朱 慶, 丁雨淋,3 ,苗雙喜, 曹振宇

(1. 西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756; 3. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 999077; 4. 四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川 成都 610000)

動態(tài)觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法

朱 慶1,2, 丁雨淋1,2,3,苗雙喜1,2, 曹振宇4

(1. 西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756; 3. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 999077; 4. 四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川 成都 610000)

受全球極端氣候變化和人類活動影響，復(fù)雜滑坡災(zāi)害時空演變過程復(fù)雜，其時空演變的高突變性、高隱蔽性、高動態(tài)性,以及孕育環(huán)境的時空異質(zhì)性與不確定性等十分突出，復(fù)雜地形地質(zhì)條件下滑坡災(zāi)害模擬分析已經(jīng)成為世界性難題.為此,本文提出動態(tài)觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法，設(shè)計了動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析框架，闡釋了滑坡災(zāi)害過程時空變化的顯式語義描述，任務(wù)驅(qū)動的空天地一體化觀測數(shù)據(jù)規(guī)劃與調(diào)度，計算與存儲融合的復(fù)雜滑坡災(zāi)害實時數(shù)據(jù)組織與管理，變化驅(qū)動的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時接入與自主加載，多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)在線智能處理，復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬模型參數(shù)智能率定等關(guān)鍵技術(shù)，為滑坡災(zāi)害鏈的全鏈條防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)理論支撐.

滑坡災(zāi)害；動態(tài)觀測數(shù)據(jù)；實時GIS；空地一體化立體觀測；模擬分析

在極端天氣氣候事件頻發(fā)的背景下,復(fù)雜滑坡災(zāi)害引發(fā)的環(huán)境變化和造成的危害形勢日趨嚴(yán)峻[1-2],已成為影響重大基礎(chǔ)設(shè)施安全和城鎮(zhèn)化區(qū)域安全最重要的因素之一，因此，亟需提高對復(fù)雜滑坡災(zāi)害過程進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警、災(zāi)情速報和應(yīng)急救援能力[3-4].

滑坡災(zāi)害是一種嚴(yán)重的斜坡巖土體失穩(wěn)現(xiàn)象,是指大塊巖(土)體由于強(qiáng)降雨、地震或人為因素影響及斜坡巖土體不穩(wěn)定,在重力作用下,沿著貫通剪切破壞面整塊地向前向下滑動的現(xiàn)象.受極端氣象,以及復(fù)雜地形、地質(zhì)等下墊面時空異質(zhì)性因素影響,我國西部山區(qū)重大滑坡災(zāi)害時空演變過程復(fù)雜,高突變性、隱蔽性和不確定性特征極為突出[5-7],極大增加了其危害性和防范預(yù)警難度.如何提高滑坡災(zāi)害鏈模擬分析水平,提升預(yù)測預(yù)警的時效性和精準(zhǔn)性已成為國際滑坡研究領(lǐng)域關(guān)注的前沿難點[8].

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

滑坡模擬分析先后經(jīng)歷了經(jīng)驗預(yù)報、統(tǒng)計預(yù)報、非線性預(yù)報,目前已進(jìn)入實時跟蹤動態(tài)預(yù)報、數(shù)值模擬分析、綜合模擬分析的新階段[9-11].受傳統(tǒng)觀測能力的限制(由于缺乏針對災(zāi)害鏈的全生命周期監(jiān)測技術(shù)支撐),對復(fù)雜滑坡失穩(wěn)和災(zāi)害鏈機(jī)理的基礎(chǔ)研究仍不足,對滑坡坡體內(nèi)部三維機(jī)構(gòu)形態(tài)、內(nèi)部物理場(應(yīng)力、流體等)、內(nèi)部動態(tài)演化過程,極端氣象條件引發(fā)的暴雨型滑坡等災(zāi)害鏈成災(zāi)模式機(jī)理的認(rèn)知仍十分有限,難以建立有效的基于斜坡演化水文-巖土力學(xué)機(jī)理的物理預(yù)警方法[12].

已有的滑坡災(zāi)害模擬分析主要依靠對歷史滑坡災(zāi)害觀測數(shù)據(jù)的擬合外推預(yù)測,是一種靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的半定量化模擬分析方法[13-14].這些方法旨在量化已發(fā)生滑坡過程中相關(guān)地理變量歷史觀測數(shù)據(jù)之間的時空相關(guān)關(guān)系(地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等因素與滑坡變形的關(guān)系).基于歷史觀測數(shù)據(jù),建立適用于全局的目標(biāo)變量與輔助變量之間的統(tǒng)計相關(guān)模型,利用輔助變量觀測值推測目標(biāo)變量在未知時刻和空間位置的特征值，即對已發(fā)生的滑坡與影響滑坡因素的歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計回歸,利用回歸模型對特定地點和時間可能發(fā)生的滑坡進(jìn)行模擬分析.

