湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫設計與應用

霍芳HUO Fang；楊帆YANG Fan；鐘飛ZHONG Fei；曾洋ZENG Yang；甘克平GAN Ke-ping

（①湖北省地質環境總站，武漢 430034；②武漢愛迪科技股份有限公司，武漢 430034）

0 引言

數據是事物本質的外在體現，有必要從全局出發規劃數據體系[1]。數據庫的規范建設在地質災害氣象風險精細化預警工作中占據著重要的地位。世界各國都非常重視地質災害數據的收集以及數據庫的設計與建設等問題的研究。國外對地質災害數據庫的研究起步較早，研究比較成熟；與之相比，國內這方面的研究則相對欠缺[2]。

湖北省是中國地質災害多發省份之一，地質災害種類多、分布廣、危害大[3]。大部分地質災害的誘因都包括降水災害，對降水災害的預測是對其他地質災害預測的前提[4]，因此，地質災害氣象風險預警工作是湖北省地質災害防治的有效手段。湖北省自2003 年以來，利用武漢中心氣象臺提供的降雨數據，開展了地質災害氣象預警預報工作。2019-2021 年，宜昌市、荊門市等13 個市（州）和神農架林區建設了地質災害氣象風險精細化預警預報系統，初步建立了市（州）級地質災害氣象風險精細化預警體系。通過梳理以往歷史數據發現，省級和各市州級數據庫較為獨立，數據存儲格式、形式都不同，無法實現數據資源的互聯、互通、互用，因此需要整合現有地質災害氣象風險精細化預警數據，建立統一的數據標準，從而提高預警數據質量、提高數據共享和利用效率。

本文結合湖北省地質災害氣象風險精細化預警業務需求，在分析現有數據標準的基礎之上，制定一套符合湖北省地質災害氣象風險精細化預警工作實際情況的數據標準規范，并在此基礎上開發了宜昌、荊門和神農架林區等9 個市（州）級地質災害氣象風險精細化預警預報系統以及對應的APP 應用。

1 預警工作方法

地質災害氣象風險精細化預警是在把地質環境條件和人類工程活動結果作為災害發生前已存在背景下，研究降雨工況下災害發生的風險性。目前地質災害氣象風險預警工作采用的是第二代預警方法——顯式統計法開展氣象預警工作。具體預警制作方法為：采用劉傳正教授的潛勢度理論[5]，根據歷史降雨型災害和氣象條件研究，結合潛勢度，模擬反演創建預警模型（回歸方程），再帶入實況和預報雨量值（即雨量數據）進行地質災害氣象風險值計算得到預警結果，然后對預警結果進行預警發布和響應反饋工作。地質災害氣象風險精細化預警工作流程如圖1所示。

圖1 地質災害氣象風險精細化預警工作流程圖

1.1 預警模型

預警模型是采用地質災害致災因素的概率量化模型預警方法對研究區進行災害風險研究[6]。具體創建流程為：首先對預警區域的地質災害點等基礎資料進行收集，對數據進行初步整理。篩選與降雨有關隱患點創建隱患點圖層，確定地質環境影響因子，創建因子圖層，選取預警單元。通過對因子量化、因子權重確定計算潛勢度值，在地質災害易發性等級劃分基礎上，通過數學方法分析確定各等級區的降雨閾值，再利用邏輯回歸模型建立的災害發生概率預報模型[7]，主要包含的數據有：圖層數據、隱患點信息模型參數及潛勢度圖層等。

1.2 預警結果

預警結果主要是通過預警模型數據疊加雨量數據計算得到的預警結果數據，以及根據預警結果所進行的預警發布及響應反饋等記錄。

2 地質災害氣象風險精細化預警數據庫總體設

2.1 基本要求

湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫設計可分為概念設計、邏輯設計和物理設計三個階段。在設計和建設數據庫時應遵循以下幾點要求：①遵循最小冗余度原則，對大量的數據體要用非冗余結構進行定義；②在插入、修改和刪除數據時，數據的結構、相互之間的關系和從屬性應保持不變；③數據庫要具有獨立性，數據存放盡可能地獨立于使用它的應用程序；④要具有不斷擴充和更新的能力。

