吉林省山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用

楊雪艷，王前進(jìn)，慕秀香

(1.吉林省氣象臺(tái)，吉林長(zhǎng)春 130062；2.北京國(guó)遙新天地信息技術(shù)有限公司，北京 100101)

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吉林省山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用

楊雪艷1，王前進(jìn)2，慕秀香1

(1.吉林省氣象臺(tái)，吉林長(zhǎng)春 130062；2.北京國(guó)遙新天地信息技術(shù)有限公司，北京 100101)

綜合應(yīng)用GIS空間分析和制圖技術(shù)、SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)以及C#編程語(yǔ)言及與其相關(guān)的NET技術(shù)，開(kāi)發(fā)了吉林省山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息建庫(kù)及數(shù)據(jù)管理、山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、加密站雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)報(bào)警、預(yù)警產(chǎn)品制作分發(fā)、歷史模擬等功能。該系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用以來(lái)，多次對(duì)山洪地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警，在山洪地質(zhì)災(zāi)害防御工作中發(fā)揮了重要作用。

山洪；地質(zhì)災(zāi)害；GIS；監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

山洪地質(zhì)災(zāi)害是影響我國(guó)的主要自然災(zāi)害之一，近年來(lái)呈現(xiàn)多發(fā)重發(fā)態(tài)勢(shì)。由于山洪地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、致災(zāi)重，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，關(guān)系經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)和諧穩(wěn)定，因此，各級(jí)政府和廣大公眾對(duì)山洪地質(zhì)災(zāi)害防御工作非常重視。研究表明，山洪地質(zhì)災(zāi)害與地形、地貌以及巖性條件密切相關(guān)[1-2]，而暴雨、強(qiáng)降雨是山洪、滑坡、泥石流、塌陷的主要誘因[3]。如2010年8月7日，甘肅舟曲由于突發(fā)強(qiáng)降水引發(fā)了特大泥石流災(zāi)害，造成1 467人遇難，298人失蹤[4]。2012年10月4日云南彝良受連續(xù)強(qiáng)降雨影響出現(xiàn)山體滑坡，造成19人遇難[5]。對(duì)于山洪、地質(zhì)災(zāi)害的防御重在監(jiān)測(cè)和預(yù)防，廣大學(xué)者在山洪、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警等方面已有諸多研究[6-8]。為提高山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，一些地方開(kāi)展了山洪地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[9-11]，為做好吉林省由于暴雨、強(qiáng)降水引發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害的防御工作，吉林省氣象臺(tái)組織建設(shè)了基于二三維GIS的集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢、山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、預(yù)警制作發(fā)布為一體的山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了吉林省重點(diǎn)防治的山洪溝、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警。該系統(tǒng)在2013年建成以來(lái)，在山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了重要作用，在防災(zāi)減災(zāi)中取得了明顯效益。筆者重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及應(yīng)用情況，以期為相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供參考。

1 系統(tǒng)主要功能

吉林省山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)主要包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息建庫(kù)及數(shù)據(jù)管理、山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、加密站雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)報(bào)警、預(yù)警產(chǎn)品制作分發(fā)、歷史模擬等功能，并且加載了測(cè)量工具，開(kāi)發(fā)了二三維一體化聯(lián)動(dòng)功能(圖1)。

1.1 建立了基于GIS的包含基礎(chǔ)信息、災(zāi)情、實(shí)時(shí)氣象資料、預(yù)報(bào)報(bào)警產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)查詢、修改、添加、刪除等管理功能

1.1.1基礎(chǔ)新數(shù)據(jù)庫(kù)信息。收集整理山洪、地質(zhì)災(zāi)害各類資料，制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式與規(guī)范，建立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要涵蓋山洪溝和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、地理及經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息的基礎(chǔ)信息、災(zāi)情信息以及預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品信息。根據(jù)數(shù)據(jù)入庫(kù)方式分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