面對復(fù)雜條件下的滑坡災(zāi)害,其時效性和精準(zhǔn)性受到明顯局限.

(1) 由于滑坡災(zāi)害的形成條件、誘發(fā)因素以及發(fā)生機(jī)理等的復(fù)雜性和多樣性,各個滑坡體的變形演化規(guī)律具有極強(qiáng)的隨機(jī)性、不確定性和時空多階段演化特征,難以完全通過機(jī)理模型進(jìn)行確定性描述.在非穩(wěn)態(tài)氣象和復(fù)雜地形條件下,許多機(jī)制都可能導(dǎo)致滑坡變形演化過程的突變,這些過程多是臨界過程,當(dāng)超過某個特定點,漸進(jìn)的氣象、地質(zhì)地形等環(huán)境變化可能激發(fā)滑坡過程非線性的響應(yīng),而且也無法準(zhǔn)確的確定閾值.

對于偏離“正常”的突發(fā)性、隨機(jī)性、不確定性滑坡災(zāi)害過程相關(guān)現(xiàn)象,模擬模型并不能完全適用,往往僅能適用于某一類滑坡或某一演化階段的模擬預(yù)測.因此,在滑坡災(zāi)害過程時空演化模式發(fā)生變化后,為保證模擬過程與災(zāi)害真實演變之間的時空一致性,滑坡災(zāi)害模擬分析模型需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,否則模擬將無法適應(yīng)滑坡災(zāi)害演變過程中時空轉(zhuǎn)換的高突發(fā)性、高動態(tài)性,以及災(zāi)害孕育環(huán)境的時空變異性.

靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的半定量化模擬分析由于建立在穩(wěn)定環(huán)境和確定性模擬預(yù)測理論基礎(chǔ)上,理論假設(shè)模擬中的機(jī)理模型在預(yù)測區(qū)間是靜態(tài)恒定的,即模型形式和參數(shù)不會根據(jù)滑坡不同變形破壞階段的動態(tài)性進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,其模擬結(jié)果的適宜性和可靠性較低.

(2) 驅(qū)動模擬的數(shù)據(jù)涵蓋時空變化的信息量直接決定模擬模型參數(shù)率定的精準(zhǔn)性.若驅(qū)動模擬的數(shù)據(jù)無法涵蓋和反映滑坡災(zāi)害鏈不同階段不同要素的時空演變特征,參數(shù)率定結(jié)果將毫無意義.然而,缺乏完備的滑坡災(zāi)害全要素持續(xù)觀測數(shù)據(jù)的支撐,無論是直接輸入的滑坡歷史形變監(jiān)測信息,還是根據(jù)歷史滑坡事件總結(jié)的滑坡宏觀變形破壞跡象和前兆異常特征信息,靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的半定量化模擬分析中的驅(qū)動數(shù)據(jù)都是斜坡體在其發(fā)展演化過程中的外在表現(xiàn),未考慮斜坡變形破壞的物理本質(zhì)[15-16],驅(qū)動數(shù)據(jù)所涵蓋的滑坡災(zāi)害鏈時空演變信息量較為片面和滯后.加之模擬過程只能從數(shù)據(jù)層面而非時空變化信息量層面約束和指導(dǎo)模擬模型的率定過程,其隨機(jī)性、偏移性和盲目性難以避免,模擬結(jié)果的精準(zhǔn)性也就無法保證[17].

近年來物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展,遙感、地球物理、水文地質(zhì)、地球化學(xué)、巖土工程、地貌學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域多手段聯(lián)合的天空地多傳感器立體綜合探測和動態(tài)觀測,為滑坡災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理、滑坡潛在隱患早期識別、以及實時預(yù)測預(yù)警等持續(xù)提供時空分辨率越來越高的滑坡災(zāi)害鏈全鏈條多因素的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)[18-20].

多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含著滑坡災(zāi)害過程演變的復(fù)雜時空變化信息,包括滑坡災(zāi)害孕育環(huán)境(地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土特性、坡體含水量、潛水位、坡體位移與應(yīng)力變化、孔隙水壓力等)、誘發(fā)因素(降雨)、滑坡形變過程表征(坡體的幾何形態(tài)變化、坡體運動隨時間及空間的分布、內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)變化、流變學(xué)結(jié)構(gòu)變化)等.

