公路地災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)中的氣象預(yù)警技術(shù)研究

江俊翔，牛紅梅，周富華

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

公路地災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)中的氣象預(yù)警技術(shù)研究

江俊翔，牛紅梅，周富華

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

江俊翔(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事公路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)課題研究工作；

牛紅梅(1981—)，女，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估及課題研究工作；

周富華(1970—)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估及課題研究工作。

2013年度廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目“廣西公路地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)”(桂交科教發(fā)〔2013〕100號(hào))

摘要：氣象預(yù)警技術(shù)在公路地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警系統(tǒng)中具有主要的作用。文章系統(tǒng)闡述了公路地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警系統(tǒng)的原理，并對(duì)其氣象預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了探討，以期推動(dòng)公路智能預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：公路地質(zhì)災(zāi)害；監(jiān)測(cè)預(yù)警；氣象預(yù)警技術(shù)

0引言

公路交通是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)脈，截止到2013年12月31日，我國(guó)公路通車?yán)锍汤塾?jì)達(dá)435.62萬公里，其中等級(jí)公路里程達(dá)375.56萬公里，高速公路里程達(dá)10.44萬公里。中國(guó)的自然災(zāi)害發(fā)生情況相當(dāng)嚴(yán)重，包括的種類較多，發(fā)生的地域很廣，出現(xiàn)的頻次極高，遭受的損失慘重，特別是在廣大的公路沿線地區(qū)，做好公路地質(zhì)災(zāi)害的防治工作，對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生防患于未然是當(dāng)務(wù)之急。在公路地質(zhì)災(zāi)害防治工作中，通過運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息化管理已成為必由之路。近年來，公路地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)研究已經(jīng)成為各地方交通科研單位的主要工作方向之一，其關(guān)鍵技術(shù)之一 ——公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)在研究與應(yīng)用上取得了關(guān)鍵性的突破和進(jìn)展。

1公路地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)

公路地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)是通過運(yùn)用現(xiàn)代信息化技術(shù)建立的，對(duì)預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)的干線公路地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)，可以更好地為公路主管部門提供抗災(zāi)防災(zāi)的技術(shù)支持，保障公路上各類交通參與者的生命和財(cái)產(chǎn)安全，還可以有效地減少由可預(yù)測(cè)的公路地質(zhì)災(zāi)害帶來的各項(xiàng)損失。

1.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

公路地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)總體上包括公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集層、公路地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)、公路地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)——公路地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)及一張圖、公路地質(zhì)災(zāi)害信息發(fā)布與交換子系統(tǒng)等5個(gè)組成部分。公路地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)采集層作為數(shù)據(jù)支持，通過管理UI來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)(公路地質(zhì)災(zāi)害、群測(cè)群防、專業(yè)監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)警等)進(jìn)行安全控制管理，這些子系統(tǒng)通過一致的數(shù)據(jù)接口與公路地質(zhì)災(zāi)害信息發(fā)布系統(tǒng)和政務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接；公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)來源為數(shù)據(jù)采集層，包括各類公路地質(zhì)災(zāi)害傳感器和氣象、水利、測(cè)繪等專業(yè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過GIS工具、入庫(kù)工具、專業(yè)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，從而提供給最上層的公路地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)使用。公路地質(zhì)災(zāi)害智能預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2　公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)中心

公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)中心服務(wù)于公路地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)應(yīng)用和信息平臺(tái)，其數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)調(diào)查、綜合研究、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、采集軟件、數(shù)據(jù)匯交，通過數(shù)據(jù)服務(wù)層處理后提供數(shù)據(jù)資料的檢索下載、數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息產(chǎn)品、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、一張圖展示、應(yīng)急指揮、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘等服務(wù)和應(yīng)用，為公路地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、專業(yè)軟件和工具、信息系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的一體化服務(wù)體系。公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)中心概念模型如圖2所示。

圖1　公路地質(zhì)災(zāi)害信息管理和監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2　公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)中心概念模型圖