基礎(chǔ)信息靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)包含吉林省重點(diǎn)防范的63個(gè)山洪溝、138個(gè)泥石流、21個(gè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的位置信息及山洪、泥石流、滑坡災(zāi)害個(gè)例；包含各縣(市)山洪、地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)的每個(gè)自然村的鄉(xiāng)村名稱、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村基本情況(鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村名稱、土地面積、耕地面、總?cè)丝凇⒓彝魯?shù)、房屋數(shù)、負(fù)責(zé)人、聯(lián)系手機(jī)、防汛負(fù)責(zé)人等)、山洪災(zāi)害影響情況、小流域基本情況、山洪歷史情況、縣堤防基本情況、水庫(kù)基本情況、歷史災(zāi)情、水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等信息；包含加密自動(dòng)氣象站點(diǎn)信息。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)包含加密自動(dòng)氣象站分鐘雨量數(shù)據(jù)、小時(shí)雨量數(shù)據(jù)、日雨量數(shù)據(jù)、雷達(dá)估算面雨量數(shù)據(jù)以及降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)自動(dòng)添加新資料入庫(kù)；還包含63個(gè)山洪溝、138個(gè)泥石流、21個(gè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的1、3、6、12、24 h致災(zāi)臨界雨量閾值。

1.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能。主要開(kāi)發(fā)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查看、添加、修改、導(dǎo)出、數(shù)據(jù)切換等功能。

1.1.2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢。開(kāi)發(fā)了對(duì)山洪、地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)的每個(gè)自然村的情況、防汛聯(lián)系人、歷史災(zāi)情等各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢功能(圖2)。

開(kāi)發(fā)了吉林省1 056個(gè)氣象站點(diǎn)、63條山洪溝和159個(gè)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)在GIS上的可視化顯示功能(圖3)。

實(shí)現(xiàn)了區(qū)域加密氣象站數(shù)據(jù)、山洪溝、滑坡、泥石流信息以及臨界雨量閾值信息的修改維護(hù)功能。點(diǎn)擊圖4所示數(shù)據(jù)管理選項(xiàng)卡，進(jìn)行相應(yīng)修改或?qū)С觥?/p>

1.2 開(kāi)發(fā)了山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的加密站雨量和雷達(dá)估測(cè)雨量，利用反距離加權(quán)插值算法，計(jì)算了各山洪溝、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)1、3、6、12、24 h面雨量。當(dāng)某個(gè)災(zāi)害點(diǎn)(或山洪溝)面雨量超過(guò)某一時(shí)長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)臨界雨量時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲音報(bào)警，并在三維平臺(tái)上在相應(yīng)的報(bào)警點(diǎn)按報(bào)警等級(jí)閃爍不同顏色的圖標(biāo)(圖5)。

根據(jù)實(shí)況雨量數(shù)據(jù)生成的報(bào)警點(diǎn)信息可以隨時(shí)導(dǎo)出文本文件，可以發(fā)布到相關(guān)部門或共享到相關(guān)系統(tǒng)。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存相關(guān)報(bào)警點(diǎn)信息。

1.3 開(kāi)發(fā)了加密氣象站雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)吉林省1 056個(gè)加密氣象站點(diǎn)降雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。提供了加密氣象站雨量監(jiān)控的時(shí)間設(shè)置、最小雨量值設(shè)置，對(duì)降雨超過(guò)最小閾值、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm、150 mm、200 mm的站點(diǎn)提供了聲音的報(bào)警功能，在列表欄中顯示站點(diǎn)、最新雨量、站點(diǎn)所在縣區(qū)及出現(xiàn)時(shí)間(圖6)。同一級(jí)別的報(bào)警只要預(yù)報(bào)員查看過(guò)，下一分鐘刷新時(shí)就不再報(bào)警，直到達(dá)到高級(jí)別閾值則會(huì)再次報(bào)警，從而解決了預(yù)報(bào)員不停查看同一報(bào)警級(jí)別的困擾，同時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)將最新報(bào)警站點(diǎn)放在列表的最前頭，方便雨量監(jiān)視人員看到報(bào)警的順序、出現(xiàn)時(shí)間。針對(duì)當(dāng)前報(bào)警點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警點(diǎn)二三維的實(shí)時(shí)定位查看功能。 同時(shí)提供了快速查詢的某一閾值、某一時(shí)間段雨量快速查詢的功能。

