顧及時空信息的暴雨精細化大數據平臺構建方法

徐 剛，周必高，馬奇蔚，王順利，薛浩男

（1.浙江安防職業技術學院，浙江 溫州 325000；2.溫州市氣象局，浙江 溫州 325000；3.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079；4.南京師范大學虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023）

20世紀50年代以來，我國的雨量觀測站網迅速增加，使得面向我國的暴雨分析研究開始快速發展。有些學者采用“配料法”、TBB等方法對暴雨精細化預報進行了研究，取得了一定的成效[8-9]；有些學者基于已有的降雨數據對暴雨進行了分析，如翁佳烽[10]等利用肇慶市2008-2017年的切變線暴雨典型個例實測資料，對肇慶市切變線暴雨的精細化時空分布特征進行了分析。GIS也被廣泛應用于暴雨區劃評估領域[11-13]，樊高峰[14]等利用GIS研究了暴雨的時空分布特征，進而對浙江省暴雨災害的危險性進行了評估；鮮鐵軍[15]對暴雨洪澇農業氣象災害4大評價因子進行了分析和建模計算，形成了南充市暴雨洪澇農業氣象災害區劃圖；鄒清楓[16]等利用GIS風險分析原理進行了暴雨洪澇災害風險分析，得到關于增城本土的暴雨洪澇風險值分布圖。綜上所述，現有的暴雨研究主要分為暴雨預報和對已產生的暴雨進行分析評估兩個部分，缺少對暴雨的實時精細化分布研究。

本文以溫州市為例，開展暴雨基礎數據精細化普查，全面查清氣象災害區域分布、自然和經濟社會、歷史氣象災害等基本情況，建立暴雨精細化工程綜合時空數據庫；同時以時空信息為基礎框架，研發了暴雨精細化工程基礎數據平臺，實現了暴雨專題數據的統一化管理、可視化展示等功能，充分發揮了氣象局海量暴雨數據的潛在價值；利用統計分析算法和可視化展示手段揭示了暴雨的時空分布特點和規律；通過對暴雨數據進行深入分析與挖掘，實現了暴雨次生災害風險的實時動態評估，以期為決策部門提供科學依據，提升城鄉暴雨、洪澇等災害防御能力，提高暴雨精細化預報預警水平，強化城鄉防災減災能力，保障生態發展和人民生命財產安全。

1 總體框架

為了對暴雨數據進行實時動態分析，實現基于時空信息的暴雨精細化工程基礎數據平臺建設，本文設計的系統總體框架如圖1所示。通過部門共享獲取資料、外業實地調查采集、內業數據處理等流程建立暴雨精細化工程綜合時空數據庫，對系統建設所需的數據進行收集。在此基礎上，建設集展示中心、三維展示、我的空間、數據中心、服務中心、運維中心等多門戶于一體的暴雨精細化工程基礎數據平臺，實現暴雨數據的統一化管理、暴雨專題數據的可視化展示、次生災害風險的評估與預警以及災害事件的管理等功能，有利于推進暴雨管理的數字化、空間可視化、智能化和精細化水平，為決策部門提供科學依據，全面提升社會服務的水平和能力。

1）數據層。該層負責數據的存儲和管理，主要功能包括數據的存儲邏輯規則、數據讀寫等，由數據庫軟件、數據處理程序和數據庫組成。其中，數據庫包含地理信息數據、暴雨精細化工程專題數據、物聯網實時數據和系統用戶數據等。

2）服務層。該層是連接數據層和應用層的中間層，將所有數據訪問和處理邏輯封裝到服務中，再把數據以服務的形式提供給用戶，使數據的使用更安全便捷，共享應用更高效。服務層包括專題地圖服務、暴雨專題疊加展示服務、多屏展示服務、數據資源目錄服務、數據檢索服務、服務詳情查看、服務檢索、實時雨量查看、高程數據查看、實時雨量熱力圖、實時雨量網格、流域洪水預警、專題數據統計分析、歷史災情事件管理、用戶管理服務、日志管理服務等。

