地質災害氣象預警預報系統的設計與實現

李招連,林兩位,廖燕珍,鄭小琴

(1. 數字福建氣象大數據研究所(閩南師范大學),漳州 363000;2.福建省漳州市氣象局,漳州 363000;3.福建省災害天氣重點實驗室,福州 350001)

0 引言

漳州市位于福建東南部,轄區地形由西北向東南傾斜,大芹山為漳州市第一高峰,海拔1,544.5 m,地勢起伏大,花崗巖、火山巖分布廣泛,巖體發育強烈,臺風暴雨等氣象災害多,是地質災害易發區。根據漳州市地質災害調查結果,2022年漳州市共有地質災害隱患點306處、高陡邊坡點1733處,類型以滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等為主,2萬多人受到影響。為了進一步加強地質災害氣象預警服務能力建設,文章介紹了地質災害氣象預警預報系統網絡架構、關鍵性技術、功能模塊設計等,構建了漳州市地質災害氣象預警預報系統。該系統投入業務試運行以來,已成為漳州市氣象部門提高地質災害氣象預警預報能力的重要支撐。

1 系統網絡架構

1.1 系統設計思路

系統采用B/S體系架構,應用漳州市氣象和國土部門的同步共享系統,實現地質災害服務的統一部署和發布。系統利用“一張圖”展示氣象監測預報預警信息、地質災害點和高陡邊坡點數據、地質災害氣象風險預警等級等信息[1-2]。

1.2 系統網絡拓撲圖

系統的部署設計根據漳州氣象網絡構架中數據安全級別不同和系統總體技術架構設計的實際需求,部署設計分為氣象內網、DMZ區、Internet外網3個不同安全等級,系統網絡架構如圖1所示[3]。考慮到系統的安全性,直接用網閘加強DMZ區安全保障。在DMZ區服務器上完成氣象監測、預報數據與地災點數據的綜合分析,并制作地質災害氣象風險等級區劃圖,再將制作好的地災服務產品推送到外網服務器。各地災點責任人通過訪問漳州市地質災害氣象預警預報業務系統實時查看地災監測、預報、預警等服務產品。

圖1 漳州氣象網絡架構

2 關鍵技術實現

2.1 地質災害孕災因子系數指標

2.1.1 訓練樣本構建

從地質災害點中隨機抽取80%作為訓練樣本,剩余的地質災害點作為驗證樣本,同時在未發生地質災害的區域隨機抽取同等數量的樣本點,則訓練樣本量為306×80%×2=490個。

2.1.2 孕災因子分類

影響地質災害的因子分為2組:第1組是由DEM派生的,包括高程、坡度、坡向、曲率、起伏度;第2組主要包括土壤類型、土地利用、植被覆蓋度和降雨量。在利用證據權法開展地質災害敏感度評價時,首先把高程、坡度、起伏度因子按照百分位法分成10類,植被覆蓋度和年均降雨量數據分成5類,曲率則按照其值與0的比較分為凹坡、平坡和凸坡3類,坡向按照方位分為9類,其他離散因子按照各子類別進行劃分。

2.1.3 孕災因子系數

高程、坡度、降雨量等指標作為Logistic回歸模型的自變量,災害是否發生作為因變量。利用ArcGIS將圖像多值提取到點,通過SPSS23統計分析軟件回歸分析數據,得到地質災害邏輯回歸模型因子系數[4-5]。除起伏度、植被指數和土地利用與地質災害的發生呈負相關外,其他如年降水量、海拔(高程)、土壤等都呈正相關,如表1所示。

表1 漳州市地質災害邏輯回歸模型因子系數表

2.2 地質災害敏感度風險區劃及預警

基于Logistic回歸模型相關地質災害邏輯回歸模型因子系數,計算漳州市所有單元格的地質災害危險性概率,在ArcGIS中生成漳州市地質災害敏感度風險區劃[6-7]。漳州市地質災害敏感度風險區劃空間分布呈現從西北至東南敏感度風險逐漸減小,漳州地質災害敏感度高風險區主要集中在華安、平和、南靖3個縣和部分縣(市)的山坡地帶。結合實時降水并將降水預報產品作為模型輸入因子,可以得出地質災害大概率發生的區域范圍,結合地質災害點的年分布,可以針對地質災害點生成點對點的地災小時級的實時預警產品,12 h和24 h的地質災害預警產品。

2.3 基于Web Service的地災系統內、外網標準接口

地災系統需要解決內、外網異構系統的互連問題,并實現基于網絡的數據服務,甚至業務服務,實現異構信息系統間的互訪,通過Web Service標準接口實現地災內、外網的查詢和訪問。地災系統采用基于瀏覽器的B/S架構,數據交換采用XML數據格式。調用XML編程接口訪問XML節點,來保證地災系統數據庫服務器的訪問效率以及數據交換的安全性。

3 系統功能模塊設計

3.1 系統管理模塊

系統管理模塊主要是系統管理員對系統相關配置信息進行設置,其中數據源監控用于實時監控并告警降水等氣象產品的異常情況、降水預警配置用于不同時段降水等級閾值設置、地災預警配置用于不同的地災災害氣象風險預警等級閾值設置、產品發布渠道配置用于設置短信傳真等發布渠道、角色管理用于權限配置等。

3.2 數據分析處理模塊

數據分析處理模塊的功能是基于漳州市地質災害危險性評價和敏感度區劃結果,根據降水影響系數、臨界有效降雨量,結合未來降水的落區預報,充分考慮降雨量和雨強對不同鄉鎮落區的影響,分別建立未來24 h地質災害氣象預報預警模型。未來24 h降水的落區預報是基于福建氣象智能網格預報技術,建立0～24 h逐小時間隔、水平分辨力2.5 km、1～10 d逐3 h間隔降水落區監測預警和網格預報,提升地災災害降水落區預報準確率、時間提前量和智能化水平。利用地理信息系統相關算法技術,自動生成未來24 h地質災害氣象風險預警等級分布圖。

3.3 綜合信息展示模塊

綜合信息展示模塊基于WebGIS技術進行開發,功能包括在一張圖上展示氣象數據(站點、格網、模式)等多源資料和地災點數據,實現將實況雨量、預報雨量、雷達、臺風和地災氣象風險等級預警等基礎層數據作為背景場數據進行疊加展示。

4 結束語

文章開展以滑坡、崩塌、泥石流等為主體的地質災害區劃與風險研究,并基于B/S網絡架構,構建了漳州市地質災害氣象預警預報系統。通過對地質災害孕災因子系數指標進行歸類梳理,動態配置地質災害敏感度風險區劃,實現了地質災害自動化監測預警功能,系統的順利運行提升了漳州市地質災害預警預報能力,促進了國土與氣象業務協調發展。