作為滑坡災(zāi)害孕育環(huán)境、誘發(fā)因子以及演變過程全鏈條的表征,動態(tài)觀測數(shù)據(jù)中的時空變化特征特別是尺度、變化模式等基本因子與滑坡災(zāi)害鏈的時-空狀態(tài)變化及其演進(jìn)機(jī)理密切關(guān)聯(lián).發(fā)現(xiàn)和提取這些持續(xù)動態(tài)觀測數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏的滑坡災(zāi)害突發(fā)臨界條件、滑坡災(zāi)害態(tài)勢突變、滑坡災(zāi)害鏈全鏈條影響因子之間的時空相關(guān)關(guān)系等地理時空變化信息,實現(xiàn)對多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)復(fù)雜變化特征與模式的形式化描述和深層語義理解,并以此約束模擬參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整,成為解決傳統(tǒng)模擬方法適應(yīng)性差和精準(zhǔn)性低等瓶頸問題的有效途徑[21-24].

綜上所述,由于復(fù)雜滑坡失穩(wěn)和災(zāi)害鏈機(jī)理的基礎(chǔ)研究,以及對特大型地震滑坡、極端氣象條件造成暴雨型滑坡等災(zāi)害鏈成災(zāi)模式研究還很局限,復(fù)雜滑坡災(zāi)害時空過程的高突變、高時變、不確定等特點突出,傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的半定量化模擬分析已經(jīng)難以保持與滑坡災(zāi)害時空變化的一致性,模擬結(jié)果的時效性和精準(zhǔn)性較低.

為此,本文提出了天空地多源動態(tài)立體觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬方法,旨在構(gòu)建多源異構(gòu)動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與模擬模型的動態(tài)耦合機(jī)制.一方面以多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)對復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬分析過程進(jìn)行實時修正,另一方面以模擬分析結(jié)果指導(dǎo)和優(yōu)化天空地觀測數(shù)據(jù)的有效規(guī)劃.通過構(gòu)建觀測與模擬之間的動態(tài)反饋機(jī)制,提高模擬過程對滑坡災(zāi)害復(fù)雜時空轉(zhuǎn)換的適應(yīng)性,突破現(xiàn)有滑坡災(zāi)害模擬的瓶頸問題,為提高滑坡災(zāi)害模擬評估結(jié)果的時效性和精準(zhǔn)性提供新的途徑.

2 動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的滑坡災(zāi)害模擬原理

天空地多源動態(tài)立體觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬分析的核心是要建立多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與滑坡模擬模型之間的動態(tài)耦合機(jī)制,因此，需在動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與復(fù)雜時空過程動態(tài)演變規(guī)律相互之間建立高層語義映射,并具備多源動態(tài)信息實時接入、加載、時空關(guān)聯(lián)與融合計算能力.模擬模型的高效管理和智能率定能力,保證了模擬分析的時效性和精準(zhǔn)性.具體原理框架圖如圖1所示.

圖1方法以多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)中高質(zhì)量的時空變化為驅(qū)動力:數(shù)據(jù)接入端,面向模擬任務(wù),實現(xiàn)天空地觀測數(shù)據(jù)的規(guī)劃與調(diào)度,時空變化驅(qū)動多源動態(tài)觀測信息實時接入與主動加載,在動態(tài)數(shù)據(jù)實時接入過程中，實現(xiàn)變化語義約束的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)在線清洗、語義感知的時空變化信息發(fā)現(xiàn)以及語義約束的多源動態(tài)觀測信息時空關(guān)聯(lián),實現(xiàn)多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的在線處理與深度分析,減低數(shù)據(jù)不確定性、冗余性對模擬評估結(jié)果的影響;模型端,通過變化語義約束的模擬參數(shù)智能率定,實現(xiàn)顧及時空變化特征的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整,提高模擬模型對滑坡孕育環(huán)境及復(fù)雜滑坡突變特征的適應(yīng)性.

圖1 動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析框架Fig.1 The framework of dynamic data driven precise simulation of complex landslide hazards

3 關(guān)鍵技術(shù)難點及解決思路

3.1 滑坡災(zāi)害過程時空變化的顯式語義描述模型

如何定義、度量與判斷復(fù)雜滑坡災(zāi)害時空演變特征及其演變規(guī)律,準(zhǔn)確刻畫地理對象、時空過程和地理事件之間的語義關(guān)聯(lián)關(guān)系,兼顧復(fù)雜地理過程的動態(tài)演變規(guī)律和時空數(shù)據(jù)的變化特征以及相互之間的高層語義映射,是實現(xiàn)多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與滑坡模擬模型動態(tài)耦合需解決的基礎(chǔ)問題.傳統(tǒng)用于抽象描述各種地理要素和地理過程的地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)時空數(shù)據(jù)模型大多以地理實體為核心，獨立地表達(dá)地理實體的空間和時態(tài)信息,如靜態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型主要是空間數(shù)據(jù)模型,強(qiáng)調(diào)實體的幾何特征,其存儲的都是靜態(tài)數(shù)據(jù)來提供人們認(rèn)知實體的某個狀態(tài);時態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型通過在靜態(tài)數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上加入時態(tài)信息存儲歷史數(shù)據(jù),提供給人們認(rèn)知實體的多個狀態(tài),通過離散狀態(tài)之間的比較來判斷實體某個特征發(fā)生的改變.由于缺少對連續(xù)變化描述與存儲能力,未對變化機(jī)制顯式表達(dá),因此傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型在描述和表達(dá)地理要素和地理過程的時空演進(jìn)方面有很大局限性[25].