3）應用層。該層主要負責為用戶提供業務功能和交互界面，即利用服務層提供的數據或功能，以用戶業務邏輯進行封裝后，再與用戶形成交互操作。應用層包括展示中心、三維展示、我的空間、數據中心、服務中心和運維中心。

圖1 系統總體框架圖

2 暴雨精細化工程綜合時空數據庫

2.1 元數據目錄數據庫

元數據目錄數據庫包括元數據和目錄數據兩大類，其中元數據具體包括資源標識和內容方面的描述元數據、資源獲取和應用方面的元數據、資源安全和資源分類方面的元數據等。建立內容豐富的元數據目錄信息，可便于其他平臺后續順利調用數據資源。

2.2 地理信息數據庫

1）專題電子地圖數據庫。專題電子地圖數據庫包括矢量專題電子地圖數據和影像專題電子地圖數據。對最新的1∶5萬、1∶1萬、1∶2 000、1∶500等溫州市域范圍內地理空間數據（包括房屋、道路、水系、植被等）進行提取、融合、集成等處理，制作完成7～20層、共14個比例尺的矢量專題電子地圖配圖和切片；對2014年0.5 m分辨率的航拍影像和2016年2 m分辨率的航拍影像進行接邊、鑲嵌、調色等處理，制作完成7～20 層、共14個比例尺的影像專題電子地圖配圖和切片。

已有的網絡關注度研究中，通常選用的數據時間段較短,主要以一年為主；同時，專門研究淮海經濟區旅游景區網絡關注度的成果比較少．本文以淮海經濟區5A級景區2013～2016年的百度搜索指數為分析對象,對網絡關注度的時空分布進行深層次的實證分析,試圖解釋其中的原因,并對其季節性波動和黃金周特殊時段的“井噴現象”[7]進行定量化分析,以期為景區網絡市場營銷決策提供參考．

2）歷史影像數據庫，主要包括2005年0.5 m影像、2008年2.5 m影像、2012年0.5 m影像、2014年0.5 m影像以及2016年2 m影像等歷史影像數據的切片處理。

3）三維場景數據庫。對原有睿城的三維場景模型數據進行轉換處理和建庫，可用于地貌形態分析和洪水淹沒區分析等。

4）溫州三區地表分類數據。溫州三區范圍內地表分類數據包括房屋建筑、耕地、草地、道路、水域、林地、荒漠以及裸露地表等，對其進行處理分析，為暴雨災害預測分析、災害模擬等功能提供數據支持。

2.3 暴雨專題數據庫

暴雨專題數據庫包括小流域數據、歷史災情數據、山洪溝數據等。基于對上述暴雨精細化工程專題數據的空間化處理，形成可疊加到各類地圖上的、可進行查詢和綜合分析的空間專題數據。

1）小流域數據。該數據的生產更新通過ArcGIS軟件自身集成工具進行數據生成、加工等處理實現，并結合人工判別進行修正完善。生產流程可分為信息提取、數據加工、數據完善、質量檢查等。

2）歷史災情數據。對接溫州三區各區防汛辦和溫州市民政局，調查并獲取自1949年以來發生的歷史災害數據，包括災害發生次數、時間、地點、范圍，轉移總人數和災害損失情況等詳細信息。對收集的原始歷史災情數據進行提取、分析和篩選，統計得到按區、街道、鄉鎮的歷史災情統計數據，并與溫州三區的行政區劃矢量數據作關聯處理。對收集到的歷史災情數據進行矢量化，最終得到矢量歷史災情數據。

