WEBGIS降雨型滑坡预警模型及关键技术研究（钟洛加,肖尚德,周衍龙,沈贵文）

时间：2022-02-22 15:20:25 浏览量：次

摘要: 以降雨强度—降雨持续时间图解及其与滑坡发生之间的关系确定滑坡发生的临界降雨量理论，结合湖北省主要地质灾害类型、规模、时空分布及危害程度的实际情况，在研究降雨量和降雨过程与地质灾害的空间分布的对应关系基础上，建立地质灾害时空分布与降雨过程的统计关系，开展区域性地质灾害发生的临界降雨量和预警预报判据模型的应用研究。对实现地质灾害信息管理与维护的自动化，信息传输与发布的网络化，信息分析处理的模型化，信息服务与决策的可视化等问题进行了探讨。

关键词: 地质灾害;预警预报;判据;模型

中图分类号: P426.626 文献标识码: A

湖北省是我国地质灾害多发省份之一，地质灾害种类多、分布广、危害大，严重制约着地区国民经济的发展，严重威胁着人民生命财产安全。为了减轻地质灾害所造成的损失，实现地质灾害气象预报信息发布标准化作业的方法，并根据实时的降雨预报和雨量资料，对全省地质灾害发生的空间范围进行实时发布。开展基于WEBGIS的降雨型滑坡预警预报系统的研究，已成为当前社会和政府关注的一个焦点并迫切希望开展研究和加以解决的一个重大课题。该系统的研究有助于提高地质灾害气象预警预报业务的自动化程度，对提高湖北省地质灾害防治工作的及时性、科学性，促进经济效益、社会效益和环境效益的协调统一，最大限度地减少地质灾害对人民生命财产造成的危害，保障社会稳定有着重要的现实意义和较广的应用前景。

地质灾害的监测预警是我国减灾防灾的主要措施之一。目前，对滑坡的监测预报预警研究主要有两个方面:一是利用各种装置对潜在滑坡体进行监测，获得滑坡体位移变形的基础数据，通过对位移-时间曲线的分析来预测滑坡变形趋势，这种方法一般只适用于已知的潜在滑坡，通常针对一些规模巨大的岩质滑坡体进行监测。长期以来，人们总是试图通过对滑坡体位移-时间曲线的分析，找到可以预报滑坡发生的特征值，但由于一方面缺乏足够的滑坡形成、变形位移到破坏全过程完整的数据，另一方面，岩体或土体具有各种尺度的结构不均匀性，物理、化学、水力学等性质极不均匀，无论采用何种方法进行监测，获得的资料总是不完全的。二是区域性宏观预测预报，在滑坡填图的基础上，根据降雨和滑坡之间的经验与理论关系、易导致滑坡的区域地质、地貌因素，划分滑坡易发区。如Keefer.et.al（1987）根据区域降雨遥测网获得的实时雨量观测数据以及国家气象站的降雨预报信息，采用斜坡稳定性模型对暴雨期间滑坡的可能性进行预报。在Keefer.et.al.（1987）基于传统的斜坡稳定性模型提出的滑坡预报系统中，主要根据降雨强度—降雨持续时间图解极其与滑坡发生之间的关系确定滑坡发生的临界降雨量。

近30a来，降雨滑坡预测预报一直是滑坡研究中的热点课题之一，其核心是通过研究降雨与滑坡的各种关系，预测可能的滑坡状态。从目前公开出版的众多文献中可以看出，降雨滑坡预报研究内容广泛、研究方法多样。预报内容可分为3类:时间预报、空间预报和强度预报。研究方法可分为:统计方法、理论模型方法和统计学与理论模型的耦合方法。而空间预报是目前国内外主要研究课题之一，降雨滑坡空间预报的重点是区域性的降雨滑坡频发区和易发区。所以，利用编图技术，编制滑坡灾害图是降雨滑坡空间预报的主要方法。

