基于組合賦權-云模型的水土流失危機應急預警系統設計

安麗琴

(清水縣水務局，甘肅 清水 741400)

0 引 言

由于自然活動和人為因素的綜合影響，使得水力侵蝕地表的問題逐漸嚴重，形成水土流失危機[1]。在水土流失問題出現后，對區域內的水土資源產生嚴重破壞，不僅會影響生態環境，還會帶來洪水泥沙，影響群眾生活。近年來，因為水土流失問題頻繁引起滑坡等自然災害，造成極大的經濟損失，并對人們生命安全造成威脅[2]。因此，設計一個性能良好的水土流失危機應急預警系統成為研究重點。預警系統需要按照多種評價指標，分析當地實際環境，以及水土流失風險發生概率，根據預測結果發送預警信息。當前專業人員從多種角度出發，設計了各種預警系統。文獻[3]根據水土流失現象的位移關系曲線，結合預警區域的日降雨量和位移速率生成預警線，并以此為依據生成遞進式預警系統。在獲取預警區域的地形特征后，構建監測網絡實時獲取地形變形情況，當變形程度超過預警線，發送災情預警信息。但由于系統判斷因子過于單一，預警信息不準確。文獻[4]分析傳統預警系統的功能，結合三維可視化技術，實現預警區域的實時監控。利用預警系統可以獲取區域當前預警結果，但系統的應用拓展性較差。文獻[5]針對水土流失危機的風險防控進行分析，設計預警系統。根據風險→隱患→事故的理論提出預警方法。通過安全網格獲取地形環境的動態信息，利用多層級安全指數計算危機程度。以靜動結合的方式，達到了危機應急預警的目的。但是，該系統在實際應用中預警減災效果較差。本文在吸收文獻設計系統的不足之處后，應用組合賦權-云模型，設計新的水土流失危機應急預警系統。通過硬件和軟件的設計，實現系統減災、經濟效益提升。

1 基于組合賦權-云模型的水土流失危機應急預警系統硬件設計

1.1 無線采集器設計

預警系統工作需要以預警區域的數據為基礎，本文設計了無線采集器，獲取地形環境信息。采集器的主要硬件結構包括MSP430單片機和433 MHz無線通信模塊，由于地形環境信息采集需要在野外環境下完成，為保證無線采集器工作穩定性，采用電池作為電源。無線采集器架構見圖1。

圖1 無線采集器架構圖

其中，主控芯片選用MSP430系列單片機，可以最大限度降低功耗；而433 MHz頻段具有較強的穿透能力，滿足野外數據采集需求。

1.2 通訊器設計

應用SIlVI5310芯片設計通訊器，實現采集信息的傳遞。在通訊器設計過程中，供電電壓采用3.2～4.8 V的單電壓，并結合TCP協議達到信息傳遞的目的。此外，通訊器需要保證功耗為2.0 mA左右，并滿足全功能串口的連接，從而提升傳輸速率。AT命令在串口發送，可以提升通訊器的應用性能。

2 基于組合賦權-云模型的水土流失危機應急預警系統軟件設計

2.1 采集地形環境數據

對預警區 域進行簡單分析后，在合適的位置設計基準站和流動站，分別安裝無線采集器獲取環境信息[6]。實際數據采集包括以下幾個環節：確定預警區域范圍和主要測量目標后，啟動基準站連接數據中心，選取與實際環境相符的工作方式。通過無線采集器將基準站與流動站相連，設置流動站的相關參數[7]。采用V形的方式，啟動流動站測量地形環境數據，并提取出采集數據中的特征點、高程點，用不同的表現形式標注土地類型，根據地形坡度、坡向和土地利用情況勾畫圖斑。此外，將不同區域的植被覆蓋率在因子表中記錄下來。

利用數字化儀法將上述形成的地形環境圖像數字化處理，由于數字化儀法對儀器要求高[8]，所以在采集地形環境數據過程中，以無線采集器為主要工具，結合人工導向跟蹤矢量化法，將采集信息矢量化處理，并結合兩種方法的采集結果，進行數據的查錯和校正。將采集的高程數據放置于規則格網中，通過離散處理的方式得到GRD高程文件，并建立數字高程模型，避免因地形復雜造成的數據采集誤差。

本文使用新奧爾良方法設計系統數據庫，結合應用環境的特點，將數據庫的設計與數據處理的行為相結合，實現參照互補。在完成數據的采集和處理后，通過通訊器將所有信息保存至數據庫，作為后續預警工作的基礎。

