基于多源數據的地質災害監測預警管理平臺研究

摘要：受全球極端氣象事件頻發影響，近年我國地質災害處于多發態勢，當前地質災害監管信息化服務能力已不能滿足現階段對防災減災工作的需求。本文從地質災害監管的實際出發，深入分析了當前存在的問題和不足，研究設計了一種基于多源數據的地質災害監測預警管理平臺的系統架構；以寧夏為例介紹了該系統應用的新模式、新機制和主要功能，發揮了較好的作用。

關鍵詞：地質災害；監測預警；多源數據；平臺研究

引言

我國地形呈三級階梯分布，山區分布較廣，地形地貌復雜，構造發育，地質災害頻發。受全球極端氣象事件頻發影響，近年來我國地質災害處于多發態勢已越來越明顯。據自然資源部初步統計，2020年全國共發生地質災害7840起，成功預報地質災害534起，涉及可能傷亡人員1.8萬人，避免直接經濟損失10.2億元。2020年地質災害發生數與2019年相比增加26.8%，但地質災害造成的死亡（失蹤）人數卻減少了37.9%[1]。

寧夏地質條件復雜、地質環境脆弱，地質災害分布點多面廣。近年來，隨著極端天氣加劇，每逢汛期都有新的地質災害隱患點出現，總體上，地質災害防治任務十分嚴峻。據不完全統計，近20年來，寧夏因地質災害死亡的人數達26人，經濟損失數千萬元。僅2019年汛期，共發生地質災害20起，造成2人死亡，經濟損失約200萬元。

受原有軟硬件基礎技術條件及部門間管理機制的影響，面向政府和社會公眾防災減災需求的信息化服務能力等，都已不能滿足現階段國家和地方政府防災減災工作的要求。推進地質災害數據管理分析、監測預警基礎設施的綜合運用與集成開發、多部門數據協同聯動，加強預警預報模型、模式和高新技術運用，加強地質災害預警預報輔助決策支持、信息共享與發布能力，建立高效、科學的地質災害監測預警技術體系，全面提升地質災害防治水平，已迫在眉睫。

1.存在的問題

1.1數據零散缺乏有序集成

地質災害數據屬于自然資源專業專題數據，覆蓋面廣、種類繁多，長期以來分散在各個專業部門沒有得到及時有效地匯總；同時數據具有高度的專業性而缺乏健全的數據標準和規范，數據采集、匯交和檢查的標準不同，無法保證從不同數據源獲取的數據質量，無法保證異構地質災害數據的有效兼容性，影響業務進展和綜合分析[2]。

1.2數據共享及服務機制缺失

由于地質災害數據的信息動態更新維護及交換機制長期缺失，雖然積累了大量數據，卻沒有一個權威的數據共享及服務機制，造成了各種數據之間關聯性差，應用系統之間無法互通的現象，嚴重制約了各業務部門的數據共享、服務和地質災害防治信息化工作的開展[3]。

1.3綜合分析能力不足

現有系統無法滿足相關業務部門的需求，基本處于“外行人看不懂，內行人不解渴”[4]的尷尬處境，無法服務于社會公眾和政府決策。數據的整合分析和挖掘缺乏專業的二次開發工具，無法生成輔助決策應用的數據信息產品，從而極大削弱了數據在輔助決策層面的效用。

1.4數據可視化程度低

由于業務數據的專業性，當前系統基本是為專業人員使用的特定的業務系統，數據成果可視化程度低，缺乏充足的基礎信息，更沒有監測預警、防災減災方案、指揮決策、地災點分布等綜合研究成果的展示。

1.5缺乏創新性技術智能化防治業務

隨著大數據、人工智能等技術的成熟，地質災害防治的傳統信息化也需要進行革新。如何將現有的信息化成果轉換成新型實用的大數據智能成果，是需要探索和解決的問題。讓地質災害的防治工作從傳統的人工、手動固化的形式轉變成迎接未來挑戰的智能災害防治形式，讓地質災害防治工作散發新的活力。

2.平臺總體架構設計

地質災害數據采集是地質災害防治工作的基礎，通過對現有信息化數據采集來源系統的分析，接入地質災害調查評價數據、隱患點數據、地質災害物聯網專業監測數據等多源數據。

以多源數據為基礎，構建地質災害大數據智慧管理體系，搭建地質災害的基礎設施，包括云計算資源和大數據集群。云計算資源包括計算資源、存儲資源和網絡資源，用于支撐地質災害業務應用的運轉。大數據集群是由物理機組成的集群，為地質災害大數據中心提供物理支撐。

基于搭建地質災害的基礎設施，建設地質災害業務系統。將地質災害的調查數據的本底數據，結合群測群防的動態數據、物聯網監測動態數據、空間數據以及第三方數據，形成數據融合；通過數據的交換，同步匯聚存儲到數據倉庫中，并進行相關地質災害數據的清洗治理，最后實現數據服務化，包含整個地質災害防治業務的數據集成、數據建模。[5]數據繼而轉到服務中臺，服務中臺負責將數據中臺的數據實例化和服務化，將監測的時序數據進行管理和監控；將空間數據在空間數據管理交換服務中進行服務發布，并做空間分析和三維可視化；將數據倉庫中的數據發布成標準的數據服務，將空間數據發布成OGC標準的地圖，將文檔資料做全文檢索服務。另外智能數據倉庫的數據經過特征工程之后，可以供機器學習算法使用，訓練地質災害業務模型，如災害穩定性智能評價、災/險情預測模型等（圖1）。

