山东省地质灾害精细化预警预报系统建设与功能简介

2023-02-19山东省国土空间生态修复中心沙令宝张晔魏嘉王庆兵贺敬

数字技术与应用 2023年1期

山东省国土空间生态修复中心沙令宝张晔魏嘉王庆兵贺敬

在近年来山东省地质灾害调查、省气象提供数据精度提高及省自然资源厅与省气象局地质灾害预警工作的不断深入基础上，我们开展了山东省地质灾害气象风险精细化预警预报研究，并进行了山东省地质灾害精细化预警预报系统建设。在构建山东省地质灾害精细化预警预报系统中采用面向服务的系统架构技术(SOA)，采用SOA 架构将数据作为数据服务进行发布，能更好地实现系统业务功能的集成，及更好的可扩展性与兼容性[1]。

1 山东省地质灾害精细化预警预报系统建设

在资料搜集分析的基础上，我们先后开展了预警预报方法研究和模型构建、数据库建设、地质灾害精细化预警预报系统建设、预警模型验证、系统集成、系统测试等工作。

（1）资料收集与数据开发：在多年地质灾害预警预报工作的基础上，收集并整理了全省区域性地质、历年来地质灾害调查与评价、全省三维公共信息平台数据、地质、水文地质、工程地质、环境地质等基础资料；收集全省自然地理数据、地质灾害数据、人类工程活动数据及其他数据；收集并整理了有资料记载以来的地震、降水、山洪灾害、土壤有关图件及各类规划图等资料。

省气象台研发了与精细化预警数据传输格式及系统运算方式相匹配的雨量站点实时降水数据、全省地质灾害隐患点未来24h、12h、6h 预报降水量、全省定量降水落区集合预报、精细化格点预报等高精度数据，满足地质灾害精细化预警预报工作的需求。

所收集资料均来自国土资源、水利、各地勘单位以及气象、地震等部门。

（2）预警预报方法研究和模型构建：本次在多年全省地质灾害预警预报工作的基础上，对精细化预警预报方法进行了深入研究，确定了参与计算的因子数据以及各因子在预警计算时的权重值和致灾营力值，构建了预警模型。选取了国内主流的信息量和证据权算法以及山东省前期经过大量研究和实践的归一化算法进行研究，通过3 种算法预警结果对比分析，确定并检验了本次增加了地质灾害易发性评价因子、提供多种预警模型算法、扩大了降雨数据来源的归一化算法为最适合山东省情的、可在日后应用于全省地质灾害精细化预警预报运行的预警预报法[2]。模型算法基于致灾因子和地质灾害发生的相关性分析，逻辑合理，符合山东实际。

（3）数据库建设：根据地质灾害精细化预警预报工作的相关业务数据构建了精细化预警预报数据库，主要包括自然地理数据、地质灾害数据、气象数据、致灾因子数据和其他数据。数据库建设参照国家及行业标准，结构合理、满足精细化预警预报系统建设需求。

（4）地质灾害精细化预警预报系统建设：本次基于研究的地质灾害精细化预警模型，构建了地质灾害精细化预警预报系统，包括基础地理信息等模块。

（5）预警模型验证：基于前期山东省已经发布的多年黄色预警数据，对系统模型运算结果进行模型验证，保证了气象预警工作的精度。

（6）系统集成：本次实现了系统的内部集成、与山东省地质环境信息化平台等的集成，保证了各系统平台之间的数据共享。

（7）系统测试：对系统各功能点进行了测试。

2 山东省地质灾害精细化预警预报系统功能简介

基于地质灾害精细化预警模型，构建了地质灾害精细化预警预报系统，包括基础地理信息模块、地质灾害信息管理模块、自动化监测模块、气象信息模块、预警分析模块、预警信息发布模块、应急管理模块、系统管理模块等模块。

2.1 基础地理信息模块

基于数据库构建的基础地理信息系统，是地质信息数据表达、可视化、查询统计、分析计算的主要载体；三维GIS 模块可以展示数据库内的本底数据、业务数据、数据产品和信息产品，集成各个业务应用；实现面向地质灾害业务的GIS 和三维GIS 空间分析功能。

该模块的功能包括：二维及三维GIS 基础功能及信息服务；二维、三维空间数据可视化及浏览查询。

2.2 地质灾害信息管理模块

基于数据库，实现滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂缝调查表的信息维护、浏览、查询和可视化。

2.3 自动化监测模块

自动化监测模块主要是集中传感器数据采集、图形化展示、数据分析、预警管理等功能于一体，能够实时监测位移、实时雨量、灾害体内部外部位移以及视频监控等重要地质灾害监测参数。通过将实时监测数据进行归一化处理，并进行综合比较分析。把相关参数统一呈现在相同时间轴的曲线上，根据图形曲线得出各类灾害体运行数据的时间和空间的相关性，并对灾害体健康状况进行综合判断。

本系统中地质灾害自动化监测模块主要是集成地质灾害专业监测预警平台上的功能和数据，包括对监测点、监测设备的管理以及监测数据查询浏览和视频可视化功能。自动化监测模块的监测数据可以为气象预警提供辅助支撑，在编辑预警成果时可以综合考虑地质灾害的自动化监测数据对预警结果进行人为调整。通过设置不同类型灾害点的临灾阈值，构建预警策略，实现了基于自动化实时监测数据的点对点预警预报，有效地提高了全省地质灾害监测预警精度及地质灾害防治工作水平[3]。