為了突破傳統(tǒng)時態(tài)GIS隱式表達(dá)變化的局限性,直接表達(dá)動態(tài)變化并顯式描述變化機(jī)制,實現(xiàn)多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與復(fù)雜滑坡災(zāi)害時空演變特征的統(tǒng)一語義描述,作者提出了滑坡災(zāi)害過程時空變化的顯式語義描述模型[26],自下而上建立包括滑坡災(zāi)害鏈全過程變化要素、變化機(jī)制與變化語義在內(nèi)的概念層次,深入分析滑坡災(zāi)害鏈演化過程復(fù)雜動態(tài)性在形成機(jī)理及其演變規(guī)律方面體現(xiàn)的共性特點,將參與者、驅(qū)動力和呈現(xiàn)模式等時空變化形成的關(guān)鍵性因素及其相互作用抽象為特征域、過程域與事件域以及三域之間的語義關(guān)聯(lián)描述,建立完整的變化狀態(tài)輸入輸出鏈路,實現(xiàn)離散與連續(xù)變化的統(tǒng)一表達(dá),并在此基礎(chǔ)上，建立多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)時空變化特征與滑坡災(zāi)害時空演變過程中各種表征之間的語義關(guān)聯(lián)關(guān)系.

3.2 任務(wù)驅(qū)動的天空地一體化觀測數(shù)據(jù)規(guī)劃與調(diào)度

大量實例監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,滑坡災(zāi)害中斜坡巖土體的變形演化一般要經(jīng)歷宏觀連續(xù)性無顯著變化的變形演化發(fā)展階段和整體性失穩(wěn)的破壞階段.對于滑坡災(zāi)害鏈時空演變的不同階段,滑坡災(zāi)害模擬對天空地傳感器觀測需求不盡相同.面向滑坡災(zāi)害實時模擬決策的應(yīng)急觀測任務(wù),與滑坡災(zāi)害演變態(tài)勢的動態(tài)性、突發(fā)性、隨機(jī)性和不確定性共存,同樣具有多樣性、復(fù)雜性和動態(tài)性特征,天空地多源傳感器資源的動態(tài)調(diào)度與觀測任務(wù)規(guī)劃的時效性、準(zhǔn)確性和持續(xù)性等均面臨著更高的要求.如何根據(jù)滑坡災(zāi)害不同階段的演變態(tài)勢和特征,實現(xiàn)天空地多源傳感器資源的最優(yōu)化調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃,最大限度地發(fā)揮天空地一體化對地觀測資源的優(yōu)勢,使觀測數(shù)據(jù)能夠盡可能的涵蓋滑坡災(zāi)害鏈全過程的多種地理變量演變狀態(tài),是保證動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的滑坡災(zāi)害模擬方法能夠正常開展的前提與必要條件.現(xiàn)有的天空地各個傳感器相互獨立運行,分散進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的工作模式已經(jīng)無法滿足突發(fā)性復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬決策要求.

針對上述問題,提出任務(wù)驅(qū)動的天空地一體化傳感器觀測資源應(yīng)急調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法,通過分析復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬決策相關(guān)的地球物理、水文地質(zhì)、地球化學(xué)、巖土工程、地形地貌等相關(guān)的航空、航天、地基遙感、地面測站等滑坡監(jiān)測傳感器資源的特性、主要約束條件以及滑坡災(zāi)害模擬決策的觀測數(shù)據(jù)需求與任務(wù)特點,建立天空地傳感器資源的統(tǒng)一描述模型、顧及滑坡災(zāi)害時空演變態(tài)勢的觀測任務(wù)模型以及天空地一體化的資源優(yōu)化組合調(diào)度模型,實現(xiàn)滑坡災(zāi)害演變態(tài)勢和觀測條件約束的觀測任務(wù)快速生成以及觀測任務(wù)與觀測資源的高效匹配、派送、反饋與優(yōu)化調(diào)整等.

