北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 瀟，許飛青，于 喆，韓 征，李 凱，郭亞杉，冒 建

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院信息中心，北京 100195；2.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

北京市位于華北平原西北隅，是世界上突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害較為頻繁的首都城市之一，災(zāi)害形式以泥石流、崩塌、滑坡、采空塌陷為主，主要分布在北山和西山的溝谷、陡坡、礦山分布集中地區(qū)及新構(gòu)造活動較強(qiáng)烈的地區(qū)（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。北京市人口密度大，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展程度高，自1949年以來，各類突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的死亡人數(shù)已超過600人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元。2012年7月21日，自有氣象記錄以來的最大降雨，給首都帶來一場特大自然災(zāi)害并誘發(fā)了崩塌、泥石流、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2000年以來，全國各省市陸續(xù)著手建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。三峽庫區(qū)較早地建立了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理系統(tǒng)（劉傳正等，2004），浙江、江蘇、天津等省市也都分別針對各自地區(qū)的地質(zhì)條件特點(diǎn)建立了基于WebGIS的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)（余風(fēng)華等，2006；單玉香等，2007；董元等，2008；王爽等，2012）。北京市在2003年啟動了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警工作，并在基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、評價(jià)以及相關(guān)信息系統(tǒng)建設(shè)等方面做了一系列的積極探索（文斌等，2007；白利平等，2009）。這一階段建立的系統(tǒng)基本以預(yù)警評價(jià)分析為主，自動化程度不高。

隨著基于GIS技術(shù)的專業(yè)分析日漸成熟和新一代移動通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及北斗衛(wèi)星、5G等技術(shù)迅猛發(fā)展，基于前端感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、應(yīng)用分析三級結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐步應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測體系（朱永輝等，2010；何文娜，2013；李超嶺等，2015；Baum et al.，2010），各省市也在紛紛探索運(yùn)用新技術(shù)建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)（黃健，2012；徐永強(qiáng)等，2013；杜金星等，2014；楊雪艷等，2015；賈進(jìn)科等，2016），在數(shù)據(jù)快速獲取和自動預(yù)警方面取得了一定成果。但總體基本以單災(zāi)種、小區(qū)域范圍建立的孤立系統(tǒng)居多，且在多種監(jiān)測數(shù)據(jù)采集匯聚上受標(biāo)準(zhǔn)不一致的制約未能很好地解決，針對崩滑塌多災(zāi)種、監(jiān)測設(shè)備多樣化、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量多、多種模型集成統(tǒng)一的大型信息系統(tǒng)更不多見。由于地質(zhì)條件和氣候的差異性，已有的一些較為成熟的預(yù)警模型并不適用于北京。2018年北京市啟動建設(shè)基于新一代信息技術(shù)的、涵蓋突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作全流程的信息系統(tǒng)，并在全面、快速地獲取隱患點(diǎn)監(jiān)測信息，自動、智能地完成信息處理流程，精細(xì)、準(zhǔn)確地生成預(yù)警分析產(chǎn)品，便捷、直觀的成果查詢展示，低成本、集約化的建設(shè)運(yùn)行投入等方面取得了積極成效。

本文詳細(xì)介紹了北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能與總體設(shè)計(jì)，論述了系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)，并舉例介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用案例。相關(guān)技術(shù)成果和方法可為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作提供有效參考和借鑒。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)從監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、集成、管理、分析、預(yù)警預(yù)報(bào)的全流程業(yè)務(wù)系統(tǒng)，是以物聯(lián)感知技術(shù)、傳輸通訊技術(shù)、信息化軟硬件環(huán)境為基礎(chǔ)，以地理信息平臺、大型數(shù)據(jù)庫平臺為支撐，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系和信息安全規(guī)范體系的框架下，對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測成果、調(diào)查成果、評價(jià)成果等結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、空間的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、融合和集成，構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警分析、應(yīng)急指揮、三維展示、數(shù)據(jù)共享等功能，為政府決策、專業(yè)人員和社會公眾提供北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害信息成果服務(wù)。其總體技術(shù)架構(gòu)從下向上分別為物聯(lián)感知層、基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、服務(wù)層和用戶層（圖1）。

