安徽省旱情监测预警综合平台研究与建设

2021-01-04杨晓静孙洪泉苏志诚张泽天

水利信息化 2020年6期

杨晓静，孙洪泉，苏志诚，张泽天

（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3. 安徽省机电排灌总站，安徽合肥 230000）

0 引言

气候变化背景下，干旱发生频率及旱灾损失程度呈显著增强的趋势[1-2]。安徽省是我国重要粮食生产区之一，2015 年以来全省粮食产量占全国比例稳定在 6.0% 左右。根据《中国统计年鉴》（2010—2019 年）数据，近 10 a 安徽全省平均因旱受灾面积达 45.54 万 hm2，其中 2013 年因旱受灾面积高达 116.50 万 hm2（占当年粮食作物播种面积的16.54%）[3]。与其他类型气象灾害相比，干旱具有潜伏性、可解除性、持续时间长及影响范围广的特点，因此建立健全长效旱情监测机制对保障区域粮食安全具有十分重要的作用。

旱情监测预警是新形势下防汛抗旱方面的主要职责之一，旱情监测预警综合平台建设是准确掌握和发布旱情的有力手段，是落实抗旱减灾“两个坚持、三个转变”的重要举措，是补齐旱情监测预警信息化短板的具体行动[4-6]。安徽省已有的干旱方面的研究主要集中在气象干旱监测[7]、遥感旱情监测分析[8-10]、干旱指数应用对比分析[11]，其中时间尺度上主要针对历史干旱特征进行分析研究，而专门针对防旱抗旱工作业务化需求的旱情监测预警综合平台方面的研究较少。对安徽省旱情监测预警业务而言，省级抗旱信息化建设主要是通过雨水墒情进行旱情分析的，与新形势下的“哪里旱、有多旱、旱多久、怎么办”的旱灾防御新需求仍存在一定差距。特别在对区域精准化旱情分析、受旱面积评估及展示等方面已不能满足推进信息化抗旱管理的新需求，亟需完善现有监测体系和旱情评估系统，提升旱情监测预警水平。

因此，本研究旨在减少业务过程中对旱情空间分布范围“摸不清、抓不实、难落地”的情况，开发过程中以安徽省旱灾防御业务需求为导向，着力提升旱情监测准确性并完成安徽省旱情监测预警综合平台（以下简称综合平台）的开发及应用。

1 综合平台设计

1.1 综合平台定位

综合平台紧密围绕着防旱抗旱工作中“哪里旱？有多旱？旱多久？怎么办？”4 个方面的重点业务问题，总体目标为实现安徽全省旱情发展形势的全面监测，促进旱灾防御工作方式向更加智能、科学、高效的方式转变，提高全省防旱抗旱能力，提升防旱抗旱信息化水平。建设过程中融合多源大数据和人工智能计算优势，最终自动生成全省逐日旱情综合监测图。水旱灾害防御部门能够基于旱情综合监测一张图及时掌握旱情发展变化情况，实现实时旱情监测、预警及防御指挥。

1.2 综合平台架构

综合平台采用成熟的 SOA 架构，针对平台系统内部功能组件特点同时集成 B/S 和 C/S 结构优势。综合平台架构划分为 3 个层次和 2 个体系，具体架构如图 1 所示。

3 个层次和 2 个体系具体分析如下：

1）数据信息层。数据信息层是系统信息汇集和数据存储与管理的基础。通过数据收集整理、汇集，建设旱情综合数据库，提供数据访问、存储等各项数据的管理服务。对业务、实时监测、空间、遥感、专题等数据进行建库，给上层应用提供数据支撑。

图 1 综合平台总体架构

数据信息层通过统一的数据访问和服务等接口进行综合管理，包括事务、数据源等管理，其中事务管理包括数据的抽取、转换、加载。在数据信息层建立统一的服务接口，针对基础地理、干旱指标专题、元数据和空间等数据提供服务接口，保证数据安全性的同时，增强数据面向业务应用的灵活性，方便数据之间的组合和逻辑封装。