2公路地災(zāi)氣象預(yù)警技術(shù)研究

公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)作為公路地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)代科技化建設(shè)的關(guān)鍵部分，是針對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害氣象信息管理、公路氣象信息查詢、公路氣象預(yù)警分析、公路預(yù)警成果發(fā)布以及信息服務(wù)等研究的地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警信息化技術(shù)，技術(shù)開發(fā)可采用包括個(gè)人電腦端、瀏覽器端、移動(dòng)端等多種終端使用，可以進(jìn)行無網(wǎng)絡(luò)、有網(wǎng)絡(luò)等多種方式進(jìn)行應(yīng)用，適應(yīng)專網(wǎng)、廣域網(wǎng)和外網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，同時(shí)對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行兼容，根據(jù)公路條件的具體軟硬件(網(wǎng)絡(luò))環(huán)境進(jìn)行應(yīng)用。

2.1　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警基本原理

公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警即將公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性因子和誘發(fā)因素進(jìn)行GIS疊加分析，得到預(yù)警結(jié)果，然后再將結(jié)果與災(zāi)害信息進(jìn)行疊加分析，得到綜合預(yù)警信息，最后對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息進(jìn)行入庫(kù)、簽批和發(fā)布。公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的概念模型如圖3所示。

圖3　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的概念模型圖

公路地質(zhì)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警總體流程如圖4所示。

圖4　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的總體流程圖

2.2　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警敏感性分析

公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性(易發(fā)性)指地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性大小，一般是根據(jù)公路地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)所處地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和氣候條件等綜合評(píng)價(jià)得到，通常可分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和不易發(fā)四個(gè)等級(jí)。公路地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指容易發(fā)生公路地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，其不一定是公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)對(duì)車流量、公路等級(jí)等因素綜合考慮公路地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)各交通參與者人類生命財(cái)產(chǎn)的危險(xiǎn)性大小，可得到公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)，一般也是分為四個(gè)等級(jí)：高、中、低和極低。

公路地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)均可作為公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的敏感性因子。公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析模塊就是通過相應(yīng)的模型(證據(jù)權(quán)模型、信息量模型等)，綜合考慮影響公路地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種因素，包括公路條件(公路等級(jí)、車流量等)、地質(zhì)構(gòu)造(斷層、巖性、地震活動(dòng)等)、地形地貌(坡度、土地利用類型、地貌類型等)、氣候條件(歷史降雨記錄)、人類生命財(cái)產(chǎn)和現(xiàn)有災(zāi)害分布情況，利用ArcGIS完善的GIS分析功能，實(shí)現(xiàn)公路地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與制圖，生成公路地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)圖或地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃圖。公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析如圖5所示。

圖5　公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析圖

公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析計(jì)算流程如圖6所示。

圖6　公路地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析計(jì)算流程圖

2.3　預(yù)警分析模塊

基于GIS的疊加分析是公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警的核心思想，把公路地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性、危險(xiǎn)性——敏感性因子和公路地質(zhì)災(zāi)害單點(diǎn)降雨量——主要誘發(fā)因素在GIS中進(jìn)行疊加計(jì)算，得到公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)等級(jí)圖——預(yù)警結(jié)果，將公路地質(zhì)災(zāi)害信息和公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)果在GIS中進(jìn)行疊加分析，生成包括公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)果、文本信息、報(bào)表和制圖成果等的綜合預(yù)警信息，然后對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息以信息入庫(kù)、簽批以及短信、郵件和Web等方式進(jìn)行發(fā)布。公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分析計(jì)算流程如圖7所示。

圖7　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分析計(jì)算流程圖

公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分析模型如圖8所示。

圖8　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分析模型圖

公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分析具體流程如下：

(1)預(yù)警計(jì)算：選擇預(yù)警時(shí)間后，點(diǎn)擊“預(yù)警計(jì)算”即可開始進(jìn)行預(yù)警分析相關(guān)計(jì)算，包括氣象數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的插值，敏感性圖與誘發(fā)因素的疊加計(jì)算等。

(2)輸出：顯示預(yù)警計(jì)算過程提示信息。

(3)三維加載：將預(yù)警結(jié)果加載到三維視圖上顯示。

(4)參數(shù)設(shè)置：包括預(yù)警矩陣和敏感性圖的設(shè)置，可根據(jù)公路實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

(5)預(yù)警結(jié)果：預(yù)警分析生成的原始結(jié)果。

(6)預(yù)警信息FF1A由預(yù)警用戶輸入的文字描述信息。

(7)預(yù)警結(jié)果報(bào)表：預(yù)警計(jì)算完成后，將預(yù)警結(jié)果與災(zāi)害點(diǎn)、群測(cè)群防點(diǎn)、公路路線等進(jìn)行疊加分析，生成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

