公路地灾智能预警系统中的气象预警技术研究

江俊翔，牛红梅，周富华

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)

公路地灾智能预警系统中的气象预警技术研究

江俊翔，牛红梅，周富华

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

江俊翔(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事公路地质灾害监测预警系统课题研究工作；

牛红梅(1981—)，女，硕士，工程师，主要从事地质灾害危险性评估及课题研究工作；

周富华(1970—)，男，博士，教授级高级工程师，主要从事地质灾害危险性评估及课题研究工作。

2013年度广西壮族自治区交通运输厅科技项目“广西公路地质灾害智能监测预警系统开发”(桂交科教发〔2013〕100号)

摘要：气象预警技术在公路地质灾害智能预警系统中具有主要的作用。文章系统阐述了公路地质灾害智能预警系统的原理，并对其气象预警技术进行了探讨，以期推动公路智能预警系统关键技术的研究与应用。

关键词：公路地质灾害；监测预警；气象预警技术

0引言

公路交通是我国国民经济发展的主动脉，截止到2013年12月31日，我国公路通车里程累计达435.62万公里，其中等级公路里程达375.56万公里，高速公路里程达10.44万公里。中国的自然灾害发生情况相当严重，包括的种类较多，发生的地域很广，出现的频次极高，遭受的损失惨重，特别是在广大的公路沿线地区，做好公路地质灾害的防治工作，对公路地质灾害的发生防患于未然是当务之急。在公路地质灾害防治工作中，通过运用现代科学技术手段，实现互联网络信息化管理已成为必由之路。近年来，公路地质灾害智能监测预警系统的开发研究已经成为各地方交通科研单位的主要工作方向之一，其关键技术之一 ——公路地质灾害气象预警技术在研究与应用上取得了关键性的突破和进展。

1公路地质灾害智能预警预报系统

公路地质灾害智能预警预报系统是通过运用现代信息化技术建立的，对预报区域内的干线公路地质灾害隐患点进行地质灾害发生可能性的监测预警预报，可以更好地为公路主管部门提供抗灾防灾的技术支持，保障公路上各类交通参与者的生命和财产安全，还可以有效地减少由可预测的公路地质灾害带来的各项损失。

1.1　系统总体架构

公路地质灾害智能预警预报系统的体系结构总体上包括公路地质灾害数据采集层、公路地质灾害专业监测系统、公路地质灾害数据库、公路地质灾害业务应用系统——公路地质灾害信息系统及一张图、公路地质灾害信息发布与交换子系统等5个组成部分。公路地质灾害信息系统由数据中心和数据采集层作为数据支持，通过管理UI来实现对各个子系统(公路地质灾害、群测群防、专业监测、气象预警等)进行安全控制管理，这些子系统通过一致的数据接口与公路地质灾害信息发布系统和政务系统进行对接；公路地质灾害数据中心的数据来源为数据采集层，包括各类公路地质灾害传感器和气象、水利、测绘等专业数据，这些数据通过GIS工具、入库工具、专业软件来进行数据整合，从而提供给最上层的公路地质灾害信息系统使用。公路地质灾害智能预警预报系统的体系结构如图1所示。

1.2　公路地质灾害数据中心

公路地质灾害数据中心服务于公路地质灾害业务应用和信息平台，其数据来源于数据调查、综合研究、动态监测、采集软件、数据汇交，通过数据服务层处理后提供数据资料的检索下载、数据产品和信息产品、业务系统、一张图展示、应急指挥、数据仓库和数据挖掘等服务和应用，为公路地质灾害业务应用系统、专业软件和工具、信息系统提供统一的数据服务，最终实现公路地质灾害数据的一体化服务体系。公路地质灾害数据中心概念模型如图2所示。

图1　公路地质灾害信息管理和监测预警平台总体架构设计图

图2　公路地质灾害数据中心概念模型图

2公路地灾气象预警技术研究

公路地质灾害气象预警技术作为公路地质灾害现代科技化建设的关键部分，是针对公路地质灾害气象信息管理、公路气象信息查询、公路气象预警分析、公路预警成果发布以及信息服务等研究的地质灾害气象预警信息化技术，技术开发可采用包括个人电脑端、浏览器端、移动端等多种终端使用，可以进行无网络、有网络等多种方式进行应用，适应专网、广域网和外网等多种网络环境，同时对SQL数据库、Oracle数据库等进行兼容，根据公路条件的具体软硬件(网络)环境进行应用。

2.1　公路地质灾害气象预警基本原理

公路地质灾害气象预警即将公路地质灾害敏感性因子和诱发因素进行GIS叠加分析，得到预警结果，然后再将结果与灾害信息进行叠加分析，得到综合预警信息，最后对公路地质灾害预警信息进行入库、签批和发布。公路地质灾害气象预警的概念模型如图3所示。

图3　公路地质灾害气象预警的概念模型图

公路地质地质灾害气象预警总体流程如图4所示。

图4　公路地质灾害气象预警的总体流程图

2.2　公路地质灾害气象预警敏感性分析

公路地质灾害敏感性(易发性)指地质灾害发生的可能性大小，一般是根据公路地质灾害点所处地质构造、地形地貌和气候条件等综合评价得到，通常可分为高易发、中易发、低易发和不易发四个等级。公路地质灾害易发区是指容易发生公路地质灾害的区域，其不一定是公路地质灾害危险区域，根据对车流量、公路等级等因素综合考虑公路地质灾害发生时各交通参与者人类生命财产的危险性大小，可得到公路地质灾害危险性分区，一般也是分为四个等级：高、中、低和极低。

