基于信息融合與深度學習的區域干旱致災預警方法研究

杜 棟，劉夢雨

（河海大學系統工程與管理創新研究中心，江蘇 常州 213022）

1 引言

干旱是一種比較特殊的自然災害，持續時間長、涉及范圍廣、治理難度大是其主要特點。中國大部分地區處于季風氣候影響區，降水的年際變化和年內分布不均，使得干旱災害成為影響中國經濟社會發展的主要自然災害之一。自20世紀70年代以來，全球每年因干旱所造成的經濟損失高達上千億元人民幣。干旱災害問題越來越受到政府決策部門和公眾的廣泛關注。

干旱與旱災嚴格來講是兩個不同的概念，只不過常常被人們混用而已。干旱是一種涉及自然、經濟和社會的現象。它對人類社會的生產、生活及生態環境造成的不良后果就是旱災。干旱現象的出現并不一定導致干旱災害的發生，兩者之間不一定存在必然聯系。旱災是否形成，關鍵看干旱是否造成危害以及危害程度有多大。為此，本研究引出“干旱致災”概念。

目前，大部分學者將干旱歸納為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱4種類型。氣象干旱和水文干旱是從大氣、水科學的角度關注干旱問題；農業干旱是從農業生產的角度出發，且很多是從土壤的墑情角度考慮干旱問題。這里強調第四種干旱——社會經濟干旱，即注重干旱對社會經濟及生態環境等的影響。更具體地說，特別關注旱災帶來的直接經濟損失和間接經濟損失。

需要說明的是，干旱預警與干旱災害預警也是兩回事。前者多是從氣象、水文、農業等不同干旱視角做出的干旱風險預測；而后者是在前者的基礎上展開的，其更加強調旱災造成的損失。目前，干旱預警方法已有不少研究成果，但是如何將干旱風險預測與旱災經濟損失預估相結合，形成干旱致災預警方法，是擺在我們面前亟待解決的課題。

2 研究現狀及發展動態分析

近50 a來，全球變暖趨勢明顯，極端氣候事件頻發，全球范圍內的旱災發生范圍擴大，干旱程度和旱災損失也趨于嚴重，防災減災及災害預警工作得到了世界各國的高度重視。

在國外，世界各國政府及相關國際組織在災害問題研究方面，實施了多項研究項目。比如，美國聯邦緊急事務所聯合國家建筑科學研究所等科研機構共同研制了一套自然災害損失評估系統——Hazards U.S.系統，形成了較為成熟的災情評估技術方法體系（Schneider P.J.，2006年）；日本中央防災委員會組織成立災害教訓技術調查組，該組織將災害損失狀況、當局應急、對人們生活條件和社會經濟影響等信息進行了分類歸檔（Yao G.，2009年）；澳大利亞應急管理部門和氣象部門共同開發了一套災害直接經濟損失和間接經濟損失系統（Emergency Ma-nagement of Australia，EMA）等。可見，國外很早就重視災害評估及其造成的損失研究。

在國內，政府及相關專家學者對干旱災害問題也組織了大量的研究，包括國家重點基礎研究發展計劃項目“氣候變暖背景下我國南方旱澇災害的變化規律、機理、影響和對策（2013CB430206）”、水利部重大基建前期項目“全國干旱區劃及旱災風險評估研究”（200901026）、國家自然科學基金項目“中國雨養農業典型區農業旱災風險形成機制研究（41001059）”“區域干旱過程模擬和農業干旱風險評價及應對研究（51279072）”“區域水文干旱問題的研究與應用（49901003）”等。可見，國內非常重視干旱風險的研究，但對旱災造成的損失研究明顯不足。

從近年來國內對干旱災害的研究成果看，主要集中在以下幾個方面。

（1）干旱災害的特點與成因。黃會平（2010年）對1949—2007年全國干旱災害特征、成因進行了研究；呂娟、高輝、孫洪泉（2011年）對21世紀以來我國干旱災害特點及成因進行了分析。