在雨量查詢和加密站報(bào)警界面都可以導(dǎo)出加密站報(bào)警列表，設(shè)置了加密站雨量柱圖顯示及切換功能。點(diǎn)擊所在加密站行后的按鈕，即彈出柱狀圖。柱狀圖為當(dāng)前時(shí)間的前24 h每個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊某個(gè)小時(shí)的柱圖，還可顯示該小時(shí)內(nèi)每分鐘雨量數(shù)據(jù)(圖7)。如點(diǎn)擊分鐘級(jí)雨量柱，則會(huì)切換到24 h雨量柱狀圖界面。

同時(shí)開(kāi)發(fā)了加密氣象站點(diǎn)的雙擊定位功能。雙擊列表中的某一個(gè)加密氣象站，二維中定位到該站點(diǎn)位置(圖8)。

1.4 山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)報(bào)警功能根據(jù)預(yù)報(bào)人員選擇的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)長(zhǎng)以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品起報(bào)時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將該數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品按反距離加權(quán)插值方法計(jì)算出各山洪溝、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的雨量預(yù)報(bào)值，并自動(dòng)與該時(shí)長(zhǎng)4個(gè)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)閾值進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到或超過(guò)閾值即進(jìn)行報(bào)警。用于預(yù)報(bào)報(bào)警的數(shù)據(jù)主要有區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF的3 km×3 km降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品(圖9)、EC細(xì)網(wǎng)格降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品等數(shù)據(jù)。

1.5 預(yù)警產(chǎn)品制作分發(fā)功能

1.5.1自動(dòng)生成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品。如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前有降雨量超過(guò)山洪或地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)臨界雨量閾值，自動(dòng)報(bào)警時(shí)，能夠生成山洪地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(圖10)，上傳到指定地址。

1.5.2人機(jī)交互制作預(yù)警產(chǎn)品。預(yù)報(bào)員可以根據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)況或預(yù)報(bào)報(bào)警點(diǎn)的數(shù)據(jù)采取人機(jī)交互的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品制作。首先選擇要制作的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品類型，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出基于二維GIS的實(shí)況或數(shù)值預(yù)報(bào)客觀預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)報(bào)員可以采用畫(huà)任意曲線(包含要修改的該點(diǎn)即可)，并點(diǎn)擊右鍵更改風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別的方式，對(duì)某一山洪溝(地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn))或多個(gè)山洪溝(地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn))的客觀預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行訂正(圖11、12)。

同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)提取山洪、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的信息，提供了文本編輯功能，設(shè)置完預(yù)報(bào)員、簽發(fā)員、時(shí)效、期數(shù)，進(jìn)行文字編輯(圖13)，文字編輯完成后，選擇生成產(chǎn)品，則系統(tǒng)自動(dòng)生成圖片、Word文檔(圖14)及中國(guó)氣象局所需的MICAPS第35類數(shù)據(jù)格式的文本文件3類格式產(chǎn)品。

1.5.3服務(wù)產(chǎn)品自動(dòng)分發(fā)功能。3類格式的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品均能按業(yè)務(wù)需求自動(dòng)生成文件名，發(fā)送到指定的地址中。

同時(shí)系統(tǒng)支持自定義的圖片截取、相關(guān)報(bào)警點(diǎn)的人文行政區(qū)域信息的提取，可將這些報(bào)警信息通過(guò)郵件、短信和傳真發(fā)送到各防治負(fù)責(zé)單位，以及向公眾發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警。