圖1 北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of Beijing sudden geological disaster monitoring and early warning information system

（1）物聯(lián)感知層依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，將獲取的數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)、專線網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星通道等方式傳輸至基礎(chǔ)層。

（2）基礎(chǔ)層全面依托于云平臺，按需使用計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全服務(wù)等資源，并將從物聯(lián)感知層接收的數(shù)據(jù)推送至數(shù)據(jù)層進(jìn)行匯聚、融合和處理。

（3）數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源的處理入庫和數(shù)據(jù)庫的管理維護(hù)。

（4）支撐層將應(yīng)用所需的GIS組件、三維模型組件、預(yù)警模型庫、各類接口、標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)服務(wù)等進(jìn)行模塊式封裝，為服務(wù)層的預(yù)警分析、查詢展示、決策支持等應(yīng)用提供支撐，為其他系統(tǒng)對接共享時(shí)提供調(diào)用服務(wù)，滿足基于自定義的組件調(diào)用、快捷開發(fā)及專業(yè)技術(shù)人員的差異化需求。

（5）服務(wù)層面向不同用戶按需提供差異化系統(tǒng)應(yīng)用。

（6）用戶層面向政務(wù)用戶提供政務(wù)網(wǎng)絡(luò)訪問頁面，公共用戶通過公共服務(wù)接口和共享發(fā)布接口訪問系統(tǒng)。

北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8個(gè)子系統(tǒng)、1個(gè)APP、1個(gè)公眾號共10部分，采用B/S與C/S相結(jié)合的軟件體系架構(gòu)，面向?qū)I(yè)技術(shù)人員、政府主管部門人員和社會公眾三大類用戶提供差異化系統(tǒng)功能服務(wù)（表1）。

表 1 北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要功能Tab. 1 The main functions of the sudden geological disaster monitoring and early warning system in Beijing

2 系統(tǒng)技術(shù)體系設(shè)計(jì)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測

北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以泥石流、滑坡、崩塌和采空塌陷為主要監(jiān)測對象，以變形、物理場、誘發(fā)因素等為監(jiān)測內(nèi)容，以自動監(jiān)測為主要方式，通過埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備傳感器將各類監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸，通過統(tǒng)一接口接入信息平臺并分析處理，整體過程形成了由感知、傳輸、應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。其中，形變、誘發(fā)因素、物理場等監(jiān)測信息經(jīng)傳感器設(shè)備采集后，通過GPRS或北斗傳輸匯聚，視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)專線傳輸，最終統(tǒng)一在云端匯聚融合和應(yīng)用（圖2）。

圖2 北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測示意圖Fig. 2 Schematic diagram of Internet of things monitoring of sudden geological disasters in Beijing

2.2 基于北斗與GPRS相結(jié)合的通信方式

突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在山區(qū)，傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的通信方式主要依靠移動通信網(wǎng)絡(luò)，在山體崩塌、滑坡或泥石流等大型災(zāi)害發(fā)生時(shí)，往往會因電力和通信網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致在災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)刻監(jiān)測數(shù)據(jù)卻無法傳輸?shù)膯栴}。北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測傳感設(shè)備采用了北斗與GPRS相結(jié)合、雙通道互補(bǔ)切換的技術(shù)，通過在前端監(jiān)測點(diǎn)及后端數(shù)據(jù)中心分別配備北斗用戶機(jī)，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)短報(bào)文功能，在GPRS信號中斷時(shí)及時(shí)切換衛(wèi)星通信模式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)碾p通道保障。

2.3 基于云技術(shù)的IT資源支撐

北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作具有顯著的季節(jié)特征，其關(guān)鍵時(shí)間主要集中在6—9月的汛期。在非汛期，監(jiān)測頻率、傳輸頻率及系統(tǒng)需處理的數(shù)據(jù)量和分析計(jì)算量很??；而入汛后，為有效發(fā)揮監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報(bào)作用，系統(tǒng)需要7×24 h不間斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，監(jiān)測頻率、傳輸頻率大幅提高，數(shù)據(jù)處理、分析、預(yù)警計(jì)算等需求大大增加。僅以汛期視頻攝像頭監(jiān)控為例，視頻服務(wù)的平均在線帶寬資源需求100 M·s-1，流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)平均24路同時(shí)在線，平均同時(shí)服務(wù)于5個(gè)用戶部門；在非汛期，訪問量大幅減少。在應(yīng)對計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源的彈性需求上，固定計(jì)算存儲資源建設(shè)方式顯現(xiàn)出其局限性，峰值需求難以滿足、閑時(shí)又產(chǎn)生資源浪費(fèi)，因而云技術(shù)對于滿足信息資源按需分配的需求具有明顯優(yōu)勢。

