南平市地質(zhì)災(zāi)害防治指揮平臺設(shè)計與實現(xiàn)

范廷鵬 吳其群 俞越樾 鄭家麟 鄭震 官國清 陳健雄 蘇治宇

(1.南平市自然資源局，南平，353000；2.福建三朵云網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，南平，354200；3.福建南平數(shù)字城市運營有限公司，南平，354200)

南平市位于福建省北部，以山地丘陵為主，地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著人類工程活動的規(guī)模和強度持續(xù)增加，加之近年來極端天氣頻發(fā)，降水時空分布不均，地質(zhì)災(zāi)害日益增多。地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域逐步開始信息化建設(shè)，在監(jiān)測預(yù)警、系統(tǒng)研發(fā)上取得了一定的成果。在運用信息化手段提升地質(zhì)災(zāi)害防御水平理論構(gòu)建和實際應(yīng)用上，房浩等[1]研發(fā)具有成果瀏覽、災(zāi)點查詢、資源檢索、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和綜合評價等功能的全國地質(zhì)信息管理系統(tǒng)；張磊等[2-3]以空間數(shù)據(jù)庫作為技術(shù)基礎(chǔ)，以WebGIS技術(shù)作為支撐，開發(fā)了由地質(zhì)災(zāi)害管理應(yīng)急會商輔助決策、應(yīng)急調(diào)查APP系統(tǒng)、災(zāi)害管理APP系統(tǒng)和災(zāi)害應(yīng)急快速制圖等5大系統(tǒng)；蘭騰達[4]基于顯式統(tǒng)計模型，耦合了地質(zhì)環(huán)境因素與降雨量因素建立預(yù)警判據(jù)；張國合[5]以CORS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，運用GNSS空間定位技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，對可能由地表位移引起的地質(zhì)災(zāi)害進行實時監(jiān)測、預(yù)警和形變分析；陳張建等[6]基于SOA的架構(gòu)理念，給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合數(shù)字城市地理空間框架、ArcGIS GeoProcessing、ArcGIS Server、AJAX、時態(tài)數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，分析了系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)；黃俊寶[7]以四庫一體模式構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)，并通過ARCGIS平臺開發(fā)實現(xiàn)；Zhang[8]利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對數(shù)據(jù)庫信息進行管理，實現(xiàn)了輔助人員進行災(zāi)害決策管理，有效地提高了對地質(zhì)災(zāi)害信息的控制。Liu[9]利用GPRS、集中式數(shù)據(jù)庫管理、分布式數(shù)據(jù)管理技術(shù)為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)提供無線數(shù)據(jù)通信的軟件體系結(jié)構(gòu)；Wang[10]等考慮到道路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的屬性和行為，使用Arc SDE(ESRI)提供的統(tǒng)一建模語言和計算機輔助軟件工程工具創(chuàng)建了面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了基于空間數(shù)據(jù)庫的滑坡敏感性制圖模型。

南平市地質(zhì)災(zāi)害防治指揮平臺運用物聯(lián)網(wǎng)、地理信息以及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，創(chuàng)新接入、融合各行業(yè)領(lǐng)域有利于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險研判的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)多種地質(zhì)災(zāi)害“技防”措施的匯集，解決了多個系統(tǒng)界面無法同時兼顧的問題，建立預(yù)警預(yù)報模型，研發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害研判方法，通過圖層疊加、動態(tài)展示等方式，動態(tài)分析地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險以及趨勢。同時，強化信息化防災(zāi)技術(shù)與群測群防網(wǎng)絡(luò)的有機結(jié)合，實現(xiàn)實時預(yù)警、快速轉(zhuǎn)移，為群眾生命財產(chǎn)安全提供信息化保障。

1 總體設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

南平市地質(zhì)災(zāi)害防治指揮平臺利用政務(wù)外網(wǎng)云平臺提供的基礎(chǔ)設(shè)施建立該平臺的三層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)資源層、平臺服務(wù)層、應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)資源層包括基礎(chǔ)地理、三維地形、自動監(jiān)測、視頻監(jiān)控、氣象、地質(zhì)災(zāi)害、敏感分布等數(shù)據(jù)，主要用于地災(zāi)點、高程地形、巡排查、實時雨量等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效融合、存儲、傳輸、共享、管理。平臺服務(wù)層包括平臺運行安全服務(wù)、用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析、圖表生成等功能，主要用于提供數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，為平臺的運行提供支撐；應(yīng)用層包括地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險實時預(yù)警、未來三天雨量預(yù)警、三維模型顯示與測量、地災(zāi)點現(xiàn)場實時監(jiān)控、自動監(jiān)測站預(yù)警等模塊，通過平臺服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)以及功能服務(wù)，實現(xiàn)地災(zāi)點、巡查、災(zāi)險情等數(shù)據(jù)信息展示。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

