湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库设计与应用

霍芳HUO Fang；杨帆YANG Fan；钟飞ZHONG Fei；曾洋ZENG Yang；甘克平GAN Ke-ping

（①湖北省地质环境总站，武汉 430034；②武汉爱迪科技股份有限公司，武汉 430034）

0 引言

数据是事物本质的外在体现，有必要从全局出发规划数据体系[1]。数据库的规范建设在地质灾害气象风险精细化预警工作中占据着重要的地位。世界各国都非常重视地质灾害数据的收集以及数据库的设计与建设等问题的研究。国外对地质灾害数据库的研究起步较早，研究比较成熟；与之相比，国内这方面的研究则相对欠缺[2]。

湖北省是中国地质灾害多发省份之一，地质灾害种类多、分布广、危害大[3]。大部分地质灾害的诱因都包括降水灾害，对降水灾害的预测是对其他地质灾害预测的前提[4]，因此，地质灾害气象风险预警工作是湖北省地质灾害防治的有效手段。湖北省自2003 年以来，利用武汉中心气象台提供的降雨数据，开展了地质灾害气象预警预报工作。2019-2021 年，宜昌市、荆门市等13 个市（州）和神农架林区建设了地质灾害气象风险精细化预警预报系统，初步建立了市（州）级地质灾害气象风险精细化预警体系。通过梳理以往历史数据发现，省级和各市州级数据库较为独立，数据存储格式、形式都不同，无法实现数据资源的互联、互通、互用，因此需要整合现有地质灾害气象风险精细化预警数据，建立统一的数据标准，从而提高预警数据质量、提高数据共享和利用效率。

本文结合湖北省地质灾害气象风险精细化预警业务需求，在分析现有数据标准的基础之上，制定一套符合湖北省地质灾害气象风险精细化预警工作实际情况的数据标准规范，并在此基础上开发了宜昌、荆门和神农架林区等9 个市（州）级地质灾害气象风险精细化预警预报系统以及对应的APP 应用。

1 预警工作方法

地质灾害气象风险精细化预警是在把地质环境条件和人类工程活动结果作为灾害发生前已存在背景下，研究降雨工况下灾害发生的风险性。目前地质灾害气象风险预警工作采用的是第二代预警方法——显式统计法开展气象预警工作。具体预警制作方法为：采用刘传正教授的潜势度理论[5]，根据历史降雨型灾害和气象条件研究，结合潜势度，模拟反演创建预警模型（回归方程），再带入实况和预报雨量值（即雨量数据）进行地质灾害气象风险值计算得到预警结果，然后对预警结果进行预警发布和响应反馈工作。地质灾害气象风险精细化预警工作流程如图1所示。

图1 地质灾害气象风险精细化预警工作流程图

1.1 预警模型

预警模型是采用地质灾害致灾因素的概率量化模型预警方法对研究区进行灾害风险研究[6]。具体创建流程为：首先对预警区域的地质灾害点等基础资料进行收集，对数据进行初步整理。筛选与降雨有关隐患点创建隐患点图层，确定地质环境影响因子，创建因子图层，选取预警单元。通过对因子量化、因子权重确定计算潜势度值，在地质灾害易发性等级划分基础上，通过数学方法分析确定各等级区的降雨阈值，再利用逻辑回归模型建立的灾害发生概率预报模型[7]，主要包含的数据有：图层数据、隐患点信息模型参数及潜势度图层等。

1.2 预警结果

预警结果主要是通过预警模型数据叠加雨量数据计算得到的预警结果数据，以及根据预警结果所进行的预警发布及响应反馈等记录。

2 地质灾害气象风险精细化预警数据库总体设

2.1 基本要求

湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库设计可分为概念设计、逻辑设计和物理设计三个阶段。在设计和建设数据库时应遵循以下几点要求：①遵循最小冗余度原则，对大量的数据体要用非冗余结构进行定义；②在插入、修改和删除数据时，数据的结构、相互之间的关系和从属性应保持不变；③数据库要具有独立性，数据存放尽可能地独立于使用它的应用程序；④要具有不断扩充和更新的能力。

