长白山天池火山监测预警平台构建技术研究1

张 羽1) 冯启民2) 刘瑞丰3) 杨清福1)



长白山天池火山监测预警平台构建技术研究

张 羽冯启民刘瑞丰杨清福

1）吉林省地震局，长春 130117 2）中国海洋大学，青岛 266100 3）中国地震台网中心，北京 100045

长白山天池火山是我国最具潜在喷发可能的活火山，至今尚未建立和提出火山监测预警平台的构建技术。本文分析讨论了国外多个灾害预警系统案例，借鉴国内外成熟思路，得出一套适应长白山天池火山地理和火山监测手段的火山监测预警平台构建技术。研究结果表明，火山监测预警平台可提供海量数据库存储与管理，实时数据传输和实时处理，危险性分级，灾情、灾评信息速报，预警级别发布，信息传播与共享功能。具有为政府应急决策、公众逃生避险、重大工程实施紧急处置提供及时火山预警服务的实际意义。

火山灾害 火山预警平台 WebGIS ArcGIS

引言

长白山天池火山是一座活火山，在1万年以来曾有过多次喷发，包括距今5000年、距今4000年、公元946年（Xu等，2013）、公元1668、1702年和公元1903年的喷发（Yu等，2013）。天池火山位于西太平洋板块俯冲带前缘，西太平洋板块向西俯冲为天池火山活动提供了动力条件。初步的深部物探和地震层析成像结果显示，天池火山下存在地壳和地幔双层岩浆房，具有再次喷发的物质基础。特别是公元946年的喷发属于爆炸式大喷发（魏海泉等，2004；Wei等，2013），原始森林被燃烧成到处可见的炭化木；火山泥石流沿松花江扩展到吉林市丰满一带，仍可见15m厚的堆积物；火山灰向东扩散到了2000km之外的千岛群岛。因此，针对长白山天池火山深入开展预警技术研究，研发符合实际需求的预警平台是十分必要的。

火山喷发预警相对地震预警而言，地震发生更具突然性，火山喷发相对有一个可监测的过程；地震发生的地点和时间都有很大的不确定性，火山喷发地是确定的，其喷发初始期多具一些活动形态的显示，相对地震预报而言，喷发预测难度相对较低。火山灾害的应急对策和措施与地震灾害应急对策和措施有很多相似之处，灾害应急管理的基本程序和规则基本是一致的，加之可以借鉴国外火山灾害应急对策的成功经验，这些技术都为预警平台的建设提供了现成的技术基础。本文借鉴国外火山灾害预警平台和国内地质灾害预警平台建设经验，结合吉林省地震局现有火山监测台网和灾害应急指挥场所基础设施，设计了长白山天池火山监测预警平台（以下简称平台）构建技术方案。

1 平台需求分析

1.1 研究现状

美国地质勘探局提出火山预警框架（Ewert等，2005），对1980年以来美国火山活动趋势、地质调查、火山监测综合评价，提出了火山灾害风险因子识别和预警区划技术。日本政府通过国际合作，提出了国家灾害预警系统（Government of Japan，2006），用于提高应对海啸、地震、火山、天气等自然灾害防御能力。印尼能源和矿产资源部提出地质灾害预警系统（Wirakusumah，2003），应用火山监测识别与决策技术，有效减轻和应对印尼地质灾害。近年火山预警系统在世界多火山国家迅速发展，美国、日本、印尼、菲律宾、冰岛等国家均建立了火山预警系统。1991年喷发的皮纳吐坡火山成功应对案例（Raymundo等，2003），更充分说明建设火山预警系统的必要性和紧迫性。

虽然火山监测预警系统建设在我国是第一次，但已经具备了建设此系统的技术和方法。中国地震局对火山的监测已经进行了20多年。1999年建成了长白山火山监测站，建立了初级火山观测系统，已获取了多种和大量的监测数据，并对火山喷发活动进行了跟踪监测，掌握了火山活动监测技术，能把握火山活动的发展状态（许建东，2011），为预警平台提供了监测数据和火山活动动态。通过本文研究成果的实施，将进一步扩大监测台网的覆盖范围，增加监测手段，提升预测的精度，更全面地监视火山的活动状态，为预警平台建设提供数据依据（杨清福等，2007）。