1 系统特点

本系统研究的主要内容是根据已掌握主要地质灾害类型、规模、时空分布及危害程度等大量资料，在研究降雨量、降雨强度和降雨过程与滑坡灾害的空间分布、时间分布上的对应关系，建立起滑坡灾害时空分布与降雨过程的统计关系，在确定区域性滑坡的临界降雨量和降雨强度阈值的基础上，开发出地质灾害气象预警预报网上发布系统，其中采用临界降雨量模型和有效降雨量模型来进行预警预报。武汉中心气象台可通过本系统根据降雨量按时上传降雨数据，数据保存在后台数据库中，系统能够自动获取数据库中的数据生成时间与降雨量实时曲线，当降雨量达到降雨强度阈值时，触发MAPGIS图件，在Internet上发布区域预警预报信息，并上传至武汉中心气象台，并在互联网上实时发布。

本系统的研究思路是以WebGIS技术为手段，采用湖北省1/50万的地质灾害易发程度分区数字图为基础图件，将全省划分为6个地质灾害预报预警单元和82个行政区划单元;对每个预报预警单元分别统计地质灾害发生频率，建立相关概率模型，进行定量评价;根据省气象台发布的未来24h降雨量预报数据，对每个行政区划单元进行降雨量分析和判据修正。系统能够自动获取数据库中的数据生成时间与降雨量实时曲线，并实时动态地绘制地质灾害等级色块图和降雨量等值线趋势图。连接Intenet的任意一个用户，都可以浏览、查询该集成系统站点中的地质灾害综合信息，实现地质灾害防治信息的开放和共享。

2 预警预报判据模型设计

通过对已有地质灾害点与降雨的关系分析、统计，建立预测预报模型，并依据分区建立与不同预报等级相应的预报判别标准。

2.1 预警判据设计原理

考虑到图上信息的严谨、准确性，以及灾害预报特有的不确定性，在计算机给出灾害等级色块图的基础上，增加人工校正功能。使得某些特定区域在计算机根据降雨量判断值算法得出结果的基础上，综合地质灾害预报专家的判断经验，进一步确保灾害等级色块图的准确性。为达到这一目的，在成图设计中增加了“灾害预报—降雨量分析图”，通过该图对可能存在计算机判定误差的区域进行人工雨量判读和灾害发生等级的修正，达到准确发布信息的目的。

首先在MAPGIS平台下设定分析图底图，根据湖北省地质灾害气象预警分区预警判据，由计算机自动从数据库中提取前15d的降雨量值，然后再分别计算当天、前2d、前4d、前7d、前10d、前15d降雨量的6组数据和，特别注意的是，在计算前N天的日期时，系统还考虑到大小月，即闰年。最后由系统将6组数据和结果在图上描出，并将各点两两相连构成折线。系统根据曲线的趋势，若超出上限（红线），则由系统发出红色警报;若在上限和下限之间（黄线），则发出黄色警报和橙色警报;否则均为绿色。

2.2 降雨量等值线原理

降雨量等值线图，作为等值线图的核心部分，根据各监测点提供的降雨量数据按照等值线算法动态生成;降雨量等值线图将各地区的降雨量差异以图形的形式表现，并且动态对各等值线予以数值表示。

系统根据用户选择的日期在数据库中搜索该日期关键字，将具有相同关键字的所有记录读出，按降雨量值分类。将具有相同降雨量值及符合精度的邻域内的纪录归并在同一数组中，再将各分类数组中记录按照地理位置坐标值（x、y值）以曲线算法予以光滑连接成一闭合曲线，各分组按照等值线算法依次生成闭合曲线，待所有的雨量观测点均被包含在等值线中后，将生成的曲线结果以MAPGIS的点线区数据结构组成MAPGIS下的点、线、区文件。至此，整个由雨量数据作为数据源的等值线文件生成完毕，将此生成的点线区文件同行政区划图的点线区文件，依照点文件先读的原则，分别将点线区文件组织成为一个MAPGIS的工程文件，此工程文件中最终包括:湖北省行政区划、灾害点位置图，降雨量等值线图，等值线及其标定的各等值线数值及图例等。