2.2 建设内容

湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库建设的内容主要包括雨量数据、预警模型数据、预警结果记录、预警发布记录和响应反馈记录。通过构建地质灾害气象风险精细化预警数据规范，形成湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据信息模型（如图2 所示）。

图2 数据信息模型图

2.3 分类编码

编码是给每一种要素分配一个唯一的标识符，从而更好的实现预警结果记录到雨量数据、预警模型数据、预警发布记录和响应反馈记录的互联互通。在编码的过程中要遵循兼容性：对于国家已经颁布实施的标准应直接引用，充分引用有关行业及湖北省颁布的地方标准；完整性和可扩充性[8]。编码结构应留有适当的扩充余地，以便在必要时扩充新的类别代码且不影响已有的分类和代码[9]。主要有数据ID 编码、潜势度图层名称编码和预警结果图层名称三个核心字段编码。

①数据ID 编码：由0-9 或a-f 范围内的一个十六进制数，主要用于唯一标识一条数据记录的无意义字符串，字段长度32 位，是由计算机自动生成的GUID，在一条数据记录的整个存续周期内不得修改。

②潜势度图层名称编码和预警结果图层名称编码：两者编码规则一致。潜势度图层名称编码用于唯一标识一个潜势度图层。预警结果图层名称编码用于唯一标识一个预警结果图层。字段长度24 位，“_”算一位。如图3 所示。

图3 图层代码结构

第一码段3 位，为图层类型编码。第二码段14 位，为时间编码。第三码段5 位，是计算机自动生成的唯一编码。例如：QSD_20211120121024_15207，表示2021 年11 月20日12 点10 分24 秒计算生成的潜势度图层。JGT_20211207114509_01234，表示2021 年12 月7 日11点45 分9 秒计算生成的预警结果图层。

3 地质灾害气象风险精细化预警数据库详细设计

3.1 概念结构设计

概念结构设计是将需求分析阶段得到的用户需求及数据需求抽象为开发人员及用户能理解的概念模型的过程，它是数据库设计的关键环节[10]。概念模型是现实世界到信息世界的抽象, 具有独立于具体的数据库实现的优点，是用户和数据库设计人员进行交流的语言[11]。通过对地质灾害气象风险精细化预警数据信息的抽象和分析，得到湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库结构模型，如图4 所示。

图4 数据库结构模型

3.2 逻辑结构设计

将数据库层次化概念模式转换成以DBMS 逻辑数据表示的逻辑模式[12]。该设计阶段的任务是把数据库模型图转成为与地质灾害气象风险精细化预警实际数据相符合的逻辑结构。湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库是属性数据和空间数据的系统化集合，是属性数据以字符形式，空间数据以图层形式组织的数据集，主要包括以下数据。

3.2.1 预警结果信息表

用于存储和管理地质灾害气象风险精细化预警结果的数据，是整个地质灾害气象风险精细化预警数据库的主表。

3.2.2 雨量数据类

用于进行预警计算的雨量数据，由雨量站点、预报雨量数据、实况雨量数据和QPF 网格映射组成。通过预警时间与预警结果信息表关联，实现从预警结果到雨量数据的快速检索。

3.2.3 预警模型信息表

用于存储和管理预警模型包含的模型名称、预警网格图层名称、隐患点图层名称、潜势度图层名称等关键信息，通过潜势度图层名称实现从预警结果到预警模型数据的快速检索。

3.2.4 预警发布记录类

用于存储和管理预警发布环节的数据，包括审批流程表和短信发送表。通过预警结果图层名称与与预警结果信息表关联，实现从预警结果到预警发布数据的快速检索。

3.2.5 响应反馈记录类

用于存储和管理响应反馈环节的数据，包括响应反馈信息表、灾险情登记表和隐患点稳定性趋势表。通过预警结果图层名称与预警结果信息表关联，实现从预警结果到响应反馈数据的快速检索。