3）山洪溝數據。該數據的生產更新通過ArcGIS軟件自身集成工具進行數據生成、加工等處理實現，并結合人工判別進行修正完善。

4）地質災害隱患點數據。對收集的最新災害隱患點資料進行數據矢量化、篩選和重落點等處理，并整合已有的矢量災害隱患點數據，最終實現全市域地質災害點數據入庫。

5）沿河村落數據。首先根據小流域區域范圍，確定需要外業調查的沿河村落名單；再收集整理沿河村落的最新1∶500基礎地形圖、遙感影像資料、水系、路網等基礎數據；最后疊加收集的數據，對矢量數據進行符號配置，并選擇性地對部分名稱、屬性進行標注，制作外業調查底圖，打印外調圖紙。外業調查測量每戶的房屋建筑面積、建筑結構、宅基高程等基礎數據；對接沿河村落所在的街道，調取相應的社會經濟數據；結合收集的資料，通過篩選、校對和關聯生成沿河村落數據（表1）。6）其他專題數據。收集由溫州市國土局、溫州市應急辦提供的溫州三區范圍內的避災安置點數據；通過矢量化、篩選、校對和重落點等處理，更新溫州三區范圍內的避災安置點數據；整合其他縣市的避災安置點數據，生成全市域避災安置點矢量數據。收集由溫州市防汛辦和溫州市水利局提供的溫州三區范圍內的泵站、水電站、水位監測站、水閘、堤防、灌區和水庫等水利設施數據。收集由溫州市電力局提供的溫州三區范圍內的110 kV、220 kV、500 kV電力高壓走廊數據。收集由溫州三區各區統計局提供的溫州三區范圍內各鄉鎮街道的基礎社會經濟數據。收集由溫州市氣象局提供的溫州三區范圍內的氣象站和水文站數據。

表1 沿河村落數據

2.4 物聯網數據庫

1）雨量實測數據。收集溫州全市域范圍內的實時降雨量數據包，經格式轉化、矢量化等處理，得到系統可識別的實時降雨量數據，為實時模擬氣象災害狀況提供可靠依據。

2）城市排水管網信息數據。收集溫州三區范圍內的地下排水管網調查數據，為建立泄洪排洪模型提供數據支撐。

3 暴雨精細化工程基礎數據平臺

暴雨精細化工程基礎數據平臺的建設，有效整合了氣象局多年來積累的地理信息資源，建立了空間基準和數據標準統一的地理信息數據庫，為實時動態獲取氣象地理信息數據，實現數據服務的網絡化奠定了良好的基礎。另外，將地理信息數據與平臺共享服務數據進行同步建設和跟蹤處理，有利于減少工作總量和提高工作效率。暴雨精細化工程基礎數據平臺的建立整合了各類暴雨精細化工程專題數據，完成了溫州氣象地理信息資源匯聚，為氣象局內部應用系統的開發提供了數據服務支撐；為用戶提供了一站式的地理信息服務，實現了高效的資源共享，優化了暴雨災情監管方式，大大提高了城市防災減災能力；并能輔助領導進行決策。

3.1 暴雨時空信息精細化展示

以暴雨精細化數據為核心，結合平臺提供的暴雨專題數據、地理信息數據、歷史災害數據等，利用地理空間可視化手段直觀形象地展現暴雨相關專題數據的空間分布情況，如可統計區域實時降雨情況，為后續進行空間分析決策提供基礎保障。平臺還提供了洪水預警、避災路線規劃、數據統計等功能。

3.2 暴雨風險評估

以立體可視化的方式，為平臺提供洪水淹沒分析、二三維化、三維量算、數據檢索等分析功能，為實時模擬氣象災害狀況提供可靠依據，為災害應急提供直觀、全面、有力的數據支撐，并輔助用戶進行科學決策。

4 結 語

本文以時空信息為基礎框架，建立了暴雨精細化工程綜合時空數據庫，并基于該數據庫研發了暴雨精細化工程基礎數據平臺，實現了各類暴雨精細化工程專題數據、氣象實時監測數據和預報數據的整合與管理，提供了暴雨災害預測分析、災害模擬、撤離避災路線制定、二次開發標準接口等功能。本文的研究目標在于暴雨時空信息的精細化展示，對其預測預報涉及較少，這是下一步的研究重點。