1.6 歷史模擬功能系統(tǒng)可利用歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)、加密站雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或精細(xì)化的雨量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模擬分析。

1.7 其他功能

1.7.1增加了測(cè)量工具。該系統(tǒng)中的常用測(cè)量工具包括點(diǎn)位坐標(biāo)(圖15)、高度測(cè)量、面積測(cè)量和距離測(cè)量等。

1.7.2二三維一體化聯(lián)動(dòng)功能。創(chuàng)新性地采用了二三維一體化的軟件平臺(tái)(圖16)，可同時(shí)兼顧系統(tǒng)未來(lái)的可擴(kuò)展性。二維中可以較簡(jiǎn)潔地顯示主要興趣點(diǎn)。三維中可以顯示多樣的矢量以及高清的遙感影像數(shù)據(jù)。同時(shí)未來(lái)可以顯示相應(yīng)的建筑物模型以及考慮到災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的模擬，都可建立在三維的場(chǎng)景中。二維和三維的結(jié)合更易滿足系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求以及未來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)展需求。

2 預(yù)警效果檢驗(yàn)評(píng)估

由于綜合利用了先進(jìn)的GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和編程技術(shù)，該系統(tǒng)建設(shè)以來(lái)在吉林省氣象臺(tái)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，能自動(dòng)利用雷達(dá)降水估測(cè)和自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山洪溝和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的降雨情況及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)情況，明顯提高了對(duì)山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，提高了預(yù)報(bào)人員的工作效率。2013年預(yù)報(bào)服務(wù)人員利用該平臺(tái)制作發(fā)布山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警23次、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警24次。依據(jù)實(shí)況災(zāi)情反饋情況對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果為山洪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警命中率36.8%、空?qǐng)?bào)率63.2%、漏報(bào)率5.3%，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警命中率59.1%、空?qǐng)?bào)率40.9%，漏報(bào)率0。

3 結(jié)論

吉林省山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)使吉林省形成了對(duì)重點(diǎn)防治的山洪溝和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)強(qiáng)降水以及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，同時(shí)由于可以對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)以及山洪溝未來(lái)降雨量進(jìn)行預(yù)測(cè)，也形成了對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警的能力，實(shí)現(xiàn)了山洪、地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，在防御山洪地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)揮了重要作用。但是，該系統(tǒng)在實(shí)際業(yè)務(wù)中山洪地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警還有一定的空?qǐng)?bào)率，分析原因主要是由于致災(zāi)臨界雨量閾值不精準(zhǔn)所致，為了提高預(yù)警準(zhǔn)確率，還需要研究和修訂各山洪溝、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)致災(zāi)臨界雨量閾值，業(yè)務(wù)系統(tǒng)也需要隨之改進(jìn)。

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Monitoring and Early Warning System of Mountain Torrents Geological Disasters in Jilin Province and Its Application

YANG Xue-yan1, WANG Qian-jin2, MU Xiu-xiang1

(1. Jilin Province Meteorological Observatory, Changchun, Jilin 130062; 2. EarthView Image Inc., Beijing 100101)

Application of GIS spatial analysis and mapping technology, SQLServer database technology, C# and d C# programming language related NET technology, monitoring and early warning system of mountain torrents geological disasters in Jilin Province was developed. The system mainly includes the basic database information database and data management, mountain torrents geological disaster risk real-time monitoring alarm, encryption meteorological stations precipitation real-time monitoring and alarm, the mountain torrents geological disaster risk forecast alarm, early warning products production distribution, historical simulation and other functions. The system has many business applications, accurate early warning of mountain torrents geological disasters, has played an important role in the mountain torrent geology disaster prevention work.

Mountain torrents; Geological disasters; GIS; Monitoring and early warning system

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130206089SF)。

楊雪艷(1969- )，女，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，碩士，從事災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)方法、氣象服務(wù)方法研究。

2015-01-20

S 127

A

0517-6611(2015)06-124-05