(8)預(yù)警成果：預(yù)警計(jì)算完成后，將預(yù)警原始結(jié)果與公路路線、流域等進(jìn)行疊加(某條道路、流域單元的預(yù)警等級(jí)為落在該區(qū)域內(nèi)的最高預(yù)警等級(jí)，具體算法可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置)，生成可用于發(fā)布的成果圖件；此外，還包括“預(yù)警成果制圖”生成的圖件。

(9)預(yù)警成果制圖：可生成帶圖框、圖名、比例尺、圖例等制圖要素的圖件。

(10)預(yù)警信息入庫(kù)：預(yù)警計(jì)算和制圖完成之后，即可將預(yù)警相關(guān)信息進(jìn)行入庫(kù)，預(yù)警信息進(jìn)入待簽批狀態(tài)。

2.4　預(yù)警歷史查詢模塊

公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警歷史查詢模塊可對(duì)歷史預(yù)警信息進(jìn)行查詢?yōu)g覽，包括待簽批、待發(fā)布和已發(fā)布的預(yù)警信息，系統(tǒng)所有用戶均可以查看。默認(rèn)顯示最近1個(gè)星期的預(yù)警結(jié)果列表，可通過選擇預(yù)警區(qū)域、起止時(shí)間和是否已發(fā)布進(jìn)行過濾篩選，雙擊可打開預(yù)警詳細(xì)信息界面。公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警歷史查詢模塊模型設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警歷史查詢圖

2.5　氣象信息模塊

包括公路地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)降雨量查詢、實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)和降雨等值線等功能。

2.5.1降雨量查詢

公路地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)降雨量查詢子模塊以目錄樹的形式按照公路、路段層級(jí)顯示各個(gè)公路區(qū)劃節(jié)點(diǎn)下的氣象站，可進(jìn)行定位、查看氣象站信息和氣象數(shù)據(jù)曲線等。公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警降雨量查詢?nèi)鐖D10所示。

圖10　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警降雨量查詢子模塊圖

2.5.2實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)

公路地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)子模塊可以按照預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)時(shí)段(24 h、12 h、6 h、3 h、1 h、30 min、10 min等)和閾值自動(dòng)報(bào)警，以不同的圖標(biāo)顯示超限報(bào)警、暴雨、大雨、中雨、小雨和無降雨，可以用聲音和字幕的形式進(jìn)行報(bào)警。公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警實(shí)時(shí)雨量查詢?nèi)鐖D11所示。

圖11　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)子模塊圖

2.5.3降雨等值線

公路地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)降雨等值線子模塊可以生成公路、路段等各個(gè)公路區(qū)劃節(jié)點(diǎn)的降雨等值線和柵格圖，并進(jìn)行三維集成顯示。公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警降雨等值線如圖12所示。

圖12　公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警降雨等值線子模塊圖

3結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)公路地質(zhì)災(zāi)害日趨增多的情況下，運(yùn)用現(xiàn)代信息化科技對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)的過程中，使用氣象預(yù)警進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警已經(jīng)成為一種主要的手法。本文通過對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)進(jìn)行探討，目前該研究?jī)?nèi)容已經(jīng)實(shí)際

運(yùn)用于作者單位研發(fā)的廣西公路地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，在野外公路地質(zhì)災(zāi)害實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上取得了較好的運(yùn)行效果。

參考文獻(xiàn)

[1]任景珂.河北省公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].石家莊：石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，2013.

[2]李水旺，田智慧.基于GIS的公路自然災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2009(3)：155-158.

[3]黃裕婕，沈毅，李宗禹，等.基于無人機(jī)的公路滑坡預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[C].第十七屆中國(guó)遙感大會(huì)摘要集，2010.

Research on Weather Warning Technology in the Intelligent Highway Geo-logical Disaster Early-warning System

JIANG Jun-xiang，NIU Hong-mei，ZHOU Fu-hua

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The weather warning technology has a major role in the intelligent highway geological hazard early-warning system.This article systematically described the principles of intelligent highway geologi-cal disaster early-warning system，and discussed its weather warning technology，so as to promote the key technology research and application of intelligent highway early-warning system.

Key Words：Highway geological disasters；Monitoring and early warning；Weather warning technology

收稿日期：2015-02-01

文章編號(hào)：1673-4874(2015)02-0053-05

中圖分類號(hào)：U491.1+16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.014

基金項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介