（2）干旱災害評估。李芬等人（2011年）從干旱指標、干旱評估理論、干旱評估方法以及干旱評估類型等方面對國內外干旱災害評估研究進展進行了較為全面的分析。分析表明，現有干旱評估研究多側重于農業干旱和單品種干旱災情的特征研究，干旱評估模型不能反映干旱帶來的系統影響，今后應逐步重視災害的社會經濟影響評估；谷紅波、劉芷好（2015年）從農業干旱的視角探析湖南省干旱災害的時空分布、社會經濟影響及形成機理，區分了干旱和干旱災害，并注意到農業干旱災害對社會經濟的影響。

（3）干旱災害的風險評估。風險評估是干旱災害評估的主要類型。姚玉璧等人（2013年）對干旱災害風險做了科學解讀，指出干旱災害評估與干旱災害風險評估是不同的，認為干旱災害評估主要是指災后評估，干旱災害風險評估主要是預評估，帶有預測性質；王鶯等（2015年）對我國南方干旱災害風險做了評估，認為干旱災害風險評估就是對干旱災害風險發生的強度和形式進行評定和估計。目前干旱災害風險研究多采用傳統概率統計方法，且主要以區域農業為評估對象。

（4）干旱災害的經濟損失評估。經濟損失評估是干旱災害評估的另一個重要內容。王珍、段孟辰（2015年）總結了目前研究中干旱災害經濟損失（包括直接經濟損失和間接經濟損失）的指標體系和評估方法，特別指出干旱災害的間接經濟損失的界定和定量研究亟待研究；徐洋（2013年）分析了黑龍江各省市因干旱造成的直接經濟損失風險，指出由于干旱造成的經濟損失是多方面的，所以此方面的研究報道很少。

（5）干旱災害的預警。陳懷亮等人（2009年）對中國農業干旱的監測、預警與災損評估的研究與業務狀況進行了綜述，補充說明的是這里的災損評估是指災后評估（即后期影響評價）；孫麗等人（2014年）建立了基于生物產量變化率的農業旱災預警模式，也就是將干旱指數與生物量損失量構建關系模型來進行監測預警；張強等人（2015年）討論了我國西北地區干旱氣象災害監測預警與減災技術，主要是從氣象干旱的視角展開，并強調了干旱氣候變化對農業生產的影響。

概括地看，國內外對干旱災害問題雖然做了大量研究，但干旱災害問題異常復雜，依然是涉及氣象、水文、水利、農業、經濟、管理等多學科交叉研究課題的熱點和難點。總的來說，分析整個國家干旱災害特點及成因的不少，研究區域干旱災害問題及其治理的不多；從氣象、水文和農業視角研究干旱風險的不少，從社會經濟視角研究旱災造成損失的不多；對干旱風險預測方法研究的很多，對干旱災害預警方法研究的不多。

具體地看，受項目的研究目的和應用領域不同的影響，已有的干旱災害預警研究仍然存在以下2個方面的問題。

一是偏重于單品種干旱風險預測。廣大學者雖然從不同視角（氣象、農業、水利等）研究干旱問題，并形成了許多干旱風險預測方法，但是針對具體區域而言，如何從跨學科的高度耦合這些方法，從而形成區域干旱風險預測方法，是擺在我們面前的難題。

二是對于干旱災害損失評估體系的研究較為缺乏。對旱災經濟損失的研究也偏重于事后評價，而事前預估的研究很少。也就是說，對旱災可能造成的經濟損失缺乏預估方法。而且，之前對旱災經濟損失的定性分析和實證描述較多，而定量和建模分析較少。

3 研究的理論意義和實踐價值

干旱實時災情和發展態勢的監測預警，不但是有關部門制定防災預案和減災措施的依據，也是人民群眾應對干旱災害和開展生產自救的重要參考。為了精細化管理和實用性的目的，以區域為研究尺度（不同于以往的大尺度、大范圍研究），針對上述2個問題，開展跨學科的干旱災害預警研究，形成區域干旱致災預警方法，包括干旱風險預測模型、旱災經濟損失預估模型以及將以上兩者聯系起來的干旱致災預警模型。

（1）理論意義。基于社會經濟干旱視角，即特別強調干旱帶來的經濟損失，把干旱風險預測與旱災經濟損失結合起來考慮，探討干旱致災預警方法，可以豐富干旱災害預警研究的理論，有利于提高干旱災害預警方法的科學性和合理性。