多年来，中国地震局为了达到最大限度地减轻地震灾害的目标，自1999年起开始研制基于GIS的地震应急辅助决策信息平台，经过多年的发展，已经从单机版发展成网络版，实现了异地空间数据的同步操作、实时共享（许建东等，2005）。从地震灾害范围预测，地震灾害预测，灾害区划，到现场灾害信息采集、处理、标识；从应急预案到智能制定应急辅助对策；从信息集成到应急信息发布等方面均达到了国际的先进水平，标志着我国基于WebGIS的平台开发技术已经高度成熟（刘让图等，2013）。

1.2 满足预警级别判定需求

利用火山地震监测系统、火山形变监测系统、火山流体监测系统、影像监测系统获取的实时数据资源，处理产出火山活动特征类信息、火山喷发危险标志类参数信息、火山预警类信息、火山灾害预警发布和应急对策类信息；跟踪灾情，汇集处理灾害信息，产出灾害区划、应急需求、应急行动指令等信息服务产品；日常产出大量常规数据产品，对原始数据和各种数据产品进行存储和管理，对火山喷发危险性和预警级别进行判定，从而判定火山处于平静、动荡、临界和喷发危险性预测分析。平台建设满足火山活动跟踪、火山危害预警、火山灾害应急、政府救援决策和科学研究提供全面、可靠的信息服务需要。

1.3 满足火山灾害救援需求

为了有效减轻火山灾害，世界多火山国家和地区在提高建设工程抗御火山灾害标准的同时，还十分重视火山预警平台的建设。火山喷发是有初动征兆的，而且火山大规模喷发有一个过程。预警平台就是利用实时监测台网跟踪火山区活动信息，发现火山喷发前兆信息并发出预警。通过可能造成的破坏范围和程度快速估计，制定出有效对策措施，发布应急对策指令。争取在火山灾害到达城市、村镇和重大工程场地前，撤离、疏散人员，实施紧急处置措施，达到减轻灾害、减少经济损失与人员伤亡的目的。

为了迅速制定火山灾害的应急决策以及开展快速救援行动，必须首先了解火山灾害的影响程度和范围，及时把握灾区的火山灾害总体情况。平台具有跟踪灾情现场和应急行动状况的功能，快速确定重点救灾区域，根据灾情产出应急决策。为紧急人员救助提供依据，可以争取时间，迅速救出被埋压人员。另外，火山灾害发生后，极易导致公众的恐慌与混乱，严重影响社会秩序，通过向全社会公布灾情信息，有助于加强正面宣传和舆论引导，保障公众与社会知情权，避免不必要的恐慌，有助于维护社会稳定和有秩序地应急响应。

1.4 满足预警信息服务需求

平台是整个“长白山天池火山监测预警系统建设项目”的应用部分，是信息服务窗口。它直接面对各类型的服务对象，承担着火山灾害预警发布、灾情发布和应急对策信息的发布任务。为政府部门、企事业单位和民众提供步调一致的应急行动信息。只有将这些信息迅速发送给服务用户，才能最终实现本工程的防灾减灾目标。该系统能否实现稳定、实时、准确地工作，将最终决定整个项目总体效益的发挥。

国务院、省、地市级抗震救灾指挥中心在接收到火山预警信息后，根据灾害应急预案，迅速启动应急系统，通过信息发布系统，为火山应急救援提供信息和技术支持。利用火山预警信息，快速启动国务院和省级抗震救灾指挥中心应急指挥技术系统，可以大幅度地缩短应急救援的响应时间，最大限度地减轻火山灾害损失。

国家级电视台和广播电台、省级电视台和广播电台等部门接收到火山预警信息后，可以快速地告知民众，采取紧急疏散措施，最大限度减轻人员伤亡。大型企业单位、重大工程、生命线工程等部门可利用预警信息，采取紧急救灾措施，减少经济损失。

2 平台设计技术路线

吉林省地震局“十五”期间已建成实时地震监测多手段传输信息网络系统，地震应急指挥系统，办公楼区有近900m的空间可作为应急指挥场所、公众展示场所、机房、操作室、指挥室、新闻发布室，满足平台建设的基建要求。在此基础上建立火山监测数据实时分析处理系统，实现对火山活动的动态监控，为火山喷发危险性分析和预警级别判定提供基础信息。建立火山喷发危险性识别与灾害风险区划、现场灾情速报与损失评估、应急预案与对策信息服务为一体的火山监测预警平台，为政府应急决策、公众逃生避险和应急救援行动提供及时的火山灾害预警信息服务，为有效减轻火山灾害发挥重要作用。