3.3 變化驅(qū)動的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時接入與自主加載機(jī)制

滑坡災(zāi)害天空地觀測數(shù)據(jù)多源異構(gòu),具有典型的時空大數(shù)據(jù)特征,如何從大規(guī)模、高動態(tài)、多源異構(gòu)、時變信息豐富的天空地多傳感立體觀測數(shù)據(jù)資源中,實時接入與自主加載模擬模型需要的時空變化信息,以滿足滑坡災(zāi)害實時模擬需要,是保證滑坡災(zāi)害模擬結(jié)果時效性的關(guān)鍵.由于滑坡災(zāi)害具有突發(fā)、多變量、多時變等不確定性復(fù)雜特征,已有的以數(shù)據(jù)為中心的靜態(tài)加載方式,難以適應(yīng)和應(yīng)對復(fù)雜地理環(huán)境時變空變的不確定性和突變性,無法滿足滑坡災(zāi)害模擬評估過程實時(近實時)、動態(tài)多樣化的數(shù)據(jù)需求.

針對傳統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心的靜態(tài)加載方式時效性難以保證的局限,提出一種變化驅(qū)動的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時接入與自主加載機(jī)制,面向滑坡災(zāi)害模擬模型的數(shù)據(jù)需求，建立面向主題的需求信息感知模型,通過詳細(xì)描述天空地傳感器信息各項元數(shù)據(jù)上的特征分布,建立多源傳感器信息與模擬模型數(shù)據(jù)需求特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,定量表達(dá)傳感器信息對模擬模型需求貼合程度的量變與質(zhì)變的過程,實現(xiàn)面向模擬主題的天空地多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)實時接入與自主加載.

3.4 多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)在線智能處理

如何對實時接入的傳感器動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理與深入分析,降低數(shù)據(jù)不確定性、發(fā)現(xiàn)與理解觀測數(shù)據(jù)中時空變化特征及其本質(zhì)語義信息,是指導(dǎo)后續(xù)模擬參數(shù)自適應(yīng)率定、提高模擬結(jié)果對實時感知的外界環(huán)境變化適應(yīng)性的關(guān)鍵.天空地滑坡災(zāi)害鏈全鏈條動態(tài)觀測數(shù)據(jù)多以實時數(shù)據(jù)流的形式動態(tài)、快速地產(chǎn)生和演變,實時接入的傳感器動態(tài)觀測數(shù)據(jù)必須實時在線處理和深度分析,才能更好地發(fā)揮多源數(shù)據(jù)的綜合利用效能.傳統(tǒng)先存儲再處理的數(shù)據(jù)處理方式導(dǎo)致的信息時延問題突出,已經(jīng)難以應(yīng)對突發(fā)性滑坡災(zāi)害模擬應(yīng)急任務(wù)的動態(tài)性和時效性需求,嚴(yán)重制約了動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的實時應(yīng)用效能.傳感器動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的在線處理和綜合分析已經(jīng)成為實時模擬的巨大挑戰(zhàn)[27].滑坡災(zāi)害傳感器動態(tài)觀測數(shù)據(jù)具有持續(xù)性、復(fù)雜時變空變等特點,采用時域或頻域的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)流變化模式提取、數(shù)據(jù)清洗方法,多是基于穩(wěn)定環(huán)境假設(shè)以及靜態(tài)模型理論,需對不斷到達(dá)的數(shù)據(jù)流新元素反復(fù)建模,模型適應(yīng)性差、參數(shù)難以根據(jù)新到達(dá)的數(shù)據(jù)流元素進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,主要適用于平穩(wěn)、即變化模式規(guī)律統(tǒng)一的觀測數(shù)據(jù)流,不適用模式多變、突發(fā)環(huán)境變化等情況下，觀測數(shù)據(jù)流中的變化模式提取和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,且存在對異常點及噪聲點敏感的問題,已經(jīng)無法有效分析和預(yù)測傳感器動態(tài)觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在的規(guī)律及其蘊(yùn)含的真實價值[28-29].

針對上述問題,提出時空變化語義約束的傳感器多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)在線清洗方法、語義感知的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)時空變化特征發(fā)現(xiàn)方法以及知識引導(dǎo)的多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)時空關(guān)聯(lián)方法,融合滑坡過程的機(jī)理模型與知識規(guī)則,定量和定性描述滑坡災(zāi)害演化過程的時空變化特征,并以此約束動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的在線清洗、變化發(fā)現(xiàn)以及時空關(guān)聯(lián).

3.5 復(fù)雜滑坡災(zāi)害模擬模型參數(shù)智能率定方法

提高模擬模型參數(shù)對滑坡孕育環(huán)境的時空異質(zhì)性、復(fù)雜滑坡過程時空演變特征的適應(yīng)性,是滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)化模擬分析的基本目標(biāo).由于觀測數(shù)據(jù)對于模型參數(shù)率定的影響突出,觀測數(shù)據(jù)中所包含的各種時空變化特征是決定模型參數(shù)率定精準(zhǔn)度的關(guān)鍵.傳統(tǒng)基于目標(biāo)函數(shù)的啟發(fā)式率定方法,由于無法完整獲取觀測數(shù)據(jù)所表征的復(fù)雜滑坡災(zāi)害鏈不同階段時空演變過程的物理規(guī)律,只能通過參數(shù)最基礎(chǔ)的物理意義以及地質(zhì)特性粗略的給定參數(shù)可行空間,導(dǎo)致“異參同效”現(xiàn)象明顯，計算復(fù)雜度和計算量大,模型最優(yōu)參數(shù)值的選擇仍有很大的不確定性,盲目隨機(jī)游動性問題突出.