3 关键技术及创新点

3.1 关键技术

该系统研究将综合INTERNET技术、数据库技术、计算机网络等先进技术在地质灾害预预警预报方面的集成与应用，解决地质灾害气象预警预报信息发布、数据库与Web结合、地质灾害气象服务预报标准化、内部网络整体与安全性设计、图件传真图格式转换等一系列问题。采用的主要技术为:

（1）根据传统的斜坡稳定性模型提出的滑坡预报系统中主要以降雨强度—降雨持续时间图解及其与地质灾害发生之间的关系，结合湖北省主要地质灾害类型、规模、时空分布及危害程度的实际情况，在研究降雨量和降雨过程与地质灾害的空间分布的对应关系基础上，建立地质灾害时空分布与降雨过程的统计关系，开展区域性地质灾害发生的临界降雨量和预警预报判据模型的应用研究。

（2）利用GIS技术对与斜坡不稳定性直接或间接有关的地质—地貌要素图进行各种操作和分析，编制1/50万的地质灾害易发程度分区数字图并建立相应的空间数据库。

（3）利用湖北省1/50万的地质灾害易发程度分区数字图为基础图件，将全省划分为6大地质灾害预报预警区和82个地质灾害预警预报单元;统计地质灾害发生频率，建立相关概率模型，进行定量评价;并依据分区建立不同预报等级相应的预报判别标准，确定区域性滑坡的临界降雨量和降雨强度阈值。

（4）考虑到项目可靠性和安全性要求，系统采用基于Web-GIS（MapGIS IMS）与ASP.NET+SQL技术架构实现。

3.2 创新点

（1）建立了湖北省比较完整的滑坡灾害时空间分布与降雨过程的统计关系和基于1/50万湖北省地质灾害易发程度数字图的6个预警区的预警预报应用数学模型。

（2）基于MAPGIS-IMS（InternetMapServer）构建的地质灾害信息Web发布系统，开发了在Internet上实时表达降雨量等值线趋势图和地质灾害预警预报等级色块图程序。

（3）在Internet中采用降雨量模型来进行预警预报，自动生成时间与降雨量实时曲线并能对全省82个预警预报单元进行快速评价。

（4）实现了地质灾害气象预报信息发布的标准化作业方法，建立了一个完全新型的地质灾害研究成果表达与信息服务的技术体系，为湖北省地质灾害减灾防灾工作提供强有力的技术支撑，填补了湖北省地质灾害区域性预报预警信息网上发布的空白。

4 系统应用

经过近1a的试运行和优化完善，系统各项指标性能均达到设计要求。该系统自2005年汛期以来，共预报5次，均与实际情况吻合。

2006年汛期已正式启动该系统。全省各地（市）、县地质灾害监测站现已经使用该系统，开展对本地地质灾害有关资料进行数据处理，预警预报工作等。

5 结语

基于WebGIS技术的地质灾害预警预报，采用湖北省1/50万的地质灾害易发程度分区数字图为基础图件，将全省划分为6个地质灾害预报预警单元和82个行政区划单元;对每个预报预警单元分别统计地质灾害发生频率，建立相关概率模型，进行定量评价;根据省气象台发布的未来24h降雨量预报数据，对每个行政区划单元进行降雨量分析和判据修正。系统能够自动获取数据库中的数据生成时间与降雨量实时曲线，并实时动态地绘制地质灾害等级色块图和降雨量等值线趋势图。连接Intenet的任意一个用户，都可以浏览、查询该集成系统站点中的地质灾害综合信息，实现地质灾害防治信息的开放和共享，实现了湖北省地质灾害信息管理与维护的自动化、信息传输与发布的网络化、信息分析处理的模型化、信息服务与决策的可视化。

作者简介: 钟洛加，男，中国地质大学研究生院，博士研究生;湖北省地质矿产勘查开发局，教授级高级工程师。

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