2.2 建設內容

湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫建設的內容主要包括雨量數據、預警模型數據、預警結果記錄、預警發布記錄和響應反饋記錄。通過構建地質災害氣象風險精細化預警數據規范，形成湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據信息模型（如圖2 所示）。

圖2 數據信息模型圖

2.3 分類編碼

編碼是給每一種要素分配一個唯一的標識符，從而更好的實現預警結果記錄到雨量數據、預警模型數據、預警發布記錄和響應反饋記錄的互聯互通。在編碼的過程中要遵循兼容性：對于國家已經頒布實施的標準應直接引用，充分引用有關行業及湖北省頒布的地方標準；完整性和可擴充性[8]。編碼結構應留有適當的擴充余地，以便在必要時擴充新的類別代碼且不影響已有的分類和代碼[9]。主要有數據ID 編碼、潛勢度圖層名稱編碼和預警結果圖層名稱三個核心字段編碼。

①數據ID 編碼：由0-9 或a-f 范圍內的一個十六進制數，主要用于唯一標識一條數據記錄的無意義字符串，字段長度32 位，是由計算機自動生成的GUID，在一條數據記錄的整個存續周期內不得修改。

②潛勢度圖層名稱編碼和預警結果圖層名稱編碼：兩者編碼規則一致。潛勢度圖層名稱編碼用于唯一標識一個潛勢度圖層。預警結果圖層名稱編碼用于唯一標識一個預警結果圖層。字段長度24 位，“_”算一位。如圖3 所示。

圖3 圖層代碼結構

第一碼段3 位，為圖層類型編碼。第二碼段14 位，為時間編碼。第三碼段5 位，是計算機自動生成的唯一編碼。例如：QSD_20211120121024_15207，表示2021 年11 月20日12 點10 分24 秒計算生成的潛勢度圖層。JGT_20211207114509_01234，表示2021 年12 月7 日11點45 分9 秒計算生成的預警結果圖層。

3 地質災害氣象風險精細化預警數據庫詳細設計

3.1 概念結構設計

概念結構設計是將需求分析階段得到的用戶需求及數據需求抽象為開發人員及用戶能理解的概念模型的過程，它是數據庫設計的關鍵環節[10]。概念模型是現實世界到信息世界的抽象, 具有獨立于具體的數據庫實現的優點，是用戶和數據庫設計人員進行交流的語言[11]。通過對地質災害氣象風險精細化預警數據信息的抽象和分析，得到湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫結構模型，如圖4 所示。

圖4 數據庫結構模型

3.2 邏輯結構設計

將數據庫層次化概念模式轉換成以DBMS 邏輯數據表示的邏輯模式[12]。該設計階段的任務是把數據庫模型圖轉成為與地質災害氣象風險精細化預警實際數據相符合的邏輯結構。湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫是屬性數據和空間數據的系統化集合，是屬性數據以字符形式，空間數據以圖層形式組織的數據集，主要包括以下數據。

3.2.1 預警結果信息表

用于存儲和管理地質災害氣象風險精細化預警結果的數據，是整個地質災害氣象風險精細化預警數據庫的主表。

3.2.2 雨量數據類

用于進行預警計算的雨量數據，由雨量站點、預報雨量數據、實況雨量數據和QPF 網格映射組成。通過預警時間與預警結果信息表關聯，實現從預警結果到雨量數據的快速檢索。

3.2.3 預警模型信息表

用于存儲和管理預警模型包含的模型名稱、預警網格圖層名稱、隱患點圖層名稱、潛勢度圖層名稱等關鍵信息，通過潛勢度圖層名稱實現從預警結果到預警模型數據的快速檢索。

3.2.4 預警發布記錄類

用于存儲和管理預警發布環節的數據，包括審批流程表和短信發送表。通過預警結果圖層名稱與與預警結果信息表關聯，實現從預警結果到預警發布數據的快速檢索。

3.2.5 響應反饋記錄類

用于存儲和管理響應反饋環節的數據，包括響應反饋信息表、災險情登記表和隱患點穩定性趨勢表。通過預警結果圖層名稱與預警結果信息表關聯，實現從預警結果到響應反饋數據的快速檢索。