公路地质灾害易发分区和地质灾害危险性分区均可作为公路地质灾害气象预警的敏感性因子。公路地质灾害敏感性分析模块就是通过相应的模型(证据权模型、信息量模型等)，综合考虑影响公路地质灾害发生的各种因素，包括公路条件(公路等级、车流量等)、地质构造(断层、岩性、地震活动等)、地形地貌(坡度、土地利用类型、地貌类型等)、气候条件(历史降雨记录)、人类生命财产和现有灾害分布情况，利用ArcGIS完善的GIS分析功能，实现公路地质灾害风险区划与制图，生成公路地质灾害易发分区图或地质灾害危险性区划图。公路地质灾害敏感性分析如图5所示。

图5　公路地质灾害敏感性分析图

公路地质灾害敏感性分析计算流程如图6所示。

图6　公路地质灾害敏感性分析计算流程图

2.3　预警分析模块

基于GIS的叠加分析是公路地质灾害气象预警的核心思想，把公路地质灾害的易发性、危险性——敏感性因子和公路地质灾害单点降雨量——主要诱发因素在GIS中进行叠加计算，得到公路地质灾害预警预报等级图——预警结果，将公路地质灾害信息和公路地质灾害预警结果在GIS中进行叠加分析，生成包括公路地质灾害预警结果、文本信息、报表和制图成果等的综合预警信息，然后对公路地质灾害预警信息以信息入库、签批以及短信、邮件和Web等方式进行发布。公路地质灾害气象预警分析计算流程如图7所示。

图7　公路地质灾害气象预警分析计算流程图

公路地质灾害气象预警分析模型如图8所示。

图8　公路地质灾害气象预警分析模型图

公路地质灾害气象预警分析具体流程如下：

(1)预警计算：选择预警时间后，点击“预警计算”即可开始进行预警分析相关计算，包括气象数据、预报数据的插值，敏感性图与诱发因素的叠加计算等。

(2)输出：显示预警计算过程提示信息。

(3)三维加载：将预警结果加载到三维视图上显示。

(4)参数设置：包括预警矩阵和敏感性图的设置，可根据公路实际情况进行设置。

(5)预警结果：预警分析生成的原始结果。

(6)预警信息FF1A由预警用户输入的文字描述信息。

(7)预警结果报表：预警计算完成后，将预警结果与灾害点、群测群防点、公路路线等进行叠加分析，生成相应的统计报表。

(8)预警成果：预警计算完成后，将预警原始结果与公路路线、流域等进行叠加(某条道路、流域单元的预警等级为落在该区域内的最高预警等级，具体算法可根据实际情况设置)，生成可用于发布的成果图件；此外，还包括“预警成果制图”生成的图件。

(9)预警成果制图：可生成带图框、图名、比例尺、图例等制图要素的图件。

(10)预警信息入库：预警计算和制图完成之后，即可将预警相关信息进行入库，预警信息进入待签批状态。

2.4　预警历史查询模块

公路地质灾害气象预警历史查询模块可对历史预警信息进行查询浏览，包括待签批、待发布和已发布的预警信息，系统所有用户均可以查看。默认显示最近1个星期的预警结果列表，可通过选择预警区域、起止时间和是否已发布进行过滤筛选，双击可打开预警详细信息界面。公路地质灾害气象预警历史查询模块模型设计如图9所示。

图9　公路地质灾害气象预警历史查询图

2.5　气象信息模块

包括公路地质灾害点降雨量查询、实时雨量监测和降雨等值线等功能。

2.5.1降雨量查询

公路地质灾害点降雨量查询子模块以目录树的形式按照公路、路段层级显示各个公路区划节点下的气象站，可进行定位、查看气象站信息和气象数据曲线等。公路地质灾害气象预警降雨量查询如图10所示。

图10　公路地质灾害气象预警降雨量查询子模块图

2.5.2实时雨量监测

公路地质灾害点实时雨量监测子模块可以按照预设的数据时段(24 h、12 h、6 h、3 h、1 h、30 min、10 min等)和阈值自动报警，以不同的图标显示超限报警、暴雨、大雨、中雨、小雨和无降雨，可以用声音和字幕的形式进行报警。公路地质灾害气象预警实时雨量查询如图11所示。

图11　公路地质灾害气象预警实时雨量监测子模块图

2.5.3降雨等值线

公路地质灾害点降雨等值线子模块可以生成公路、路段等各个公路区划节点的降雨等值线和栅格图，并进行三维集成显示。公路地质灾害气象预警降雨等值线如图12所示。

图12　公路地质灾害气象预警降雨等值线子模块图

3结语

在我国公路地质灾害日趋增多的情况下，运用现代信息化科技对公路地质灾害预警预报系统进行建设的过程中，使用气象预警进行监测预警已经成为一种主要的手法。本文通过对公路地质灾害气象预警技术进行探讨，目前该研究内容已经实际

运用于作者单位研发的广西公路地质灾害智能监测预警系统，在野外公路地质灾害实验监测点上取得了较好的运行效果。

参考文献

[1]任景珂.河北省公路地质灾害预警系统的设计与开发[D].石家庄：石家庄经济学院，2013.

[2]李水旺，田智慧.基于GIS的公路自然灾害的预警预报系统研究[J].测绘科学，2009(3)：155-158.

[3]黄裕婕，沈毅，李宗禹，等.基于无人机的公路滑坡预警应急系统的设计[C].第十七届中国遥感大会摘要集，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

文章编号：1673-4874(2015)02-0053-05

中图分类号：U491.1+16

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.014

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