為此,提出一種顧及多源觀測數(shù)據(jù)時空變化信息量的模型參數(shù)智能優(yōu)選方法,通過定量評價率定觀測數(shù)據(jù)樣本的時空變化量系數(shù),在此基礎(chǔ)上將多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的時空變化特征通過語義匹配和關(guān)聯(lián)分析,聚合能反映滑坡時空演化規(guī)律的變化信息集合,并以此約束參數(shù)搜索.

3.6 計算與存儲融合的復(fù)雜滑坡災(zāi)害實時數(shù)據(jù)組織與管理

為了滿足模擬分析過程中模擬參數(shù)的智能率定和多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)在線處理操作中全局性的時空關(guān)聯(lián)分析、高性能時空查詢檢索和實時處理的時效性需求,如何高效管理實時接入的天空地傳感器多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù),并支持動態(tài)數(shù)據(jù)在線融入滑坡模擬過程計算與分析模型中,實現(xiàn)計算與存儲的融合,是保證模擬分析結(jié)果實效性的關(guān)鍵[30-31].

針對天空地傳感器多源動態(tài)觀測數(shù)據(jù)接入的實時性、模擬計算的動態(tài)性、存儲量大等特點,提出一種計算與存儲融合的復(fù)雜滑坡災(zāi)害實時數(shù)據(jù)組織與管理模式，即針對數(shù)據(jù)存儲和計算的效率差異,以及內(nèi)外存數(shù)據(jù)組織的結(jié)構(gòu)和粒度差異,提出內(nèi)外存協(xié)同的語義索引方法,實現(xiàn)語義關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的最優(yōu)查詢檢索.分析滑坡災(zāi)害時空變化的顯式語義描述三域模型中每個域的元數(shù)據(jù)語義特征,通過語義感知的自適應(yīng)分級聚集,時空語義一體化的混合索引,支持單一時空類型檢索及多因素聯(lián)合檢索,實現(xiàn)內(nèi)容和時空語義關(guān)聯(lián)的快速檢索,為全局性的時空關(guān)聯(lián)分析與協(xié)同計算奠定基礎(chǔ).通過變化語義約束的內(nèi)外存動態(tài)更新耦合,實現(xiàn)內(nèi)外存協(xié)同索引的實時更新與一致性維護(hù).

4 展 望

針對復(fù)雜條件下滑坡災(zāi)害模擬評估的時效性和精準(zhǔn)性需求,本文提出天空地協(xié)同觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的模擬分析方法,突破了傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的半定量化模擬分析方法的技術(shù)瓶頸.后續(xù)將針對復(fù)雜地形地質(zhì)環(huán)境中重大工程，如川藏鐵路,選擇典型的高速遠(yuǎn)程滑坡進(jìn)行示范應(yīng)用研究,并進(jìn)一步發(fā)展針對災(zāi)害鏈和多災(zāi)種的精細(xì)化綜合模擬評估方法.

隨著傳感網(wǎng)技術(shù)和高性能計算技術(shù)在滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的普及應(yīng)用,動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與機(jī)理模型的深度融合,分布式地理協(xié)同輔助的滑坡災(zāi)害鏈實時模擬已經(jīng)成為國內(nèi)外競相努力發(fā)展的方向,這為事先發(fā)現(xiàn)和識別災(zāi)害隱患，實施科學(xué)的監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng),變“被動”為“主動”提供了強(qiáng)有力的支撐.

致謝:空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點實驗室(深圳大學(xué))開放基金資助; 感謝西南交通大學(xué)程謙恭教授和肖世國教授提出的寶貴建議與意見.

[1] SCHIPPER L, PELLING M. Disaster risk, climate change and international development: scope for, and challenges to, integration[J]. Disasters, 2006, 30(1): 19-38.

[2] VAN AALST M K. The impacts of climate change on the risk of natural disasters[J]. Disasters, 2006, 30(1): 5-18.

[3] DING Yulin, FAN Yida, DU Zhiqiang, et al. An integrated geospatial information service system for disaster management in China[J]. International Journal of Digital Earth, 2015, 8(11): 918-945.

[4] FIELD C B. Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation: special report of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge： Cambridge University Press, 2012: 121-143.