3.3 物理結構設計

數據庫在物理設備上的存儲結構與存取方法稱為數據庫的物理結構[13]。物理設計階段的主要任務是針對已經確定的邏輯結構進行分析和設計，利用數據庫管理系統提供的技術方法，對數據存儲結構、數據存放位置及存儲分配方案等進行合理規劃[14]。根據業務需求，本系統采用Sql Server 關系型數據庫和ArcGIS 地理信息平臺進行數據管理。湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫數據表包括QPF 網格映射表、網格預報雨量表等13 種表結構（如表1 所示），空間數據包括隱患點圖層、預警網格圖層等14 種空間圖層（如表2 所示）。

表1 數據庫表清單

表2 空間圖層清單

4 數據庫功能和應用

宜昌市、隨州市等9 個市州級地質災害氣象風險精細化預警預報系統是基于數字地質信息化成果開發的，其數據庫基于SQLServer2008 和Arcgis 數據平臺構建，可以高效調整規模，具有IT 效率高、靈活管理多服務器、處理復雜事件能力強能進行數據捕獲（CDC）等強大功能[15]。Arcgis 在數據管理上能實現集分析、測繪、構圖為一體的空間數據庫構建[16]。系統建立了集雨量數據管理、模型管理、預警制作、發布、響應、信息反饋功能于一體的閉合的汛期地質災害氣象風險預警響應功能。目前大多數地質災害信息管理系統是通過傳統的PC 客戶端訪問網站的方式來進行管理，實時性、交互性差，操作不方便，嚴重影響管理效率和管理水平[17]。隨著4G 甚至5G 智能手機的普及，建立基于移動平臺的地質災害氣象風險精細化預警管理APP 已是大勢所趨，可以使相關人員在任何時間、任何地點輕松辦公，這將提高日常工作效率和溝通、協作效率[18]。基于此，地質災害氣象風險精細化預警系統也采用移動端APP 進行預警審批和響應反饋設計，其主要功能有：預警成果、預警反饋、預警審批等。

預警預報系統的開發為氣象風險預警技術人員提供更優質、更便捷的操作應用，也為各市州及時準確制作和發布預警信息提供了技術支撐。應用數據庫規范構建了各系統數據庫，通過兩年多來的運行，系統整體運行穩定，數據庫之間共享和利用化程度高，能夠清晰反映地質災害氣象風險精細化預警數據信息，在汛期及時準確發布的預警數據信息，為地質災害防治工作提供了效力。

5 結語

從2004 年開始至今，我省和各市（州）已建設形成了一套較完善的地質災害氣象風險工作機制，建立了省市兩級地質災害氣象風險預警系統以及相應數據庫，保障了省、市（州）兩級地質災害氣象風險預警工作的順利開展，積累了較豐富的地質災害氣象風險預警工作經驗，然而各級數據庫沒有標準規范進行統一，為數據分享和利用帶來阻礙。

本文通過建立規范化的地質災害氣象風險精細化預警數據庫，實現了地質災害氣象風險精細化預警數據信息的完整統一，規范了預警結果信息，實現了數據的統一集中存儲及資料的完整，保障了全省和各市州地質災害氣象風險精細化預警信息的互聯互通，為統籌協調地質災害氣象風險精細化預警工作成果，全面提升我省地質災害氣象風險精細化預警水平提供支撐。

根據湖北省地質災害氣象風險精細化預警數據庫設計，開發了宜昌市、隨州市等9 個市州級地質災害氣象風險精細化預警預報系統，通過實際上線，系統運行流暢穩定，數據庫兼容性及利用率較高。通過預警系統發布了市級地質災害氣象風險精細化預警產品300 余期，發送預警短信九萬余人次，成功預報了秭歸縣歸州鎮小巖頭滑坡和隨州2021 年8 月12 日特大暴雨引發的149 起地質災害等，得到了地方保護站和自然資源部門的肯定，取得了良好的社會效益。