2.2 設計云模型—組合賦權評價模型

水土流失問題的出現與多種因素有關，在考慮現場情況和水土流失歷史數據后，生成評價指標體系，見圖2。

圖2 指標評價體系

通過圖2可知，水土流失危機評價指標體系包括五大因素，以及7項評價指標[9]。為了保證設計系統的預警效率，需要分析指標評價體系的不確定性。本文應用組合賦權方法結合層次分析法和熵值法計算評價指標的權重，從評價體系中選取最佳指標。Roughset理論優化層次分析法將傳統的層次分析法進行改進，提升權重選取結果的客觀性[10]。評價指標的權重計算，需要以屬性集的影響程度為基礎，計算公式為：

σCB(A)=γC(B)-γC-A(B)

(1)

式中：σCB(A)為屬性集C中去掉A后，對B的影響程度；γC(B)為屬性B與屬性集C的關聯程度；γC-A(B)為屬性B對去掉屬性A后的屬性集C的關聯度。

基于式(1)的計算結果進行除法計算，得到相對重要程度，計算公式為：

(2)

式中：i、j為兩個評價指標；p為指標個數。

通過上述計算獲取不同評價指標的重要程度，按照重要程度賦予權重值。

利用熵值法，在賦值矩陣的作用下加強評價指標賦權的客觀性。將指標j的重要程度表示為權重wj，權重的約束條件表示為：

(3)

基于上述約束條件后，得出指標權重計算結果：

(4)

式中：y為指標值；p為指標個數，v為賦值矩陣。

(5)

而組合權重wz的計算公式表示為：

(6)

式中：α、β為兩個分配系數，滿足以下約束條件：

(7)

依托于上述指標權重計算結果，從指標評價體系中選取水土流失危機判斷的合理指標。云參數(Ex、En、He)的求解公式為：

(8)

式中：Bmax、Bmin分別為水土流失某一危機等級的最大值和最小值；k為常數。

為了加強評價結果的客觀性，建立云模型獲取評價指標的確定度，結合權重計算結果獲取綜合確定度U：

(9)

式中：δi為確定度；wz為評價指標組合權重。

通過綜合確定度值，可以生成水土流失風險等級L的判別模型。

L=max{U1,U2,…,Un}

(10)

綜合上述計算結果，預警系統明確區域水土流失危機等級，為后續預警工作進行提供依據。

2.3 建立水土流失危機預警機制

在完成水土流失風險評價后，需要建立水土流失危機預警機制，通過運行機制、調控機制與管理機制三方面的綜合考慮，形成風險預警機制，最大限度降低水土流失危機。水土流失風險預警機制見圖3。

圖3 風險預警機制

其中，風險預警機制的運行包括研究階段、運行過程兩個部分。綜合考慮知識、運行和時間因素，結合水土流失風險評價結果和預警判決規則，完成評價警情、判定警度和排除警患的過程運行。對滿足預警觸發條件數據發送預警通知，并通過數據采集、系統設計與實施等階段實現動態預警。風險調控部分依據生態系統、影響要素、預警技術和調控方案之間的聯系，控制風險預警系統的運行過程。通過風險預警機制的健全，調控各種資源及時處理生態風險，分析產生水土流失危機的源頭，迅速消除危機風險，降低水土流失出現頻率。預警管理機制的作用是提升風險預警機制的綜合管理水平，提升預警準確度。通過預警通知模塊的設計，按照預警級別發送不同形式的通知。預警級別包括惡化與緩和兩部分。其中，前者可以利用可視化界面，呈現出預警區域的實際情況，便于應急方案生成。后者僅需要以短信的形式向責任人發送預警通知，便于工作人員了解情況。

2.4 制定系統應急預案

本文設計的水土流失危機應急預警系統，在完成預警機制設計后，需要按照預警結果制定應急處理預案，確保水土流失問題造成的人員、經濟損失最大程度降低。根據預警結果，匯總專業人員的建議，系統制定科學可行的方案遏制水土流失事態發展，并消除事故后果。應急預案的制定包括以下幾個環節：在集合水土流失專業人員后，按照評估水土流失危險級別，生成符合實際情況的應急預案。并通過系統的模擬操作，完成應急預案的修訂與測試，保證事故發生后，現有的應急方案可以對應急救援工作進行良好指導。同時，將當前環保總局的要求導入危機應急預警系統中，作為系統應急預案的編制指南。當水土流失預警信息出現后，利用系統生成的應急預案減少經濟損失，提升水土流失危機應急預警系統的減災效果。