[5] VAN AALST M K, CANNON T, BURTON I. Community level adaptation to climate change: the potential role of participatory community risk assessment[J]. Global Environmental Change. 2008, 18(1): 165-179.

[6] DIKAU R. Landslide recognition: identification, movement, and clauses[M]. [S.l.]: Wiley, 1996: 147-155.

[7] SOETERS R, VAN WESTEN C J. Slope instability recognition, analysis and zonation, landslides: investigation and mitigation, No. 247[R]. Washington D. C.: Transportation Research Board National Research Council, 1996.

[8] 黃潤秋. 汶川8.0級地震觸發(fā)崩滑災(zāi)害機(jī)制及其地質(zhì)力學(xué)模式[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(6): 1239-1249.

HUANG Runqiu. Mechanism and geomechanical modes of landslide hazards triggered by wenchuan 8.0 earthquake[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(6): 1239-1249.

[9] 胡卸文,顧成壯,牛彥博,等. 蘆山地震觸發(fā)大巖崩滑坡-碎屑流特征與運動過程[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報,2013,48(4): 590-598.

HU Xiewen, GU Chengzhuang, NIU Yanbo, et al. Debris flow characteristics and movement process of dayanbeng landslide in tianquan county triggered by “4·20” Lushan earthquake[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2013, 48(4): 590-598.

[10] 段書蘇,姚令侃,郭沉穩(wěn). 蘆山地震觸發(fā)崩塌滑坡的優(yōu)勢方向與機(jī)理[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報,2015,50(3): 428-434.

DUAN Shusu, YAO Lingkan, GUO Chenwen. Predominant direction and mechanism of landslides triggered by lushan earthquake[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(3): 428-434.

[11] CROZIER M J. Deciphering the effect of climate change on landslide activity: A review[J]. Geomorphology, 2010, 124(3): 260-267.

[12] KORUP O. Recent research on landslide dams-a literature review with special attention to New Zealand[J]. Progress in Physical Geography, 2002, 26(2): 206-235.

[13] ALEOTTI P, CHOWDHURY R. Landslide hazard assessment: summary review and new perspectives[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 1999, 58(1): 21-44.

[14] 楊廣斌,唐小明,李亦秋. 動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的林火蔓延模型模擬誤差自適應(yīng)修正[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,39(11): 29-32.

YANG Guangbin, TANG Xiaoming, LI Yiqiu. Self-adaptive correction of simulation error on dynamic data driven forest fire spreading model[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2011, 39(11): 29-32.

[15] 許強(qiáng),黃潤秋,李秀珍. 滑坡時間預(yù)測預(yù)報研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展. 2004, 19(3): 478-483.

XU Qiang, HUANG Runqiu, LI Xiuzhen. Research progress in time forecast and prediction of landslides[J]. Advance in Earth Science, 2004, 19(3): 478-483.

[16] 許強(qiáng),湯明高,徐開祥,等. 滑坡時空演化規(guī)律及預(yù)警預(yù)報研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27(6): 1104-1112.

XU Qiang, TANG Minggao, XU Kaixiang, et al. Researh on space-time evolution laws and early warning prediction of landeslides[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008, 27(6): 1104-1112.

[17] 楊廣斌,唐小明,李亦秋. 動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的林火蔓延模型模擬誤差自適應(yīng)修正[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,39(11): 29-32.

YANG Guangbin, TANG Xiaoming, LI Yiqiu. Self-adaptive correction of simulation error on dynamic data driven forest fire spreading model[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2011, 39(11): 29-32.

[18] LUCAS A, MANGENEY A, AMPUERO J P. Frictional velocity-weakening in landslides on Earth and on other planetary bodies[J]. Nature Communications, 2014: 5(9): 3417-3417.

[19] 許強(qiáng),黃潤秋,李秀珍. 滑坡時間預(yù)測預(yù)報研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19(3): 478-483.

XU Qiang, HUANG Runqiu, LI Xiuzhen. Research progress in time forecast and prediction of landslides[J]. Advances in Earth Science, 2004, 19(3): 478-483.

[20] 許強(qiáng),湯明高,徐開祥,等. 滑坡時空演化規(guī)律及預(yù)警預(yù)報研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(6): 1104-1112.

XU Qiang, TANG Minggao, XU Kaixiang, et al. Researh on space-time evolution laws and early warning prediction of landeslides[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(6): 1104-1112.

[21] GOODCHILD M F. The validity and usefulness of laws in geographic information science and geography[J]. Annals of the Association of American Geographers, 2004, 94(2): 300-303.

[22] LANIAK G F, OLCHIN G, GOODALL J, et al. Integrated environmental modeling: a vision and roadmap for the future[J]. Environmental Modelling & Software, 2013, 39: 2-23.