該系統(tǒng)運(yùn)行所需的各類IT資源、基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境都通過北京市政務(wù)云平臺來實(shí)現(xiàn)。北京市政務(wù)云的總體服務(wù)架構(gòu)包含基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、互聯(lián)互通服務(wù)、應(yīng)用支撐服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)、安全服務(wù)體系和運(yùn)維服務(wù)體系，基于該平臺，系統(tǒng)能夠統(tǒng)籌集約從基礎(chǔ)層到應(yīng)用層所需的各類信息資源、虛擬層之下的信息安全服務(wù)和運(yùn)維服務(wù)，極大地提升了資源使用效率，節(jié)省了人力和物力成本。

2.4 基于Web GIS技術(shù)的空間信息服務(wù)平臺

系統(tǒng)的GIS服務(wù)基于ArcGIS 10.2進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基本的空間分析和二三維展示功能，GIS的基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境為ArcGIS Engine組件庫。

在開發(fā)模式上采用了B/S與C/S相結(jié)合的軟件體系，將地圖發(fā)布、空間信息查詢、展示等服務(wù)應(yīng)用在B/S端實(shí)現(xiàn)，將復(fù)雜的空間信息操作、專業(yè)預(yù)警、分析計(jì)算等應(yīng)用功能在C/S端實(shí)現(xiàn)后再同步到B/S端。這種模式既保證了交互式、分布式、動態(tài)的地理信息服務(wù)響應(yīng)效果和效率，為與其他信息系統(tǒng)平臺集成提供了良好的擴(kuò)展性，同時(shí)又有效避免了當(dāng)前Web技術(shù)對海量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和復(fù)雜專業(yè)計(jì)算的局限性（劉光等，2015），滿足系統(tǒng)使用的快捷性、安全性、高效性和靈活性的要求（湯國安，2019）。

系統(tǒng)充分利用二三維GIS技術(shù)融合，在地圖實(shí)時(shí)表達(dá)、空間分析、三維模擬等多方面進(jìn)行深度應(yīng)用，提高專業(yè)表達(dá)能力。三維GIS技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:一是突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害三維場景的真實(shí)表達(dá)，這其中包括利用影像、DEM對各隱患點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)三維環(huán)境的展現(xiàn)，也包括在三維場景中對監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備的三維立體顯示；二是預(yù)警分析結(jié)果的三維表達(dá)，泥石流預(yù)警模型本質(zhì)是數(shù)學(xué)模型與空間分析相結(jié)合的計(jì)算實(shí)現(xiàn)，在C/S端特定二維/三維場景下通過預(yù)警模型計(jì)算得到的預(yù)警成果、泥石流淹沒范圍、預(yù)警剖面等結(jié)果在Web端的三維環(huán)境下展示更為專業(yè)和直觀。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

目前，突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測主要采用信息化監(jiān)測為主、群測群防員巡查為輔的方式，技防與人防相結(jié)合。已有的信息化監(jiān)測體系缺乏指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，對于同類災(zāi)害的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法并不統(tǒng)一，監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸格式多樣，獲取的多源數(shù)據(jù)在存儲管理和利用時(shí)不能有效互通。因此系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究以問題和需求為導(dǎo)向，自上而下形成了貫穿業(yè)務(wù)全流程的完整體系（圖3），在系統(tǒng)架構(gòu)的各層均有與解決問題對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包含監(jiān)測方法重分類、監(jiān)測設(shè)備統(tǒng)一通訊規(guī)約、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源集成技術(shù)及預(yù)警模型庫建立等。

圖3 北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)邏輯圖Fig. 3 The logic diagram of key technologies of Beijing sudden geological disaster monitoring and early warning information system