3 系統應用實例

為了全面了解本文設計的危機應急預警系統在實際應用中的效果，將系統應用于甘肅省進行為期一年的測試。根據系統應用實例的結果，明確本文設計系統的應用性能。

3.1 區域概況

將本文設計的預警系統應用于甘肅省，該區域處于黃土高原，臨近黃河上游，并且祁連山山脈與馬鬃山山脈分布于甘肅省西部和北部。從氣候因素來看，甘肅省屬于亞熱帶季風氣候，降水呈現地區分帶特點，全年絕大部分降水都在下半年。并且，預警區域內山區面積超過60%，是該區域的天然生態隔離帶。因為地區的降水與地形特點，該區域存在頻繁性水土流失現象，而水土流失問題亦會造成生態環境更加惡劣。將本文所設計的預警系統應用于山區，進行應用性能測試。

3.2 水土流失風險評價

由于預警系統的工作核心是評價區域水土流失風險，根據風險等級進行預警。因此，在系統應用過程中，考慮到甘肅省實際環境，依據科學性、邏輯性和可量化性原則，確定風險源指標分別為年降雨量、植被覆蓋度、坡度、坡向、土壤類型、人類活動與地層巖性7種。在云模型-組合賦權評價模型的作用下，獲取不同指標的權重值。根據權重計算結果可知，年降雨量權重為0.315，坡度權重為0.301，植被覆蓋度權重為0.298。以上3個指標權重明顯高于其他指標，將上述3個風險源指標作為系統預警分析核心內容。

其中，通過對系統應用過程中，該區域不同時期降雨量進行記錄，形成應用期限內年降雨量變化圖，見圖4。

圖4 年降雨量變化圖

通過圖4分析可知，甘肅省降水量最高的月份集中在6、7和8月份。由于不同月份的降水差異極大，最高時達到165 mm，最低時僅為3.9 mm。而該區域不同坡度的面積占比見圖5。

圖5 不同坡度占比

從坡度面積分析可知，該區域中40%左右的面積坡度大于25°，表明山區坡陡土薄，極易造成水土流失危機。對于另外一個植被覆蓋率進行研究后，得出區域不同植被覆蓋率占比情況，見圖6。

圖6 不同植被覆蓋率占比

根據圖6可以發現，該區域中超過40%的區域，植被覆蓋率不足30%，一旦出現特殊氣候環境，水土流失風險極大。統計水土保持局和預警系統中心站所發布的風險評價標準，綜合分析上述3個風險源指標，制定表1所示的分級標準。

表1 風險源指標分級標準

表1中1～5等級分別表示從低到高的水土流失風險情況，危機應急預警系統以表1所示的分級標準為依據，識別水土流失危機等級，并將判斷結果通過不同顏色表現出來。

3.3 預警系統的減災成效評價

本文設計的危機應急預警系統，在為期一年的應用中展示了良好的應用效果，使得預警區域極大程度降低了水土流失危害，保護生態環境的同時提升了預警區域居民的生活安全性。為了更好體現出系統應用效果，展開經濟效益的評價，從投資的保護比、投資的減損比確認出減災成效。其中，投資的保護比表示投資范圍內可以保護的最多對象。在水土流失危機應急預警中，通過單位投資金額和保護的土地數量獲得計算結果：

(11)

根據公式可知，投資的土地保護比TB取決于受保護土地數量D和投資數額Z。而投資的減損比則表示投入資金與減少經濟損失量的比例，計算公式為：

(12)

通過公式可知，投資的經濟減損比TJ，即減少的經濟損失量Q與投資數額Z的比。通過分析預警系統應用效果，得出表2所示的系統減災經濟效益評價結果。

表2 系統減災經濟效益評價結果

從系統減災經濟效益評價結果可知，在應用的一年時間內，文中設計系統保護的土地面積達到1.134×105km2。投資的土地保護比和投資的經濟減損比分別為15 .11 km2/萬元、3.63萬元。上述數據可以充分表明，本文設計預警系統具有十分顯著的減災成效。

4 結 語

針對水土流失問題，本文設計了危機應急預警系統。將所設計的系統投入運行后，獲得良好的預警減災效果，極大提升了水土流失災區減災經濟效益，這充分表明將組合賦權-云模型融入預警系統中，可以達到預期目的。但是，由于部分區域的設施較為落后，未來需要對預警系統進一步研究，提升預警系統的覆蓋范圍，推動減災經濟效益的提升，更好地保障人民生命財產安全。