[23] MCINTOSH B S, ASCOUGH II J C, TWERY M, et al. Environmental decision support systems (EDSS) development-Challenges and best practices[J]. Environmental Modelling & Software, 2011, 26(12): 1389-1402.

[24] LANIAK G F, OLCHIN G, GOODALL J, et al. Integrated environmental modeling: a vision and roadmap for the future[J]. Environmental Modelling & Software, 2013, 39: 3-23.

[25] 李德仁,張良培,夏桂松. 遙感大數(shù)據(jù)自動分析與數(shù)據(jù)挖掘[J]. 測繪學(xué)報,2014,43(12): 1211-1216.

LI Deren, ZHANG Liangpei, XIA Guisong. Automatic analysis and mining of remote sensing big data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(12): 1211-1216.

[26] DINGYulin, ZHU Qing, LIN Hui. An integrated virtual geographic environmental simulation framework: a case study of flood disaster simulation[J]. Geo-spatial Information Science, 2014, 17(4): 190-200.

[27] LESKENS J G, BRUGNACH M, HOEKSTRA A Y, et al. Why are decisions in flood disaster management so poorly supported by information from flood models[J]. Environmental Modelling & Software, 2014, 53: 53-61.

[28] MALET J, DELACOURT C, MAQUAIRE O, et al. Introduction to the thematic volume: issues in landslide process monitoring and understanding Introduction au volume thématique: thèmes de recherche pour la surveillance et la compréhension des glissements de terrain[J]. Bulletin de la Société Géologique de France, 2007, 178(2): 63-64.

[29] KEEFER D K, LARSEN M C. Assessing landslide hazards[J]. Science, 2007, 316(5828): 1136-1138.

[30] 吳晨,朱慶,張葉廷,等. 顧及用戶體驗的三維城市模型自適應(yīng)組織方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版, 2014,39(11): 1293-1297.

WU Chen, ZHU Qing, ZHANG Yeting, et al. An adaptive organization method for complex 3d city models considering user experience[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2014, 39(11): 1293-1297.

[31] 謝瀟,朱慶,張葉廷,等. 多層次地理視頻語義模型[J]. 測繪學(xué)報,2015,44(5): 555-562.

XIE Xiao, ZHU Qing, ZHANG Yeting, et al. Hierarchical semantic model of geovideo[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica. 2015, 44(5): 555-562.

朱慶(1966—),博士,2013年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘教授,博士生導(dǎo)師.主要研究為攝影測量、地理信息系統(tǒng)、虛擬地理環(huán)境.承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、863計劃和973計劃等各類項目30余項.獲得國家發(fā)明專利5項，獲得國家自然科學(xué)二等獎、國家科技進(jìn)步二等獎和省部級一等獎共8項.教育部長江學(xué)者特聘教授,新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選.先后兼任國家自然科學(xué)基金委員會第十三、十四屆地球科學(xué)部評審組成員，四川省測繪學(xué)會副理事長.

E-mail: zhuq66@263.net

丁雨淋(1986—),女,博士,2015年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副教授,研究方向為虛擬地理環(huán)境、地理信息系統(tǒng)、攝影測量.

E-mail: rainforests@126.com

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Precise Simulation Method for Dynamic Data Driven Landslide Hazards

ZHUQing1,2,DINGYulin1,2,3,MIAOShuangxi1,2,CAOZhenyu4

(1. State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology of High-Speed Rail Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 3. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hongkong, Hongkong 999077, China; 4. Sichuan Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Chengdu 610000, China)

As the consequences of climate changes and human activities, precise modeling of landslide hazards in complicated topographical and geological environments has become a serious problem in the world. The cruxes of simulation of the landslides lie in the high mutability and dynamism of the spatial-temporal evolution, and the heterogeneity and uncertainty of the disaster-pregnant environment. To solve this problem, this paper proposes a novel dynamic data driven approach for the precise simulation of landslide hazards. After introducing the theoretical framework with graphic illustration, several core technologies are explained, including the explicit semantic description of landslide spatio-temporal changes, task-driven planning and scheduling of space-air-ground observational data, real-time geo-processing database engine linking calculations and storage, change driven dynamic observations injection, online multisource observational data intelligent geo-processing, and intelligent model parameter calibration. The proposed method is expected to provide a strong scientific theoretical support for the whole disaster prevention and reduction process in dealing with major landslide disasters.

landslide hazards; dynamic observation data; real-time GIS; space-ground integrated observation; modeling analysis

2015-10-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(41471320,41501421); 國家高分專項(民用部分)重大專項資助項目(03-Y30B06-9001-13/15); 四川省測繪地理信息局科技支撐項目(J2013CX04)

朱慶,丁雨淋,苗雙喜,等. 動態(tài)觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)模擬分析方法[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報,2016,51(2): 396-403.

0258-2724(2016)02-0396-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.019

P333

A