南平市地質(zhì)災(zāi)害防治指揮平臺構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足各類用戶的應(yīng)用需求(信息要求和處理要求)。

數(shù)據(jù)庫建設(shè)基于mysql數(shù)據(jù)庫技術(shù)，主要由隱患點表、行政區(qū)劃表,隱患點三維模型管理、地災(zāi)上報表、巡查記錄表、雷達圖表、降雨輪次表、雨情預(yù)測表、隨手拍上報表、災(zāi)情速報表、觀測點表、觀測點預(yù)測雨量、云圖水汽圖表、臺風(fēng)信息表、管理員表、云圖可見光圖表、氣象風(fēng)險預(yù)警表等組成。

2 平臺組成

2.1 平臺結(jié)構(gòu)

南平市地質(zhì)災(zāi)害防治指揮平臺主要由硬件系統(tǒng)、地災(zāi)隨手拍APP、后臺管理系統(tǒng)以及大屏指揮系統(tǒng)4部分組成，地災(zāi)隨手拍APP主要用于數(shù)據(jù)的上報以及處理，后臺管理系統(tǒng)主要用于用戶管理以及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和處理，大屏指揮系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和分析，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)。硬件系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)資源的處理和存儲。平臺服務(wù)層主要通過后臺管理系統(tǒng)等進行呈現(xiàn)和分析，應(yīng)用層主要包含地災(zāi)隨手拍APP以及大屏指揮系統(tǒng)的展示應(yīng)用，為平臺的穩(wěn)定運行提供支持。

2.2 數(shù)據(jù)資源層

系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要有地災(zāi)點底庫、地災(zāi)隨手拍上報、搬遷治理項目、氣象實時、氣象預(yù)測、自動化實時監(jiān)測、地圖及地形等數(shù)據(jù)。地災(zāi)點數(shù)據(jù)主要來源于福建省地質(zhì)災(zāi)害綜合管理信息系統(tǒng)，主要有地災(zāi)點名稱、威脅人數(shù)、威脅規(guī)模、監(jiān)測人責(zé)任人聯(lián)系方式、轉(zhuǎn)移路線、防治方法、現(xiàn)場圖片等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與系統(tǒng)保持同步，定期進行更新；地災(zāi)隨手拍數(shù)據(jù)主要通過用戶使用APP上報至系統(tǒng)，主要有巡查、速報、災(zāi)險情、搬遷治理等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將實時同步到大屏指揮系統(tǒng)以及后臺管理系統(tǒng)，第一時間呈現(xiàn)現(xiàn)場動態(tài)；氣象數(shù)據(jù)主要來源于氣象部門，利用雨量、氣象雷達、云圖等數(shù)據(jù)與地災(zāi)點數(shù)據(jù)疊加，綜合分析氣象和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢；地圖及地形數(shù)據(jù)主要來源于市自然資源局，在地圖的基礎(chǔ)上疊加三維傾斜攝影數(shù)據(jù)，全面立體的展現(xiàn)隱患點現(xiàn)狀，為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢的綜合研判提供數(shù)據(jù)支持；自動化監(jiān)測主要來源于福建省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，通過接入數(shù)據(jù)端口，實時收集分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，第一時間進行預(yù)警預(yù)報，充分發(fā)揮地災(zāi)“技防”力量。