最后，在整個地質災害大數據智慧管理應用體系中，建設地質災害防治指揮會商系統、地質災害智能化監測預警系統和調查評價與群測群防監管系統。通過服務中臺的集成標準、服務以及公共組件等，將三大業務系統進行融合，并將數據服務、地圖服務、模型算法服務等提供給業務應用系統使用。

這樣，地質災害整個業務閉環就完整地通過軟硬件的建設進行了完善，形成了一套完整生命周期的災害防治業務鏈。

3.地質災害監測預警平臺

3.1多源數據采集接入

為避免重復建設和資源浪費，在系統設計之初就考慮信息資源的統籌規劃，為多源數據采集接入提供通道。一方面建立全面、標準、量化的信息化資源臺賬，明確信息分類、信息項、信息源頭、共享交換條件等數據描述，為業務應用和政務信息共享提供數據資源清單；另一方面，形成指導地質災害管理數據質量的數據治理標準規范，為數據接入、數據匯聚、數據存儲、數據發布、數據交換、數據應用提供強制性的技術約束，確保地質災害管理的數據治理工作規范、統一、有據。

采集接入的數據主要包括：地質災害調查評價數據（含INSAR監測大面積隱患點普查、高位隱蔽隱患點詳查、無人機重點隱患點測量等）、群測群防隱患點監測數據、地質災害自動化專業監測物聯數據、第三方外部數據（水利、氣象、交通等）等。

3.2一個數據資源中心

匯聚地質災害數據資源，建設數據資源中心，實現各個業務系統下數據的集聚、存儲和統一管理，數據中心內數據通過數據治理系統和數據治理服務，為上層業務應用、數據交換共享、數據分析展現提供數據支撐。

通過構建數據中臺和服務中臺，以數據中臺為心臟血液、服務中臺為大腦，為本系統提供智慧核心。基于數據中臺和服務中臺上構建應用，搭建地質災害防治指揮會商系統、地質災害智能化監測預警系統和調查評價與群測群防監管系統，為復雜多變的業務應用提供更多的可能性。

數據中臺由支撐業務系統運轉的業務數據庫、數據倉庫以及用于人工智能的特征工程3個部分組成。其中業務數據庫是數據采集時按照標準進行采集、轉換和存儲的數據，包含地質災害的隱患點數據、物聯網監測數據、無人機監測數據、氣象數據、遙感衛星數據、基礎數據、空間數據、業務數據以及外部協作單位共享的數據；數據倉庫主要是將相關的數據匯聚入庫，及對數據進行后期處理，如完善元數據信息，并且對數據進行按照主題域、目錄、標簽等進行整理劃分，并且制作數據全息檔案，經過數據分析制作數據報表和專題。特征工程是將智能數據倉庫中的數據經過預處理，根據業務進行數據清洗，變成特征寬表，用于給機器學習做模型訓練。

服務中臺用于支撐整個業務系統融合，使大數據中心上連地質災害智慧管理，下接數據匯聚，與已有的信息化進行數據采集。服務中臺以微服務架構提供一套統一的服務組件，包括業務系統需要使用的關系數據庫、工作流、消息隊列、消息通知、任務調度、報表服務等，以及地質行業特點的空間數據存儲服務、OGC地圖發布服務、空間檢索、空間計算、空間分析、三維可視化引擎等。考慮到相關硬特性，能夠自動將熱點數據存放到更快速的存儲中。能夠使用GIS和計算機領域全新的技術，如矢量瓦片等，加快系統模塊間數據傳輸速度。另外，為了讓系統統一集成，提供快速開發框架以及單點登錄系統，用于統一構建業務系統，保證業務系統風格統一，集成方便。提供大數據和機器學習組件，包含實時數據傳輸、NoSQL計算引擎、全文檢索、機器學習算法庫、深度學習算法庫等。這樣，可保證數據從數據倉庫中獲取之后，可以通過業務選擇算法進行模型訓練。如此業務系統和大數據中心的數據出入口，即以各種服務的形式進行了融合。

3.3三大業務應用子系統

三大業務應用子系統，包括地質災害智能化監測預警系統、地質災害防治指揮會商系統和調查評價與群測群防監管系統，服務于不同應用領域，分別由不同業務應用模塊組成。三大業務應用子系統將根據實際業務發展需要，由8個業務應用模塊組合構成。8大業務應用模塊，分別是監測模塊、預警模塊、指揮模塊、調查評價模塊、項目監管模塊、公眾服務模塊、數據管理模塊和統一管理模塊，其中數據管理模塊和統一管理模塊貫穿整個系統。