平台由数据汇集与存储系统、数据分析与成像系统、风险识别与判定系统、灾害预测与应急系统、灾情速报与评估系统、信息分析与发布系统、火山监测预警中心预警信息显示系统、火山监测预警中心机房与网络系统8个部分组成（图1）。其中，前6部分主体为方法和软件设计，后2部分属基础设施设计。

2.1 数据汇集与存储系统

多源多学科数据合理、全面的存储于规范化、统一的数据库中，是平台正常运行的基础。数据库根据现实性可分为实时传输数据库和非实时传输数据库两类（图2）。实时传输数据库定义为火山监测网络数据库，用于存储火山监测台网实时传输的地震数据、形变数据、流体数据、影像数据。非实时传输数据库经过数据入库工程开展的数据资源调查评估、多源数据耦合与挖掘、数据标准化处理、数据入库一系列工作形成的海量数据库，数据存储容量达TB级。非实时传输数据库根据学科和功能的需要分为5类，分别是：基础数据库、火山活动数据库、火山灾害监测数据库、火山对策应急响应数据库、火山预警模型知识库。数据存储选用ArcGIS规范化的地理信息数据库标准，Oracle关系型数据库管理系统，实现设计严格规范化、可维护性强、高移植性、运行稳定并高效、少有数据安全隐患。

2.2 数据分析与成像系统

对数据的处理、管理、成像操作是当今灾害预警平台具有的基本功能，结合本地化特色和功能要求，设计结构合理的数据分析与成像系统（图3）。数据处理功能是将火山监测台网中心实时传输地震、形变、流体、影像数据进行快速的处理，研发地震数据处理、形变数据处理、流体地球化学数据处理、影像观测系统4个子功能应用程序。数据管理功能是对数据库中的海量数据综合应用，研发消息交换与参数管理、地震参数速报、数据库管理、运行监控与展示服务4个子功能应用程序。数据成像功能是对数据库中的多学科数据综合分析和成图，包括研发火山区域多尺度三维地形成图、火山区域实体分布仿真成图、流体监测数据时间序列分析成像、形变监测三维反演成像、火山地震活动动态三维模拟、火山喷发三维场景模拟6个子功能应用程序。通过数据的处理、管理、成像功能的实现，揭示火山活动性变化规律，深层次挖掘动态数据隐含的火山活动特征信息。

2.3 风险识别与判定系统

火山喷发风险识别是指火山喷发的可能性，火山预警级别判定是指判别应急响应的级别。两者既有联系又有区别，各自的确定方法不同，作用也不同（图4）。火山喷发风险识别基于火山喷发相关模型和指标体系，利用火山监测系统数据处理的结果以及火山喷发危险性指标集，综合火山喷发危险性识别的专家意见，产出火山危险性识别软件产品，为火山喷发预测、预警级别判定以及启动应急响应提供重要依据。

火山预警级别判定是决定应急的级别，它不仅要根据火山喷发危险性会商的结论，而且要估计这种危险性可能造成的危害风险，包括灾害范围、灾害程度，对社会、经济带来的影响，应急行动的规模等，要制定一套行政审报发布程序，严格遵守。一旦判定预警级别，就必须迅速采取相应的有效应急响应行动。发布的预警级别就是应急响应行动的命令。

2.4 灾害预测与应急系统

灾害预测将火山喷发危害风险识别子系统产出的成果数据存储到火山灾害监测数据库、火山预警模型知识库中，再通过火山喷发灾害风险区划子系统产出灾害预测结果。预测结果可表示为火山喷发之前，估计出各种灾害在火山喷发的不同时段内，可能发生的影响程度，便于各级政府有目标的采取迅速有效的应急措施，对防范减轻火山灾害至关重要。

应急系统包括应急预案编制工程和应急对策制定子系统。通过建立应急预案编制规范、区域级应急预案编制、应急法规建议共同组成应急预案编制工程，并将成果数据入库到火山预警模型知识库，火山对策、应急响应类数据库。应急对策制定子系统利用数据库的海量信息汇集处理能力，依据现场灾情真实场景，以及现场应急行动进展情况，科学制定应急响应建议（聂高众等，2011）。灾害预测与应急系统功能拓扑如图5所示。

2.5 灾情速报与评估系统

火山灾害发生时，灾情变化有很大不确定性，只有跟踪掌握现场灾情状况，再现真实的灾害场景，反映现场应急行动进展情况，才能做出合理有效的应急响应行动指挥决策（聂高众等，2012）。灾区情况可通过两类方法进行描述，一是灾情速报子系统将灾区现场信息通过现场灾情信息集成处理与标识、灾情短信汇集处理两类通道，快速传输到火山监测预警中心的数据库；二是灾害损失评估子系统依据数据库海量资源，综合评价现场灾情信息，产出实际损失的评价结果（图6）。