2）应用服务支撑层。应用服务支撑层提供统一的技术架构和运行环境，为综合平台建设提供通用的应用和集成服务。为资源整合和信息共享提供运行环境，应用服务层主要包括基础工具、气象干旱、水文干旱、墒情、遥感干旱等监测产品服务，以及旱情综合监测评估产品服务。

3）业务应用层。为最终用户提供系统化的 Web服务。业务应用层是系统应用的核心体现，开发的综合平台实现了动态旱情监测、旱情分析及统计，为防旱、抗旱、减灾科学决策提供有力支撑。

4）标准规范体系。标准规范体系是用于支撑综合平台建设和运行的基础，是实现应用协同、系统扩展和信息共享的需要，同时有利于节省项目建设成本，提高项目建设效率的需要，兼顾系统不断扩充、持续改进和版本升级的需要。

5）安全保障体系。安全保障体系是保障系统安全应用的基础，包括访问、服务、应用、流程、平台、数据、存储、主机、网络及运行等方面的安全。

1.3 综合平台关键技术

综合平台的实现基于前端数据集成与处理，结合抗旱业务特征的旱情综合监测模型程序、监测结果可视化及产品服务，主要包括以下 3 个方面的关键技术：

1）分布式数据同步和处理技术。综合平台采用分布式数据同步和处理技术，具有时效性高、稳定性强、拓展性广的优势，其中需要同步和处理的数据包括地理信息、气象、水文、土壤墒情、遥感、旱情监测统计、旱灾统计等数据。元数据在同步方式上包括数据库直连、接口提供、结构类文件管理等技术方式，其中对结构化数据的数据字典、非结构化数据的元数据信息、业务指标、代码、数据加工过程等综合信息，实现多采集程序并发执行同步任务，分布式进行信息处理。

2）基于下垫面的旱情综合监测技术。综合平台的核心是在安徽省水利厅旱灾防御业务需求下提供旱情一张图。综合平台中旱情一张图生成依托于自主研发的基于下垫面的旱情综合监测技术生成。该技术利用气象、水文、墒情、遥感等多源数据，超过 13 个指标，结合土地利用、土壤类型、作物分布、灌溉情况等下垫面信息，实现灌溉和非灌溉农业、林地、草地、生态湿地等旱情的综合评估。结合安徽省农业生产特征，分别针对典型的农作物（水稻、冬小麦、玉米）开发了具有区域特色的分布式农业旱情综合监测评估模型。基于下垫面的旱情综合监测技术采用网格化的分布式处理技术，利用实时监测数据，在综合平台中逐日滚动生成最小评估单元为 1 km×1 km 网格大小的旱情评估结果。

3）面向多部门的数据共享服务技术。在安徽省水利一张图的整体架构下，集成全省水利数据共享平台优势。综合平台提供多类别多时间尺度的旱情监测产品服务，特色产品服务包括气象、水文、农业、遥感等分类旱情监测图，以及旱情综合监测评估图等系统化的监测结果。综合平台服务对象具有多元化特点，技术上实现精准化面向定向人群提供监测产品服务。服务形式多样，提供 API 接口服务、动态推送、个性化定制等服务方式。数据共享服务技术可为旱灾防御业务提供有力支撑，同时可为多部门、跨行业、面向公众和企业提供个性化数据共享服务。

1.4 综合平台主要特点

综合平台的主要特点如下：

1）融合多源数据。利用气象、水文、农业、遥感等多源旱情监测数据，结合土地利用、土壤类型、作物分布、灌溉情况等各种与旱情相关的下垫面信息，进行全面、深入的旱情评估，尽可能地反映和刻画真实旱情。

2）集成多类技术方法，技术体系成熟。充分利用统计分析、数据挖掘、大数据、人工智能、遥感与地理信息系统、自动测算与控制等多项先进技术，实现数据汇集、融合、分析评估的智能化数据分析过程，形成一套规范化的旱情综合监测评估技术体系。