（2）實踐價值。預期研究成果可以促使干旱災害綜合應對的思路轉變和能力提升，將會在區域干旱防災減災、抗旱應急響應和水資源利用與保護等領域具有良好的應用前景。

4 研究框架

本研究的主要內容有以下幾個方面。

（1）基礎研究。對干旱風險預測、干旱災害損失預估、干旱災害預警及其相關概念進行界定和辨析。通過文獻檢索和實地調研，對國內外干旱災害預警相關理論研究成果與實踐應用經驗進行分析總結。

（2）干旱致災預警的理論分析框架。對旱災的研究，既要分析其成因，也要分析其后果，而且要把干旱成因與災害損失結合起來考慮。干旱災害的形成有自然地理因素，也受人類活動的影響。另一方面，干旱災害將導致一系列自然的、經濟的和社會的危害，必須對此有清醒的認識和預見。具體內容包括：影響干旱的自然因素識別和社會因素（這里主要指對水的利用）識別；干旱致災機理分析（基于系統科學思想和原理的致災條件分析和致災過程研究，把區域干旱致災問題作為一個系統問題來對待，主要用于揭示干旱致災的機理）；干旱災害對社會經濟及生態環境的危害分析（為了便于研究，最后歸結為直接經濟損失和間接經濟損失）；給出干旱致災預警的理論分析框架，即對應于“干旱風險—→致災—→災害損失”的“干旱風險預測—→干旱致災預警—→旱災經濟損失預估”。從而不僅把干旱與旱災區分開來，而且把干旱風險預測與旱災經濟損失預估結合起來，以便開展干旱致災預警。

（3）干旱致災預警方法研究。干旱致災預警是指通過選擇一組相應的干旱致災預警指標，對目標區域內的水文和氣象因子變化以及供水和用水狀況進行監測，對干旱災害進行早期識別，并對干旱帶來的損失進行預估，及時將干旱災害信息發布出去，以便提早做好應對準備，達到最大限度地減輕旱災損失的目的。具體內容包括：干旱致災預警指標體系的構建（干旱風險和災害損失的綜合反映）；干旱風險的預測方法（基于氣象、水文、農業干旱風險預測的信息融合形成）；干旱災害經濟損失的預估方法（基于對歷史旱災經濟損失數據的深度學習形成）；干旱致災預警模型的構建（把干旱強度和旱災經濟損失程度聯系起來），這里主要包括預警指標體系、預警指標預測預估方法和預警模型三部分。預警指標體系是預警研究的核心內容；預警之前應對預警指標進行預測、預估；預警模型是綜合預警指標給出預警信息。

其中，主要采用了以下4種方法。

第一種，關鍵因素分析法。用來篩選干旱致災關鍵因子，從而形成干旱致災預警指標體系。干旱致災有很多因素，既涉及干旱成因，也要考慮到旱災損失情況。預警指標需要滿足3個條件：①能夠客觀定量地反映區域干旱實際狀況；②能夠對區域水量供需變化進行模擬預測；③能夠對旱災損失進行預估分析。因此，對區域各種致災因子進行篩選、分類和組合，科學建立干旱致災預警的指標體系，是構建干旱致災早期預警方法研究的基礎。

第二種，信息融合方法。信息融合已成為現代信息處理的一種通用工具和思維模式。它針對多源數據或信息，并主要集中在融合算法上。其目的是通過對信息的優化組合導出更多的有效信息。這里，主要用于干旱風險預測模型構建。選擇該方法的理由是：目前干旱預測主要采用經驗法、統計學方法和系統科學方法等，但是不同干旱視角選取的干旱預測指標不同，得出的干旱預測結果也不盡相同。采用信息融合方法主要就是考慮到來自氣象、水文、農業等多源數據或信息的融合問題，從而綜合性地建立干旱風險預測模型，并得出受災地區的某一時間段的干旱等級。需要說明的是，信息融合通常劃分為數據層融合、特征層融合和決策層融合。這里，由于從不同干旱視角已經做了特征提取，并有相應的干旱等級判定規則，所以主要通過關聯處理進行決策層的融合判決，最終獲得聯合推斷結果。在比較各種信息融合方法的基礎上，采用模糊邏輯推理法來進行不同干旱視角的信息融合。其邏輯思路，如圖1所示。