2.3 平臺服務(wù)層

平臺服務(wù)層包括后臺管理系統(tǒng)以及部分大屏指揮系統(tǒng)和地災(zāi)隨手拍APP。平臺后臺管理系統(tǒng)主要有隱患點管理、巡查記錄管理、用戶管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、災(zāi)險情數(shù)據(jù)管理、預(yù)警管理等功能，用于管理、維護平臺數(shù)據(jù)信息，保障平臺穩(wěn)定運行。大屏指揮系統(tǒng)分為地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分析以及氣象數(shù)據(jù)分析(圖1，圖2)2個版面，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分析版面主要用于地質(zhì)災(zāi)害隱患點管理、現(xiàn)狀分析、災(zāi)險情趨勢分析、隱患點監(jiān)測等，通過自動監(jiān)測站實時數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場視頻監(jiān)控研判地災(zāi)發(fā)展趨勢。氣象信息分析版面主要用于氣象數(shù)據(jù)分析以及地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險等級預(yù)警，氣象數(shù)據(jù)疊加地質(zhì)災(zāi)害點分布數(shù)據(jù)分析氣象對地災(zāi)的動態(tài)影響，通過預(yù)設(shè)雨量預(yù)警閾值，分析實時雨量以及未來雨量，精準(zhǔn)的進行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報。地災(zāi)隨手拍APP是在線版的移動端系統(tǒng)，主要有首頁、巡查簽到、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)上報、“我的”5個功能模塊，具有地災(zāi)點信息展示、地災(zāi)點大數(shù)據(jù)分析、地災(zāi)巡查上報、災(zāi)險情上報、速報上報、搬遷治理項目管理、報件處理等功能。通過數(shù)據(jù)的上報、后臺分流、分級用戶處理等手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分析界面Fig.1 Geological disaster data analysis interface

圖2 氣象數(shù)據(jù)分析界面Fig.2 Meteorological data analysis interface

2.4 應(yīng)用層

平臺應(yīng)用層包括地災(zāi)隨手拍APP和大屏指揮系統(tǒng)展示預(yù)警2個部分。地災(zāi)隨手拍APP實現(xiàn)南平市全域地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息基于一張圖，展示全市地質(zhì)災(zāi)害防治管理、巡排查工作、災(zāi)險情處置等情況，為自然資源系統(tǒng)以及群測群防工作人員提供日常工作平臺，為領(lǐng)導(dǎo)指揮、決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為社會大眾參與全民防災(zāi)提供渠道。大屏指揮系統(tǒng)主要以8塊55寸的拼接屏組成的比例為32∶9的大屏呈現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害氣象等級預(yù)警將通過“紅、橙、黃、藍(lán)”4種顏色在地圖上標(biāo)注預(yù)警區(qū)域和等級；自動監(jiān)測站將通過站點閃爍的方式實現(xiàn)點位預(yù)警；未來雨量預(yù)測通過雨量站點的顏色以及閃爍進行預(yù)警。預(yù)警信息將通過手機短信、預(yù)警文件、微信信息等方式傳達至一線工作人員，實現(xiàn)預(yù)警到村，預(yù)報到點，責(zé)任到人。

3 平臺功能

3.1 地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險等級預(yù)警模塊

平臺運用一張圖的方式，將地理信息、地質(zhì)災(zāi)害隱患點、區(qū)域敏感性分布圖、衛(wèi)星云圖、雷達拼圖、公里級氣象等數(shù)據(jù)信息進行疊加，分析不同區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害氣象等級風(fēng)險，通過隱患點圖標(biāo)顏色變化、閃爍等方式進行預(yù)警，實現(xiàn)預(yù)警到村、預(yù)報到點，第一時間通知相關(guān)點位的人員轉(zhuǎn)移，克服傳統(tǒng)預(yù)報間隔時間長、無法實時更新的問題，提高了預(yù)警預(yù)報的實效性和準(zhǔn)確性。

3.2 普適性自動監(jiān)測預(yù)警模塊

普適性自動監(jiān)測站布設(shè)包括雨量計、GNSS、裂縫計、含水率儀、傾角儀、報警器等6套設(shè)備。目前南平市已在194處地災(zāi)點安裝普適性自動監(jiān)測設(shè)備，平臺接入普適性自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)至地圖上對應(yīng)地災(zāi)點，通過地災(zāi)點圖標(biāo)以水波紋方式進行報警。

3.3 視頻自動監(jiān)測預(yù)警模塊

在地災(zāi)點現(xiàn)場布設(shè)視頻監(jiān)測球機和位移監(jiān)測靶，通過后臺程序控制球機按照一定時間間隔自動對焦不同位移監(jiān)測靶，若對焦靶位與初始位置發(fā)生偏移，后臺將發(fā)出報警信號，平臺視頻監(jiān)控窗口將進行閃爍報警。