3.3.1地質災害智能化監測預警子系統

地質災害智能化監測預警系統由監測模塊、預警模塊組成，可實現對專業監測、氣象風險監測及預警信息的直觀展示，提供監測點分布狀況查看、監測儀器布置情況查看，監測責任人信息、災害點基本信息查看等功能；實現監測數據和監測視頻的展示；建立多入口的監測數據（監測曲線）查看機制，可通過多種方式查看監測數據內容；確保市級專業監測與省廳及市屬各部門互聯互通、資源共享。其中，監測點維護模塊可對監測點信息進行管理維護，主要包括監測點編號、監測點名稱、監測類型、監測設備所屬的專業監測項目、所屬監測區域、所屬災害點、聯系單位、聯系人、地理位置、經緯度，以及監測點照片、平面圖、剖面圖多媒體信息等；監測設備信息維護模塊可對監測設備信息進行管理維護，主要包括設備編號、設備名稱、所屬監測點、設備類型、靈敏度、分辨率、安裝地點、經緯度、安裝時間、設備廠商等；同時，還有設備異常維護、統計等功能。

在預警方面，基于策略和監測數據，進行預警分析計算，根據監測預警策略設置的報警信息，例如報警的級別、接收者、報警的方式等，可直接將報警結果發送到相關責任人[6]。

3.3.2地質災害防治指揮會商子系統

地質災害防治指揮會商系統由指揮模塊組成，可構建與應急管理廳的信息化互聯互通渠道。通過應急管理廳的樞紐作用，實現與氣象局、水利廳、交通廳等地質災害防治相關部門的互聯互通。從技術上解決與地質災害防治業務流程銜接不緊密、依靠人工傳遞效率較低、各信息系統相對獨立、政府部門之間沒有信息化溝通手段等問題。建立與政府相關部門信息化系統的業務數據信息共享、工作動態互相推送，實現地質災害防治資源互通共享。實現數據在縱向機構及橫向部門共享，徹底改變數據分散、標準不一、互不相通的數據資源管理局面，提升數據價值。利用信息化技術，實現跨政府部門的地質災害防治信息的高效共享和綜合分析，提升地質災害防治工作的預警能力、輔助決策能力、指揮協調能力。

指揮模塊實現地質災害應急調查、應急會商、應急指揮、應急處置工作的信息化，實現地質災害應急指揮精準、快速、準確，處置有序[7]。實現多方數據融合后隱患點全息檔案建設、數據可視化展示、基于指標化預警監測、數據統計、專題分析、智能多維分析、業務督導。

3.3.3地質災害調查評價與群測群防子系統

調查評價與群測群防監管系統由調查評價模塊、項目監管模塊、公眾服務模塊組成，可實現地質災害調查數據在線填報、逐級審批、向上報送等基本操作流程；可靈活分配縣、市兩級自然資源局工作人員進行基礎數據的填報、查看、分析、導入與導出、生成報表等操作權限；系統可根據數據類型進行統計分析，針對每一種數據類型有針對性地提供特定項的統計分析，為地質災害應急指揮和決策提供較為詳實的基礎數據資源。面向現場監測人、監測負責人、主管部門工作人員，提供日常巡查數據上傳，以及災害現場照片、視頻、災情、險情數據等重要信息的上傳。既可對群測群防體系人員信息查詢，同時可以群發或者單發短信，撥打電話等；也可在巡查、排查信息時，群測群防員可通過手機App快速上報相關情況。通過無線應急數據采集功能，可對地質災害現場信息快速采集與傳送，包括災害點地理位置、行政區劃（精確到縣/鄉一級）、現場照片、視頻、災情信息等基本數據的采集；對采集的數據通過多種方式進行傳輸，實現應急事件上報。在地質環境管理移動終端應用信息功能中，為地質環境管理、地質災害信息查詢、地質災害應急指揮、地質災害應急值班值守工作建立移動辦公系統。面向地質災害防治工作主管部門，主要在PAD和智能手機上運行；可以查看地質災害信息、災情險情、預警消息、氣象預警信息和通訊錄等[8]。該系統將最大限度發揮群策群防人力優勢，實現對移動終端操作的支持，包括安全控制支持、數據訪問支持、查詢功能支持、信息采集與傳輸支持等功能。

4.結語

本文就地質災害監測預警信息化建設中存在的問題，以寧夏的實際情況出發，搭建了以多源數據采集接入、1個數據資源中心、3大業務應用子系統為主要內容的地質災害監測預警平臺；為全省開展地質災害監測預警提供了統一的基礎設施、數據資源以及業務服務，極大提升了地質災害監測預警管理的自動化、智能化水平。下一步，在系統平臺的日常運行及推廣使用中，需要進一步挖掘業務需求，對具體的業務功能模塊進行完善深化；完善地質災害調查、監測、預警、應急指揮等系統的業務體系，優化業務閉環，為地質災害的防治工作提供更加科學有力的支撐。

參考文獻：

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[6]張曉晨.某市地質災害信息管理系統設計作者[D].燕山大學， 2018.

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[8]黃露.基于GIS的地質災害氣象預警決策支持系統的研究[D].武漢理工大學， 2011.