3）旱情综合监测产品集类别丰富。在旱情综合监测图生成过程中同时生成气象、水文、农业、遥感等多类别指标的干旱监测产品，提供系统化监测结果及产品服务。最终形成的旱情综合监测产品可客观反映“哪里旱？有多旱？旱多久？怎么办？”等抗旱决策中的核心问题。

2 功能模块

综合平台从旱灾防御业务需求出发，注重提供真实、智慧、高效的旱情信息，以旱情监测信息化驱动水利信息化。综合平台的服务对象是旱灾防御工作决策指挥人员，核心功能模块包括旱情综合监测、对比、演变、统计等模块。

2.1 旱情综合监测

旱情综合监测功能模块中融入基于下垫面条件的旱情综合监测评估技术，集成针对安徽省主粮作物构建的分布式农业旱情综合监测评估模型。实现了 1 个平台 3 级（省、市、县）共用，在展示形式上，能够直观反映区域“哪里旱？有多旱？”，基于GIS 地图进行综合旱情监测评估成果展示与查询。系统主界面默认显示当日全省旱情综合监测图、统计表格等，其中旱情综合监测统计结果以县为最小单位。可以按用户需求选择日期、区域进行旱情综合监测结果查询，主界面上展现不同旱情等级空间分布图、过去近 1 个月该地区受旱面积变化过程曲线。

2.2 旱情对比

旱情对比功能模块旨在提供旱情形势的对比分析手段，解决业务工作中急需掌握的“有多旱？旱多久？”等问题，更客观地反映当前旱情发展形势。展现形式上，旱情对比功能模块提供 2 个不同时期或旱情监测评估产品的对比功能，用户可以将当前旱情形势与历史同期进行比较，也可以与特定一段日期进行比较。在展现形式上，可将任意 2 个不同时期的旱情综合监测一张图平铺显示，同时以表格的形式显示相应的统计信息。系统默认显示当前的与前一周的旱情综合监测评估结果，用户可根据应用需求通过时间选择窗口控制界面显示内容。集成到旱情对比模块的指标有 5 类共计 13 个，各个指标的数据产品均覆盖安徽全省。

2.3 旱情演变

旱情演变功能模块开发目标重点针对业务需求“旱多久？”，同时为决策过程中“怎么办？”提供历史同期易旱高风险地区预警、当前旱情严重地区标识及未来可能持续干旱的高风险地区识别，在展现形式上，提供指定时段内的旱情综合评估图的动态演示功能，用户可以选择要演示的动画时段（如4，12，24 周，1 a 等），通过动态变化图直观查看旱情的发生发展情况。用户也可以通过拖动时间轴的方式改变演示的起止时间，同时可以结合业务分析需求自动导出全省旱情综合监测统计数据。

2.4 旱情统计

旱情统计功能模块作为抗旱决策指挥工作中解决“怎么办？”问题的有力支撑工具，可为抗旱统计上报、应急响应及决策指挥提供有力的数据支撑。可提供各类数据的查询、统计、导出功能，为抗旱应急响应及决策支撑的数据集包括气象、水文、墒情、遥感、旱情综合监测的实时和历史及对比数据。综合平台界面默认显示全省旱情综合监测统计图及各地市不同旱情等级动态变化过程。

3 综合平台应用

3.1 应用示范

2019 年安徽省遭受了特大干旱，为验证综合平台的准确性，利用综合平台对 2019 年全年旱情进行全过程实时动态监测。结果表明全省 2019 年上半年出现旱情的区域较少，下半年全省旱情越来越严重，主要经历了以下 3 个阶段：

1）第 1 阶段是 7 月下旬至 8 月上旬的淮河流域及长江以北山丘区干旱。由于降雨严重偏少，加之持续高温，淮北地区土壤失墒严重。7 月 17 日开始，淮北部分地区出现旱情并向南发展；7 月 26 日，旱情扩展到沿淮及江淮之间北部；8 月初，旱情扩展到长江流域的山丘区，全省受旱面积一度达33.33 万 hm2。在全力供水浇灌和“利奇马”台风降雨的共同影响下，第 1 阶段旱情 8 月上旬基本解除。