3.1 基于地質(zhì)要素的監(jiān)測方法分類

地質(zhì)專業(yè)的監(jiān)測通常按照不同專題類型來分類，例如地裂縫監(jiān)測、地下水水質(zhì)監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測等，突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測也是從專題類型的角度來命名的。但不同的監(jiān)測對象比如崩塌和滑坡，二者在監(jiān)測的內(nèi)容和方式上基本相同，在同一地理位置點(diǎn)上的監(jiān)測內(nèi)容和方法可以統(tǒng)籌利用。從建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的角度來說，在監(jiān)測方法選用和監(jiān)測設(shè)備布置時(shí)應(yīng)充分考慮到監(jiān)測對象、地質(zhì)要素分類和監(jiān)測方法分類之間的關(guān)系。

該系統(tǒng)在建立之初，就突破了以往同類型系統(tǒng)采用的監(jiān)測分類方法，通過對傳統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行拆解、歸并、優(yōu)化處理和概化，梳理出按照地質(zhì)要素重分類的方法，建立監(jiān)測對象與地質(zhì)要素分類之間的對應(yīng)關(guān)系，旨在為系統(tǒng)后續(xù)的數(shù)據(jù)三重分類切割奠定基礎(chǔ)。其中突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測涉及到的地質(zhì)要素主要包括地表形變、地層形變、物理場（應(yīng)力監(jiān)測、次聲監(jiān)測、微震監(jiān)測）、誘發(fā)因素（降雨量監(jiān)測、人類活動監(jiān)測）和其他要素（土壤含水率監(jiān)測、水位水量監(jiān)測、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、泥位監(jiān)測、流速監(jiān)測）幾大類（圖4）。

圖4 基于地質(zhì)要素分類方法示意圖Fig. 4 Based on geological elements classification method schematic diagram

3.2 物聯(lián)監(jiān)測設(shè)備統(tǒng)一通訊規(guī)約

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作中涉及到的物聯(lián)感知設(shè)備數(shù)量眾多、種類多樣（圖5）、廠商不一、通訊協(xié)議無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可遵循，各設(shè)備廠商往往都提供自行開發(fā)的數(shù)據(jù)接收軟件，對于兼容幾十種品牌類型監(jiān)測設(shè)備的信息系統(tǒng)而言，這樣的方式會產(chǎn)生監(jiān)測設(shè)備難以統(tǒng)一管理、不同軟件接收的設(shè)備數(shù)據(jù)格式不一致、出現(xiàn)問題運(yùn)維權(quán)責(zé)難界定、數(shù)據(jù)接收異常原因難以排解等問題。

為解決上述問題，首先對前端物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測方式、通訊方式、監(jiān)測對象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了梳理分類，將數(shù)據(jù)來源分為統(tǒng)一規(guī)約類、非標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)約類和人工獲取類。其次，對于雨量計(jì)、次聲儀、土壤含水率儀、泥位計(jì)、位移計(jì)等14種監(jiān)測設(shè)備參照水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約（SL 651－2014）等技術(shù)要求建立統(tǒng)一規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，規(guī)約涉及的內(nèi)容包含鏈路傳輸規(guī)約、報(bào)文幀結(jié)構(gòu)框架、報(bào)文正文結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目己说葍?nèi)容。例如：報(bào)文101E表示協(xié)議版本為1，報(bào)文正文長度為30個(gè)字節(jié)。對于微震儀、GPS監(jiān)測站、視頻流媒體等采用單獨(dú)的通訊規(guī)約和解算程序進(jìn)行傳輸。最后采用數(shù)據(jù)接收軟件模塊對所有監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行集成管理，將數(shù)據(jù)存儲到多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中（圖5）。通過制定統(tǒng)一通訊規(guī)約，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對所有監(jiān)測設(shè)備的自動數(shù)據(jù)抄收和解析入庫，遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包、發(fā)送給相關(guān)設(shè)備，人工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)召測和設(shè)備遠(yuǎn)程通訊管理，接收設(shè)備故障報(bào)警信息、判斷故障位置并通知相關(guān)責(zé)任人員。

