):1312-1317.ZHANG Guirong，YIN Kunlong，LIU Liling，et al.A real-time regional geological hazard warning system in terms of WEBGIS and rainfall［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(8):1312-1317.

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［6］李维森.浅析数字城市地理空间框架建设中的创新［J］.测绘通报，2011(9):1-5.LI Weisen.On innovation of establishment of digital city geospatical framework［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2011(9):1-5.

［7］邓轶，赵红.数字城市地理空间框架建设研究［J］.测绘通报，2011(9):74-79.DENG Yi，ZHAO Hong.Research on construction of geospatial framework of digital city［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2011(9):74-79.

［8］国土资源部.国土资源信息化“十二五”规划［Z］.Ministry of Land and Resources.The twelfth five-year guideline for land and resources informatization［Z］.

［9］唐灿，李铁锋，温铭生，等.地质灾害气象预报预警技术要求［Z］.北京:中国地质环境监测院，2005.TANG Can，LI Tiefeng，WEN Mingsheng，et al.Technical requirements for early warning of the geo-hazards based on the weather forecast［Z］.Beijing:China Institute of Geoenvironmental Monitoring，2005.

［10］浙江省国土资源厅，浙江省气象局.关于做好全省地质灾害气象风险预报(警)工作的通知［Z］.Department of Land and Resources of Zhejiang Province，Meteorological Bureau of Zhejiang Province.Notification about meteorological risk forecast and early warning for geological hazards over the Province［Z］.