现场灾情信息集成处理与标识设计部署了多种途径和方法跟踪灾害真实情景，将有多种灾害数据信息需要处理，有多种情景需要标识和再现。包括灾害类别、发生地点、危害程度等，也包括现场应急行动的进程、问题、需求等。需要本子系统进行灾情信息分类、数据处理、可视化标识才能清楚地显示出来。

灾情短信汇集处理基于建立培训专业与业余灾情速报员队伍，利用移动通信和基站定位技术，依托12322短信服务平台及灾情速报员网络，研制灾情调查信息的报送与灾情反馈信息的自动处理子系统。

灾害损失评估在灾害风险区划图基础上，利用区域基础数据信息，研究各种灾害风险导致发生危害损失及其影响程度的估计模型，建立损失区划方法，形成具有分析、判别以及数据可视化功能的灾害损失快速预估软件产品。综合现场灾情信息，产出实际损失的评价结果。

2.6 信息分析与发布系统

信息分析与发布是平台成果展示的窗口，包括空间数据高效管理服务、综合数据管理、系统维护、信息发布与核心控制4类功能（图7）。应用程序设计选用符合ArcGIS标准的RIA开发模式，研发B/S访问方式的系统软件（卢廷玉等，2012），具备远程操作、异地维护、多源信息发布的特点。

空间数据高效管理服务是空间数据高效管理服务软件，该软件是基于地理信息环境下开发的，针对多源多种海量数据库实现高效数据调用、成图显示、数据更新等需求的应用程序。旨在提高大型动态数据组调用速度，方便大型关系数据群的查询，提出优化的分布式计算与图形显示的构成方法。

综合数据管理是将火山监测预警中心和火山监测网络的遥测、监测数据，全部监测目录数据、台站信息、现场信息反馈、监测指标等数据通过跨系统数据库管理服务导入或录入至Oracle数据库中，形成数据集成与积累，为火山危险性会商、火山预警、应急对策、灾情预测与速报、应急信息发布等系统服务。

系统维护提供必不可少的辅助功能，定义系统的使用、签发、公文发放的部门与人员的权限，以保证系统及模块使用的安全、有效；形成固定模式的基础数据，便于系统使用；对数据成果定期备份；为用户提供系统使用帮助说明。

信息核心控制是平台的神经中枢，整个平台的消息转控中心。它负责收集整理所有外来的消息，由信息核心控制子系统统一调度传递到不同的系统；同时也负责把所有其他系统的信息按照要求传送到平台内部系统或者传送到平台外部，比如省市公共安全应急指挥中心，国家级火山中心等。使预警平台能顺利接收用户各类别访问，高效、稳定汇集分发大量信息与数据，保证数据交互安全。

2.7 机房网络与预警信息显示系统

利用吉林省地震局现有应急指挥大厅作为火山监测预警中心的应急指挥场所，利用门厅作为公众展示厅，并对两个大厅进行土建改造和软、硬件设备配置工作，实现预警信息显示系统的功能需求。应急指挥厅原有6块60寸显示屏幕将迁移到公众展示厅，作为公众展示厅的显示设备。应急指挥大厅总建筑面积400m，公众展示厅总建筑面积120 m，对其进行装修、布线、消防、避雷、安装等土建改造工程。软、硬件设备配置主要包括显示类设备、高清摄像视频采集类设备、机房切换及监视类设备、会议与音响类设备、控制系统及V3C可视化流程软件、辅助类设备、现场流动车等（图8）。

3 火山灾害预警流程

火山监测预警平台设计方案科学、合理，建设规模、投资规模适当，在空间布局和功能设计上能够满足天池火山灾害预警的需要，充分反映了我国在该领域的最新研究成果，发挥了火山监测预警系统的整体效能，可有效降低预警信息不可靠等带来的社会风险。各功能系统协同工作，实现了从数据实时传输到发布预警决策（李志强等，2005），总结出了一套严谨而又行之有效的火山灾害预警流程（图9）。

（1）数据分析与成像系统。实时处理由长白山区域火山中心实时传输的地震、形变、流体、影像数据，将处理后的数据存储到火山监测网络数据库中，并提供数据分析与数据成像功能。

（2）数据汇集与存储系统。构建多学科多源的海量数据存储数据库，开展数据入库工程，借鉴数据资源调查评估和多源数据耦合与挖掘数据标准，合理的研发数据资源存储数据库，满足数据访问需求。