3.4 三維模型分析模塊

在三維DEM及遙感影像圖的基礎(chǔ)上，運用無人機航拍等技術(shù)，建立地災(zāi)點三維傾斜攝影模型庫。三維模型可進行360°自動旋轉(zhuǎn)，也可手動偏移旋轉(zhuǎn)，并配備測量工具，評估地質(zhì)災(zāi)害隱患點的危險性，結(jié)合降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)地形(地貌)制定最佳轉(zhuǎn)移路線，組織人員轉(zhuǎn)移。

3.5 地災(zāi)點信息分析模塊

群測群防工作人員在巡查過程中，通過地災(zāi)隨手拍APP拍攝隱患點現(xiàn)場情況，并描述現(xiàn)場是否存在變形跡象，對存在變形跡象的報件，后臺將置頂，工作人員將聯(lián)系上報人員了解具體情況，并第一時間處置。地災(zāi)隨手拍APP和平臺將同步展示隱患點的基本信息以及巡查記錄，巡查照片以時間軸方式展示，能了解不同時間災(zāi)點現(xiàn)場情況，通過對比原始照片以及巡查上報的現(xiàn)狀照片可以分析得出隱患點是否存在變形跡象。在監(jiān)控視頻未全覆蓋的現(xiàn)狀下，地災(zāi)隨手拍APP能發(fā)揮相當(dāng)?shù)淖饔?，解決隱患點信息更新困難的問題。

4 平臺應(yīng)用及取得成效

平臺于2020年5月開始試運行，截至2021年8月，平臺數(shù)據(jù)庫中有1 096處地災(zāi)點、6 358處高陡邊坡詳細(xì)數(shù)據(jù)，398戶搬遷項目以及54個工程治理項目數(shù)據(jù)，194處普適性自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)，4個視頻監(jiān)控點數(shù)據(jù)，160名地質(zhì)災(zāi)害行政管理人員以及4 162名群測群防工作人員信息。南平全市群測群防工作人員通過地災(zāi)隨手拍APP上報巡查報件13 265件，災(zāi)險情報件49件、地災(zāi)隱患點變形跡象報件46件，發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警預(yù)報55期。

平臺自2020年上線運行后，在南平市地質(zhì)災(zāi)害防治日常管理、巡查責(zé)任落實、值班值守、災(zāi)險情處置、轉(zhuǎn)移避險等工作中起到較好的效果，提升了南平市地質(zhì)災(zāi)害防治工作的“技防”能力。平臺在使用過程中將不斷地進行完善更新、預(yù)留端口，實現(xiàn)新數(shù)據(jù)的接入和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出，并努力實現(xiàn)平臺在縣(市、區(qū))以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的普及，提升全市防災(zāi)信息化水平。平臺具有實時預(yù)警的功能，通過提前預(yù)警，完成多例成功避險，例如在2021年6月28日，通過平臺預(yù)警以及群測群防網(wǎng)絡(luò)的高效聯(lián)動，完成了邵武市下沙鎮(zhèn)屯上村大田組22戶29人全部轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過后2 h，該處發(fā)生山體滑坡，十余座房屋發(fā)生倒塌，無人員傷亡，實現(xiàn)成功避險。

5 結(jié)論

(1)利用手機APP、大屏顯示等信息化手段，實現(xiàn)了災(zāi)點信息的更新，落實了群測群防工作人員的防災(zāi)責(zé)任，為領(lǐng)導(dǎo)決策分析提供可視化技術(shù)支持。

(2)平臺利用疊加氣象、地災(zāi)、自動監(jiān)測站、視頻監(jiān)測等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了跨部門、跨平臺的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成與融合，解決了多系統(tǒng)多措施無法同時兼顧的問題，提升了防災(zāi)趨勢研判的準(zhǔn)確率。

(3)創(chuàng)新應(yīng)用三維傾斜攝影模型分析、未來3 d雨量疊加地災(zāi)點研判、實時雨量站閃爍報警、視頻靶向監(jiān)測報警、自動監(jiān)測站自動報警等功能技術(shù)，全方位監(jiān)測監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害點動態(tài)，同時對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險作出研判，為預(yù)防新隱患提供技術(shù)支持。