3.3 物理结构设计

数据库在物理设备上的存储结构与存取方法称为数据库的物理结构[13]。物理设计阶段的主要任务是针对已经确定的逻辑结构进行分析和设计，利用数据库管理系统提供的技术方法，对数据存储结构、数据存放位置及存储分配方案等进行合理规划[14]。根据业务需求，本系统采用Sql Server 关系型数据库和ArcGIS 地理信息平台进行数据管理。湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库数据表包括QPF 网格映射表、网格预报雨量表等13 种表结构（如表1 所示），空间数据包括隐患点图层、预警网格图层等14 种空间图层（如表2 所示）。

表1 数据库表清单

表2 空间图层清单

4 数据库功能和应用

宜昌市、随州市等9 个市州级地质灾害气象风险精细化预警预报系统是基于数字地质信息化成果开发的，其数据库基于SQLServer2008 和Arcgis 数据平台构建，可以高效调整规模，具有IT 效率高、灵活管理多服务器、处理复杂事件能力强能进行数据捕获（CDC）等强大功能[15]。Arcgis 在数据管理上能实现集分析、测绘、构图为一体的空间数据库构建[16]。系统建立了集雨量数据管理、模型管理、预警制作、发布、响应、信息反馈功能于一体的闭合的汛期地质灾害气象风险预警响应功能。目前大多数地质灾害信息管理系统是通过传统的PC 客户端访问网站的方式来进行管理，实时性、交互性差，操作不方便，严重影响管理效率和管理水平[17]。随着4G 甚至5G 智能手机的普及，建立基于移动平台的地质灾害气象风险精细化预警管理APP 已是大势所趋，可以使相关人员在任何时间、任何地点轻松办公，这将提高日常工作效率和沟通、协作效率[18]。基于此，地质灾害气象风险精细化预警系统也采用移动端APP 进行预警审批和响应反馈设计，其主要功能有：预警成果、预警反馈、预警审批等。

预警预报系统的开发为气象风险预警技术人员提供更优质、更便捷的操作应用，也为各市州及时准确制作和发布预警信息提供了技术支撑。应用数据库规范构建了各系统数据库，通过两年多来的运行，系统整体运行稳定，数据库之间共享和利用化程度高，能够清晰反映地质灾害气象风险精细化预警数据信息，在汛期及时准确发布的预警数据信息，为地质灾害防治工作提供了效力。

5 结语

从2004 年开始至今，我省和各市（州）已建设形成了一套较完善的地质灾害气象风险工作机制，建立了省市两级地质灾害气象风险预警系统以及相应数据库，保障了省、市（州）两级地质灾害气象风险预警工作的顺利开展，积累了较丰富的地质灾害气象风险预警工作经验，然而各级数据库没有标准规范进行统一，为数据分享和利用带来阻碍。

本文通过建立规范化的地质灾害气象风险精细化预警数据库，实现了地质灾害气象风险精细化预警数据信息的完整统一，规范了预警结果信息，实现了数据的统一集中存储及资料的完整，保障了全省和各市州地质灾害气象风险精细化预警信息的互联互通，为统筹协调地质灾害气象风险精细化预警工作成果，全面提升我省地质灾害气象风险精细化预警水平提供支撑。

根据湖北省地质灾害气象风险精细化预警数据库设计，开发了宜昌市、随州市等9 个市州级地质灾害气象风险精细化预警预报系统，通过实际上线，系统运行流畅稳定，数据库兼容性及利用率较高。通过预警系统发布了市级地质灾害气象风险精细化预警产品300 余期，发送预警短信九万余人次，成功预报了秭归县归州镇小岩头滑坡和随州2021 年8 月12 日特大暴雨引发的149 起地质灾害等，得到了地方保护站和自然资源部门的肯定，取得了良好的社会效益。