（3）风险识别与判定系统。总结火山喷发危险性和预警级别的关系，提炼产出预警级别的各种具体指标集，建立预警判据标准。火山灾害发生前，经过标志识别与专家会商意见，确定绿色、黄色、橙色、红色4个危险性级别（表1）。

表1 危险性判别依据表

续表

（4）灾情速报与评估系统。火山灾害发生前，灾评速报子系统可产出丰富的灾害评估结果。火山灾害发生时，灾情速报子系统借助多种通讯手段收集灾区现场信息，经预处理后将成果数据传输到数据库中，结合灾评速报子系统产出更准确的灾害趋势描述信息，并将成果存储到数据库为其它子系统提供分析依据。

（5）灾害预测与应急。根据前期危险性分级与灾害评价产出成果，发布注意警惕级、警报级、灾害级、灾难级4级预警级别，产出全面的应急辅助决策方案。协助指挥员、行业专家部署应急方案，效率的开展应急救援行动。

（6）信息分析与发布系统。它即是信息传播共享的窗口，又是平台管理、维护、操作的窗口，整合所有数据库资源，集成所有子系统功能，可为火山应急避险、公众逃生避难、紧急救援提供科学依据。同时及时向社会发布火山喷发和灾害信息，保障公众知情权，使公众及时了解灾情，增加火山安全感。有助于加强正确的舆论引导，避免不必要的恐慌，维护社会稳定。

4 结论和意义

（1）借鉴国外火山灾害预警平台和国内地质灾害预警平台建设经验，结合吉林省地震局现有火山监测台网和灾害应急指挥场所基础设施，建设包括实现数据汇集与存储、数据分析与成像、风险识别与判定、灾害预测与应急、灾情速报与评估、信息分析与发布功能的综合火山监测预警平台，满足预警级别判定需求、火山灾害救援需求、预警信息服务需求。有效减轻火山灾害及其对社会经济的冲击和影响，为维护国家公共安全、构建和谐社会和保持经济社会可持续发展提供可靠的保障。

（2）灾时它是政府指挥救灾行动的参谋部。预警平台全天候把握着火山的脉搏，一旦发现火山的初动迹象，预警平台立即进入应急状态。在强化对火山活动监测分析的同时，立即启动火山危险性分析与预警会商，进行喷发危险性和预警级别的判定。一旦判定黄色、橙色、红色预警级别，预警平台会在10分钟内估计出灾害风险、影响区域和危害程度，并建议启动应急预案级别。并立即向灾害影响相关区域的各级政府、新闻媒体、企事业单位以及社会民众发布预警信息与应急建议，使其立即进入应急行动状态。

（3）平时它是火山科研、区域建设服务、培训和宣传的基地。利用预警平台，开展火山科学研究以及火山监测预警技术发展研究；开展长白山天池火山区域土地利用开发规划，产业经济发展，环境保护，项目选址等建设支持服务；可作为火山灾害应急演练指挥平台使用，也可用于火山灾害的科普宣传和应急教育基地。

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Research on Construction Technology of Early Warning System of Changbaishan Tianchi Volcano

Zhang Yu, Feng Qimin, Liu Ruifengand Yang Qingfu

1) Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130117, China 2) Ocean University of China, Qingdao 266100, China 3) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China

Changbaishan Tianchi Volcano is an active volcano which has the most potential to erupt in China. In this paper, we reviewed some disaster early-warning systems abroad, and developed a framework of such a system for Changbaishan Tianchi volcano. The result shows that the platform we developed is capable of providing storage and management of massive data warehouses, transmitting and processing of real-time data, risk classification, rapid reporting of disaster information, releasing of early-warning rate, disseminating and sharing of information. In practice, the platform is significant in prompting early-warning services for government in emergency decision, organizing evacuation from disaster, and planning emergency disposal of major projects.

Volcano disaster; Early warning platform of volcano; WebGIS; ArcGIS

地震行业科研专项资助项目（201208005）；国家自然科学基金资助项目（41072249）；吉林省科技发展计划资助项目（20082122）共同资助

2013-08-23

张羽，男，生于1980年。硕士，工程师。主要从事地理信息系统研发，地震、火山灾害应急、评估等方面工作。E-mail: 28620273@qq.com

张羽，冯启民，刘瑞丰，杨清福，2014．长白山天池火山监测预警平台构建技术研究. 震灾防御技术，9（2）：201—212.