圖5 物聯(lián)監(jiān)測設(shè)備統(tǒng)一通訊規(guī)約技術(shù)方法圖Fig. 5 Method diagram of unified communication protocol technology for Internet of Things monitoring equipment

3.3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源集成方法

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源集成方法涉及多源數(shù)據(jù)分類方法、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則、多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)方法、多源數(shù)據(jù)ETL規(guī)則、信息資源管理方法等（付博等，2020）。

（1）多源數(shù)據(jù)分類方法。以往地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通常采用單純按監(jiān)測對象分類的方法，對數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍會產(chǎn)生一定限制。本系統(tǒng)采用的方法是根據(jù)數(shù)據(jù)的來源和用途，按照數(shù)據(jù)類型（結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、空間數(shù)據(jù)）、所屬地質(zhì)要素（地表形變、地層形變、物理場等）和監(jiān)測對象（崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷等）的3種分類方法，將全部數(shù)據(jù)切分成若干相對獨(dú)立且緊密相關(guān)的數(shù)據(jù)集合，為后續(xù)存儲管理做好準(zhǔn)備。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對數(shù)據(jù)集合進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，同時(shí)建立數(shù)據(jù)ETL規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化的抽取、轉(zhuǎn)換、上載。對于雨量、位移、應(yīng)力監(jiān)測等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量校驗(yàn)；對于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖、風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)圖、隱患點(diǎn)分布圖等空間數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)化方式進(jìn)行圖層拆解；對于調(diào)查報(bào)告、圖像資料等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行元數(shù)據(jù)編錄。

（3）多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)方法。根據(jù)上述的分類方法和標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行切分、標(biāo)準(zhǔn)化處理后，運(yùn)用系統(tǒng)自建的ETL法則，分別導(dǎo)入關(guān)系型（Oracle）、非關(guān)系型（Trip）數(shù)據(jù)庫中，兩種數(shù)據(jù)庫之間依賴于元數(shù)據(jù)編錄信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的調(diào)度。

（4）信息資源管理方法。對于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)而言，采用基于“監(jiān)測對象”的庫表結(jié)構(gòu)、基于空間的元數(shù)據(jù)信息和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)索引實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)集成，并借助于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫表中的空間信息實(shí)現(xiàn)與空間數(shù)據(jù)的集成；對于空間數(shù)據(jù)而言，通過其空間數(shù)據(jù)引擎、圖層索引和基于空間的元數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)自身數(shù)據(jù)的集成，同時(shí)借助于空間和索引信息實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集成；對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)而言，通過著錄信息實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)化和空間數(shù)據(jù)的集成。

3.4 突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型庫

突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型是實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警功能的核心之處，也是難點(diǎn)所在。北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害類型多樣，不同災(zāi)種的預(yù)警模型各不相同，在時(shí)間精度和空間精度上也存在差異。

本系統(tǒng)預(yù)警分析功能依托的并非單一模型，而是采用建立預(yù)警模型庫的方式集成多種模型，在系統(tǒng)工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)多種模型同時(shí)計(jì)算分析，提交預(yù)警結(jié)果供專業(yè)人員審核判斷。在邏輯上將預(yù)警模型按空間尺度劃分為區(qū)域、溝域和隱患點(diǎn)，探索空間精度“由區(qū)到溝到點(diǎn)”的分級別預(yù)警；時(shí)間精度上結(jié)合單溝域模型研究探索泥石流2 h短期災(zāi)前預(yù)報(bào)、5 min災(zāi)前警報(bào)。

運(yùn)用可拓理論、灰色系數(shù)、模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析法、水動力學(xué)、流體力學(xué)等方法，依托GIS平臺開發(fā)空間分析工具，形成包括隱患點(diǎn)專業(yè)監(jiān)測預(yù)警模型、單溝泥石流預(yù)警模型、地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型、單災(zāi)種區(qū)域預(yù)警模型、易發(fā)程度劃分評價(jià)模型、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)模型等在內(nèi)的多種模型。