2.4 气象信息模块

包括降雨量查询、实时雨量监测、天气预报、降雨等值线等的管理维护等功能。

2.5 预警分析模块

预警分析模块是本系统的核心模块。预警分析模块通过山东省地质灾害分析模型，综合考虑影响地质灾害发生的各种因素，利用GIS 空间分析功能，进行微分网格化计算，经过空间栅格化处理生成单元致灾营力值，利用地质灾害精细化预警预报软件进行条件追踪，根据追踪结果自动生成地质灾害危险性分区。

预警分析提供3 种分析计算的方法，包括归一化、信息量和证据权，用户可根据需要选择不同的计算方法以及对应的易发性分区图，系统默认的是归一化的计算方法。选择好预警时间段后，系统自动查询对应日期的实际降雨量和预报降雨量，根据程序写好的对前期和预报降雨量进行处理，然后插值计算生成降雨量栅格图，根据预警计算的方法将易发性分区图和降雨量栅格图进行叠加计算，生成预警结果图，然后通过预警编辑功能可以对预警结果进行编辑，同时叠加行政区划、标题、预报词、图例等生成最后可以发布的预警成果图。

该模块的功能如下：

（1）参数设置：在预警计算之前选好易发性分区图和预警时间后，可根据不同的预警分析计算方法对自身、降雨等致灾营力数据和预警矩阵等进行设置，可以由业务人员自定义设置，默认的为设置好的参数，特殊情况需要手动调整参数的时候可以使用该功能调整。该模块主要实现签批流程、预警区域和预警模型的设置。预警矩阵的设置主要是在上传信息量和证据权图的时候会用到。

参数设置部分所有参数都为设置好的默认参数，当需要手动设置的时候可以根据需要手动设置。包括预警区域设置、易发性分区图设置、预警矩阵设置和雨量站设置。

（2）预警分析计算：选择预警时间后，进行预警分析相关计算，包括自身、降雨等致灾营力数据的叠加计算等。

系统在预警分析计算时，在没有突发强降雨天气的情况下，系统后台自动同步气象局专网FTP 上的国家级气象站以及区域气象站的实时监测数据以及未来24h 的预报降水量等数据；当发生强降雨情况或者突发天气情况时，预警人员可以手动导入精细化预报数据，利用精细化预报数据再进行精细化预警计算。

（3）三维加载展示：将地质灾害危险性分区加载到三维视图上显示。

（4）预警结果展示：自动生成预警分析原始结果，如图1 所示。

图1 预警结果展示界面Fig.1 Display interface of alert results

（5）预警结果编辑：预警业务人员还可实现对预警区域的点、线、面手动编辑功能。

（6）预警信息描述：自动生成预警信息，预警业务人员可根据实际情况编辑修改信息内容。

（7）预警结果报表：预警计算完成后，将预警结果与灾害点、群测群防点、行政区划等进行叠加分析，生成相应的统计报表。

（8）综合致灾营力查询：已经计算完成后，可以手动查询某一点的致灾营力值，也可以自动查询出最大致灾营力值并在三维球上定位到该点。

（9）预警成果：预警计算完成后，将预警原始结果与行政区划等进行叠加，添加预报词，生成可用于发布的成果图件。

（10）预警信息入库：预警计算和制图完成之后，即可将预警相关信息进行入库，预警信息进入待签批状态。

2.6 预警信息发布模块

预警发布模块包括签批流程设置、预警成果签批和预警成果发布3 个功能。预警成果入库之后，即进入预警发布环节。

（1）签批流程设置：管理员功能，可对每一个预警区域设置入库成果消息接收人（签批人）、发布人、短信发布接收人和邮件发布接收人。

（2）预警成果签批。有权限签批的业务人员，登陆系统后即可看到所有待签批的预警信息，选择一个预警结果后，可执行“同意发布”“不同意发布”2 个签批操作。

（3）预警成果发布。将经过签批的预警产品通过自然气象专线FTP 上传给省气象台，省气象台在山东卫视晚间新闻等媒介对社会公众进行发布；并可通过中国移动云MAS 以短信方式对省自然资源厅相关领导、十六地市自然资源局相关人员及预警区内群测群防员发布预警信息。另外还在山东省自然资源厅和山东省国土空间生态修复中心以网页形式进行发布。

（4）签批日志管理。对预警结果的签批文件和日志文件进行管理。

2.7 应急管理模块

该模块主要包括应急分析、应急预案、应急处置等功能模块。

2.7.1 应急分析

应急信息立案后可以在应急分析中看到该条应急信息。并可以对灾害发生地点自动或手动划定影响范围，进行气象实况和预报信息分析，主要是实况雨量，天气预报，雷达图和云图查看。可以对灾害发生地区的地理信息进行分析，主要有地质灾害点、国道、省道、村庄等。系统可以根据相应的图层增加地理分析的内容。

2.7.2 应急预案

应急预案是对年度防灾预案和应急指挥预案进行编辑查询，以备应急指挥启动时调用。各级节点相关应急预案方案进行管理和查询。

2.7.3 应急处置

启动应急处置后，即调用预先制作的针对不同灾害类型和等级的应急预案进行应急处置。在已经建设好的视频会议等软硬件平台的基础上，应用本系统的功能模块。针对某一险情发起的会商，基于数据中心和业务应用系统提供会商中需要的各类信息，并将得出的建议（险情处置方案）与报告发送到相应单位，为预警指挥、应急决策提供一站式的辅助决策平台。