2）第 2 阶段是 9 月开始的淮河以南地区严重干旱。8 月 12 日以来，淮河以南地区降雨、来水异常偏少，旱情自 9 月开始逐步显现。综合降雨、连续无雨日、来水量和蓄水量分析，淮河以南大部遭受25～30 年一遇严重干旱，局部 30～50 年一遇特大干旱。

3）第 3 阶段是 11 月末全省大部分地区的降雨有效缓解了严重旱情。11 月 25 日左右，全省普遍降雨，虽然降雨量并不大，但对于缓解当前严重的农业旱情形势而言，真正发挥了“久旱逢甘霖”的作用。不过，此次降水过程并未解除当前的城市供水和农村饮水困难问题，未来一段时间的抗旱压力仍然较大。

3.2 旱情综合监测结果验证

综合平台中旱情综合监测分为轻度、中度、严重、特大等 4 类旱情等级，轻度干旱主要表征区域可能存在受旱风险，可用于旱情早期发展的预警，中度及以上旱情等级用于表征区域实际受旱情势。为更好地验证综合平台监测结果的客观性和准确性，在 2019 年 9—11 月期间对合肥、六安、安庆、蚌埠、滁州等地市进行实地调研，并在全省和典型受旱城市安庆进行对比验证分析。对比验证方法为：以综合平台旱情综合监测结果中的中度干旱及以上旱情等级的受旱面积之和，与实际旱情/灾情数据进行对比验证。具体验证分析如下：

1）全省 10 月旱情。安徽省农业农村厅数据[12]表明：截至 2019 年 10 月 27 日，全省农作物因旱受灾面积为 47.81 万 hm2。综合平台 2019 年 10 月 28 日监测结果显示，全省中度干旱及以上的受旱面积为44.08 万 hm2。对比分析发现：综合平台旱情综合监测得到的受旱面积与全省实际农作物因旱受灾面积相差小于 8%，且旱情空间分布情况与全省实际情况相符，综合平台能较为客观地反映全省实际旱灾情势。

2）安庆市 10 月旱情。据农业部门统计[13]，安庆全市秋收作物总面积为 35.20 万 hm2，其中受旱面积为 14.20 万 hm2。综合平台监测结果如图 2 所示，图中显示：安庆市中度干旱及以上的受旱面积为14.26 万 hm2，其中特大干旱受旱面积为 0（＜ 0.1 %），严重干旱受旱面积为 7.20 万 hm2（12.5 %），中度干旱受旱面积为 7.06 万 hm2（12.27 %）。全市受旱最严重的 3 个县分别为宿松县（受旱面积为 2.83 hm2）、枞阳县（受旱面积为 2.68 万 hm2）、怀宁县（受旱面积为 2.28 万 hm2）。综合平台监测结果（14.26 万 hm2）与农业部门统计的全市受旱面积（14.2 万 hm2）相差不到 1%。

通过对比验证发现：在全省及典型城市范围内，综合平台旱情综合监测结果均能客观反映实际旱情空间分布情况，并能较准确地定量表征区域旱情/灾情。

4 结语

安徽省旱情监测预警综合平台瞄准了灾害防御过程中关切的“哪里旱、有多旱、旱多久、怎么办”等核心业务需求，实现了面向旱灾防御的数据资源优化应用，融入了基于下垫面的旱情综合监测技术，可实现旱情综合监测、对比、演变及统计。综合平台已在安徽省水利厅实现了业务化应用，在2019 年全省遭受特大干旱期间，充分印证了综合平台的精准性、高效性。综合平台的建成及应用有力强化了安徽省旱灾防御业务技术支撑，同时也有助于全省水利信息化水平的提升。