采用面向?qū)ο蟮哪Ｐ捅硎痉椒ǎＰ捅硎九c算法相互獨(dú)立，用戶在修改模型時(shí)無需考慮求解方法，僅需直接賦予相關(guān)參數(shù)即可；采用開放式定義與管理，可以對模型進(jìn)行建立、編輯、存儲和維護(hù)操作，以實(shí)現(xiàn)模型建設(shè)研究和驗(yàn)證調(diào)試的功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與案例模擬

系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動接收匯聚各類監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)并解析入庫，判斷設(shè)備故障情況并自動報(bào)警。對地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警分析結(jié)果、設(shè)備運(yùn)行情況等進(jìn)行二維及三維的查詢、統(tǒng)計(jì)和展示（圖6），可實(shí)現(xiàn)區(qū)域預(yù)警分析、自動隱患點(diǎn)預(yù)警分析和自動單溝預(yù)警分析，并將相關(guān)結(jié)果以系統(tǒng)信息和短信的形式發(fā)送給相關(guān)業(yè)務(wù)人員和值班人員，按流程審核通過后可進(jìn)行預(yù)警發(fā)布。

圖6 系統(tǒng)主界面-部分監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖Fig. 6 Main System Interface - Distribution of some monitoring points

以北京山區(qū)某小流域泥石流溝為例進(jìn)行單溝山洪泥石流預(yù)警模擬，該溝域內(nèi)有大量煤矸石堆，多沿溝、順坡堆棄在谷坡，穩(wěn)定性極差，地形整體呈東南高、西北低的地形分布，坡降約為0.2，一旦坡腳被沖蝕或受到強(qiáng)大的水體沖刷，則會引發(fā)泥石流災(zāi)害。

系統(tǒng)C/S端預(yù)警計(jì)算軟件在獲取雨量計(jì)、土壤含水率儀監(jiān)測設(shè)備的連續(xù)模擬數(shù)據(jù)后啟動預(yù)警模型計(jì)算，通過實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)輸入，實(shí)時(shí)計(jì)算該溝域指定位置的預(yù)警結(jié)果并提交業(yè)務(wù)審核。

模擬計(jì)算結(jié)果，圖7a顯示在模擬計(jì)算時(shí)刻開始后的未來25 min內(nèi)，指定位置的水深和流量變化值和對應(yīng)的預(yù)警程度，在模擬時(shí)間2點(diǎn)05分該位置將達(dá)到黃色預(yù)警級別,在2點(diǎn)20分將達(dá)到紅色預(yù)警級別。圖7b表示在2點(diǎn)05分時(shí)刻該溝域的水深分布和相應(yīng)位置預(yù)警情況，其中深藍(lán)色表示水深程度較深，淺綠色表示水深程度較淺。計(jì)算結(jié)果表明，該泥石流溝積水最大水深分布向泥石流溝匯流的趨勢非常明顯，由于溝口狹窄，短時(shí)強(qiáng)降雨會引起溝口上游出現(xiàn)劇烈壅水，發(fā)生泥石流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性較高，在相應(yīng)位置上顯示黃色預(yù)警旗幟符號。圖7c顯示的是隨著時(shí)間推移，在該溝域相應(yīng)位置上的流速變化曲線。

圖7 C/S端計(jì)算生成的某單溝泥石流預(yù)警結(jié)果圖Fig. 7 A single gully debris flow warning result graph generated by C/S terminal calculation

以上預(yù)警結(jié)果可同步到系統(tǒng)B/S端上顯示，經(jīng)過審核后可發(fā)布。單溝預(yù)警信息將與其他地區(qū)和不同模型計(jì)算生成的預(yù)警信息、監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在信息大屏系統(tǒng)上，重要預(yù)警及時(shí)推送消息，提醒用戶查詢和決策使用。

5 結(jié)論

突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作關(guān)乎人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對時(shí)效性和準(zhǔn)確性要求高，并且由于涉及多門學(xué)科的融合，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，信息系統(tǒng)的建設(shè)效果直接影響著預(yù)警工作的成效。北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能搭建、預(yù)警模型、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)建立等方面逐步形成完整體系，基本覆蓋了突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、分析、預(yù)警、應(yīng)急管理工作的全流程，隨著系統(tǒng)運(yùn)行管理工作的不斷完善與深入，可為首都的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作提供可靠技術(shù)支撐。