预警预报软件与运行检验
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发布时间：2022-04-21 22:31
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时间：2023-11-30 09:02
国家级地质灾害气象预警预报软件是在国家级地质灾害气象预警预报技术方法研究的基础上，利用GIS技术开发实现的应用型系统，是进行全国地质灾害气象预警预报工作的重要工具。
5.7.1 系统设计
软件具备4个方面的功能:
1)潜势度的计算、修改。
2)雨量数据的接收、处理。
3)预警预报方法参数的调整。
4)预报产品的计算、编辑、生成与管理。
软件采用数据驱动的三层结构，即数据层、处理分析层、服务层，如图5.27。
图5.27 软件结构图
数据层负责基础地质、地质灾害、预警区划、潜势度、气象、产品背景、计算参数、日志等空间数据或非空间数据的获取与组织。
处理分析层负责基础数据的集成和管理，以及潜势度计算、预报产品生成、雨量数据处理、多元线性回归、BP神经网络、数据预处理等数据处理分析工作。
服务层负责各类数据及其操作可视化，以及各种规格预报产品的生成工作。
软件构架于微软Windows操作系统、Office系统和武汉中地MapGIS平台上，充分发挥Windows操作系统文件管理优势，MapGIS空间数据管理、空间数据编辑和空间数据可视化优势，以及Office自动化优势，系统调用关系如图5.28。
图5.28 调用关系图
软件运行时，以数据调用与处理为主线，数据流如图5.29。
图5.29 数据流图
5.7.2 数据组织
软件采用数据驱动，数据组织是软件运行、维护的基础工作。软件以文件形式进行数据组织，按照数据在全国地质灾害气象预警预报工作中意义进行分组分类。
各类数据均以文件夹分组、以文件形式存储，其中空间数据采用MapGIS格式，非空间数据以ASCII格式存储，如果数据安装在D硬盘驱动器的PRE文件夹下，那么D:\PRE\文件夹下的数据组织形式如图5.30。
图5.30 数据组织图
全部数据分为5类:
(1)地质类数据
地质类数据包括地质环境条件数据、地质灾害点数据、潜势度数据、预警区划数据。地质环境条件数据包括了对工作区潜势度计算有直接影响的基础地质、水文地质、工程地质、地震、地理、气候等近30种数据。地质灾害点数据包括了全国崩塌、滑坡、泥石流灾害点空间数据。潜势度数据包括预报网格单元地质环境条件属性量化及划分类别数据、敏感性数据、潜势度值数据。预警区划数据包括全国7个预警区划分数据。
(2)气象类数据
气象类数据包括气象局实况雨量、预报雨量等原始数据，以及工作区实况雨量、预报雨量、累计雨量空间数据。气象局原始数据以文本形式提供，雨量空间数据为气象局雨量数据的矢量化。
(3)模型类数据
模型类数据包括雨量判据法、多元线性回归和BP神经网络两个预警模型相关参数数据。雨量判据法参数包括各预警区不同预报等级对应的实况雨量、累计雨量判据。多元线性回归参数包括各预警区潜势度、实况雨量、累计雨量的权值，以及回归样本。BP神经网络参数包括网络结构参数，各预警区网络连接权值、阈值，以及训练样本。
( 4) 产品类数据
产品类数据包括预报产品的正式版、网络发布版及气象局发布版，包含产品数据、预报词等。
( 5) 辅助类数据
除上述 4 类以外的数据属于辅助类数据，包括地质环境条件图例、预报产品背景及图例等数据，用于相关数据或产品的装饰和说明，也包括用于确定预警预报基本单位的网格数据，还包括日志数据。
5.7.3 实现技术
软件以动态链接库为核心，动态链接库以 Run-time Dynamic Linking 方式实现，共包括MiscelDLL.dll，PotentialDLL.dll，PredictionDLL.dll，RainDLL.dll，RegressDLL.dll，BP-DLL.dll 6 个动态链接库，分别完成辅助处理、潜势度计算、预报等级计算、雨量数据处理、多元线性回归预警计算、BP 神经网络预警计算。MiscelDLL 库导出 12 个函数，PotentialDLL库导出 39 个函数，PredictionDLL 库导出 4 个函数，RainDLL 库导出 5 个函数，RegressDLL库导出 16 个函数，BPDLL 库导出 12 个函数。
软件的用户交互部分重点处理图形编辑交互操作。在完成多元线性回归预警模型或BP 神经网络预警模型计算之后，用户需要在计算结果的预报等值线上进行编辑处理，包括增加预报等值线、编辑等值线、删除等值线等交互操作，需要处理的鼠标左键单击、左键双击、移动、右键单击及其组合等消息，同时对应每一个鼠标操作都需要处理相应空间数据。