第三種，深度學習方法。深度學習是機器學習研究中的一個新的領域。深度學習的概念源于人工神經網絡的研究，其動機在于建立模擬人腦進行分析學習的神經網絡。這里，主要用來構建干旱災害經濟損失預估模型。選擇該方法的理由是：目前災害損失分析很多是結合觀測資料，依據統計分析和損益分析等方法建立干旱災害損失評估模型，但這往往只是適合災后評估，而不能解決災前預估。而深度學習方法可以對受災區域的干旱等級、持續時間、直接經濟損失、間接經濟損失等歷史資料很好地進行學習。可以說，旱災經濟損失模型實際上是建立起了干旱強度（干旱等級×持續時間）與旱災經濟損失（直接經濟損失+間接經濟損失）之間的關系。需要說明的是，傳統的神經網絡是一種淺層機器學習，而深度學習是傳統神經網絡發展下的新一代神經網絡。機器學習最常見的就是監督學習和無監督學習。無監督學習主要用于網絡模型的預訓練，監督學習用于提高網絡學習能力。本研究采用半監督學習的方法（它不是簡單的無監督學習和監督學習的疊加，而是將兩者的網絡結構相結合），并采用BP神經網絡（目前應用最廣泛的神經網絡模型之一。它能學習和存儲大量的輸入—輸出模式映射關系，而無需事前揭示描述這種映射關系的數學方程）來構建模型。其深度學習網絡模型，如圖2所示。

圖1 多源信息融合

圖2 基于BP神經網絡的深度學習模型

第四種，圖解法和可視化技術。選擇圖解法和可視化技術的理由是為了更好地分析和表達干旱強度和旱災經濟損失程度的定性關系。采用圖解法建立干旱致災預警模型，實際上是將干旱風險預測模型預測出來的干旱等級結果，帶入旱災經濟損失預估模型（已經學習好的神經網絡），得出該干旱等級持續時段的旱災經濟損失預估值；而采用輔助的可視化技術來呈現和展示，可清晰地看到什么時間進入什么干旱等級以及該干旱等級持續時間段的可能經濟損失程度，即可憑幾何直覺推導出后果。

概括地說，采用的關鍵技術有：運用信息融合方法建立干旱風險預測模型，運用深度學習方法建立干旱災害經濟損失預估模型，最后用圖解法和可視化技術綜合形成區域干旱致災預警方法。

補充說明的是，從氣象干旱、水文干旱、農業干旱單視角對干旱風險進行預警已經取得了豐碩的研究成果，為運用信息融合方法開展系統綜合的干旱風險預測奠定了良好的基礎。另外，盡管關于旱災經濟損失評估的研究不多，但是相關的災害經濟損失評估有許多可借鑒的方法，而且目前深度學習也有許多工具軟件可以選用，為開展旱災經濟損失預估方法研究提供了有利條件。

5 結語

歸納起來，本研究主要做了以下工作。

（1）從分析區域干旱成因出發，并考慮可能造成的災害損失，辨識區域干旱災害的致災因子；然后，通過合理篩選、分類和組合干旱災害的致災因子，構建干旱致災預警的指標體系。換句話說，建立干旱致災預警模型的前提是構建干旱致災預警指標體系，包括氣象、水文、農業干旱等特征指標的梳理、直接與間接經濟損失指標的界定等。這部分也是對干旱災害預警理論體系的完善。

（2）基于信息綜合方法和深度學習方法分別形成區域的干旱風險預測方法、干旱災害經濟損失預估方法，并在此基礎上構建干旱致災預警模型，從而形成干旱致災預警方法。這部分是對干旱致災預警方法的創新。

簡要地說，本研究的創新之處主要包括以下幾點。

（1）區別于以往的氣象干旱、水文干旱、農業干旱這些單品種干旱視角研究干旱災害預警指標體系，強調從社會經濟干旱視角研究，探討系統綜合的干旱災害預警指標體系。這是對現有研究的創新性補充。

（2）基于信息融合方法對多源干旱信息進行融合形成干旱風險預測方法，基于深度學習方法對旱災歷史資料進行深度學習形成旱災經濟損失預估方法，這些在現有研究中屬于創新性研究內容。

（3）把干旱風險預測、旱災經濟損失預估有機地聯系在一起，形成區域干旱致災預警方法，是本研究的主要創新之處。