5.7.4 操作流程
软件具有较强实用性，要求预报员操作遵照全国地质灾害气象预警预报工作规程，软件操作总体划分为 3 个阶段。
5.7.4.1 潜势度计算
潜势度计算通常每年进行一次，如果地质环境条件数据、地质灾害点数据、预警区划有重大变化，或者需要调整计算网格规格，那么可以进行潜势度的重新计算。此外，利用“潜势度统改”可以完成用户给定区域潜势度统一修改，以满足相关需求。
潜势度计算有 4 个步骤，首先准备地质环境条件数据、地质灾害点数据、预警区划，然后确定计算网格规格，第三步通过分区分段量化并利用空间分析进行数据集成与综合，最后通过敏感性分析确定潜势度。
5.7.4.2 多元线性回归或 BP 神经网络预警模型参数确定
软件提供的多元线性回归预警模型和 BP 神经网络预警模型需要在实施预警预报工作之前确定相关参数，预警模型参数的确定通常每年进行一次，如果出现预警指数计算有明显偏离，那么可以重新确定预警模型参数。
预警模型参数的确定有 3 个步骤，首先在历史数据中按预警分区选择一定数量典型训练样本数据，每一个样本数据包括预警区、潜势度、累计雨量、实况雨量 4 个数据，然后确定多元线性回归模型检验方案或 BP 神经网络拓扑结构，最后进行训练，得到线性表达系数或阈值、权值。
5.7.4.3 日常预报
日常预报通常有 5 个步骤，首先确定预报日期，然后获取气象局雨量数据，第三步运用多元线性回归预警模型或 BP 神经网络预警模型进行预警指数计算，接着针对预报等值线进行交互编辑，并生成预报数据，最后提供预报词，并生成不同规格的预报产品。
5.7.5 预警预报软件界面与预警符号
基于新研发的第二代显式统计预警法研发预警软件系统( 图 5.31) 。该系统基于 Map-GIS 研发的，由于 MapGIS 在本行业推广应用比较广泛，便于软件升级。具有方便的图层管理、预警计算、自动成区等功能，能够实现初步的日常预警预报工作。2008 年结合预警预报日常工作时间，在软件模型的完善性、操作的便利性、界面的美观性等各方面进行了完善改进。
图 5.31 基于 MapGIS 的预警产品界面
在中国*电视台( CCTV-1) 发布预警产品图片时，同时配发预警符号动画和播音员播音的形式，第二代预警符号的*真性和美观效果显著提高( 图 5.32) 。
图 5.32 第二代地质灾害气象预警预报专用“符号”
5.7.6 运行检验
使用全国地质灾害气象预警预报软件( 第二代) ，采用气象局每日实际发来的预报雨量数据和实况雨量数据，对 2007 年 8 月 1 ～31 日的每日预警预报情况进行了运行检验，在不考虑预报员制作预警产品过程中的人为修正情况下，将软件系统自动生成的预警结果与实际反馈的较大型地质灾害点进行了相应校验，取得了比较好的效果。
5.7.6.1 关于地质灾害预警区范围
由于预警预报对象为降雨引发的地质灾害，因此预警区范围与降雨预报雨量、降雨前期雨量关系是十分密切的。但是，地质背景环境条件是地质灾害发生的内在因素，地质灾害潜势度是不容忽略的因素之一。因此，预警预报结果的范围不会与降雨预报雨量的范围完全一致，新的预警软件系统突显了这一特点。
5.7.6.2 关于地质灾害预警区的最小单元
新的软件系统中，采用了 10km ×10km 的网格单元参加计算，10km ×10km 即为地质灾害预警区的最小单元。因此，地质灾害预警预报产品的精度大大提高了。特别是，在地质潜势度较高的地区，如果出现较大的前期累计雨量，我们的预警结果中也能体现这些面积比较小的预警区。
5.7.6.3 典型实例检验
2007 年 8 月 19 日，国家气象中心降雨预报结果显示: 在浙江南部、福建全境、广东东北部有暴雨( 50mm) ; 其中，浙江南部局部、福建大部、广东东北局部有大暴雨( 100mm) ; 福建东部沿海局部有特大暴雨( 250mm) ( 图 5.33) 。
在综合分析地质灾害潜势度、气象预报雨量、气象前期实况雨量，采用全国地质灾害预警预报软件 Prediction，自动生成预警结果( 图 5.34) 。
根据地质灾害发生情况反馈，本次预警时段全国共有较重大的地质灾害点 105 处，其中福建 处、浙江 10 处、云南 5 处、湖南 10 处。将预报雨量、地质灾害预警结果与 2007 年 8月 19 日地质灾害实际发生情况进行对比分析，显示 90 处灾害点落在 5 级预警区范围内，3处灾害点落在 4 级预警区范围内，6 处灾害点落在 3 级预警区范围内，另有 6 处灾害点落在预警区范围之外。
图 5.33 国家气象预报雨量( 2007 年 8 月 19 日)
图 5.34 自动生成的预警结果( 2007 年 8 月 19 日)
